利用渦輪流量計(jì)
測量了油水兩相(xiàng)流動時的混合速(sù)度，重點研究了油(yóu)相粘度變化和流(liu)量計入口油水相(xiang)含宰變化對🛀測量(liang)精度的影響。實驗(yan)采用了七種不同(tóng)的油相粘🌈度(50,160,225,400，700,1100,1450mPa:s),并在(zai)🈲含油率0-100%範圍内記(jì)錄了🚶292組不同油水(shui)混合流量下的測(ce)量值.研究結果表(biao)明，當油相粘度爲(wei)低粘😄值50和160mPas時，渦輪(lun)流量計的測量誤(wu)差較小，且不受入(rù)口油相含率的影(yǐng)響，絕對誤差均☎️在(zai)+5%以内.當油相粘度(du)🌈大于225mPars時，随着入口(kǒu)油相含率的增加(jia)🤞，誤差逐漸增大。當(dang)油相粘度進一步(bù)提高到1100mPa's以上時，渦(wo)輪流量計在較低(di)的入💘口油相含串(chuàn)下進入🔴非線性失(shi)效區.此外，實驗數(shù)據還顯示㊙️，用渦輪(lun)流量計測t油水混(hùn)合流速時，測量結(jié)果對油水兩相流(liú)流型不敏感..
1引言(yan)
随着工業的快速(su)發展，能源的需求(qiu)量日益增加,陸上(shàng)💋油氣資源日漸枯(kū)竭，促使各國轉向(xiàng)海洋石油的開發(fa)🚶。陸上油田輸油☀️管(guan)路采用的傳統的(de)計量技術并不完(wan)全适合在海洋平(píng)台使🏃♂️用，因此⭕促使(shǐ)工業界和學術界(jie)😍聯合開發新型的(de)結構緊湊的㊙️多相(xiang)流量計。從上個世(shì)紀80年代以來，石油(you)工業界開始關注(zhu)油🛀🏻氣水混合物的(de)🈚計量，并投入了可(kě)觀的人力和物力(lì)來開發适♍用于石(shi)油工業的多相流(liú)量計.多相計量研(yán)究的困難來源于(yú)✨多相流動過程本(ben)身的複雜性🌈，相對(dui)于單相流可以直(zhí)👨❤️👨接地計算流速等(děng)參數，多相流模型(xíng)的建立需要考慮(lü)🌈的參數要複雜得(dé)多。一般來說，理想(xiǎng)的油氣水三相流(liu)量計應該具有各(ge)相5%的計量精度，并(bing)要求非侵入性，可(kě)⛷️靠性，與流型無關(guan)性以及對于☎️整個(ge)相含率範圍的适(shi)用性。雖然近年來(lai)提出了非常多的(de)方㊙️案，但到目前爲(wèi)止還沒有一種商(shāng)業化的流量計能(neng)🤩完全達到這些标(biao)準"。
渦輪流量計是(shi)被工業界普遍采(cai)用的用于測量單(dān)相流動的速🌈度式(shi)流量儀表。它以動(dòng)量守恒爲基礎，流(liú)體沖擊渦輪葉片(piàn)，使渦輪旋轉。渦輪(lún)的旋轉速度随流(liú)量的變化而變化(hua)，最後從渦輪的轉(zhuan)速求出流量值。典(diǎn)型的液體渦輪流(liu)量計的特性曲線(xiàn)(如圖1所示)可以分(fèn)成🤩兩個主要的區(qu)域，即線性區和非(fei)線性😍區。渦輪流量(liang)♍計的有效工作區(qu)間主要包括其♊線(xiàn)性工作區間☁️以及(jí)部分非線性區間(jian)。由于渦輪流量計(jì)🔅在高溫、高壓等比(bǐ)較嚴酷的環境下(xià)，仍🍉然具有較高精(jing)度以及穩定性，同(tóng)時，相對于其他流(liu)量計來說，渦⭐輪流(liú)量計有着較🔞大的(de)量程範圍，并具有(yǒu)對流動瞬☎️态變化(huà)後的快速反應的(de)特🔞點2,因此，一些研(yán)究者嘗試應用渦(wō)輪流量計來進行(háng)兩相流量的測量(liang)研究。由于測量主(zhǔ)要針對低黏度的(de)油水兩相流，并且(qiě)油相含率限定在(zài)一個🧑🏽🤝🧑🏻非常有限的(de)範圍内，因此，對于(yú)全油相含率範圍(wei)内的變化及高粘(zhān)油相對于渦輪流(liú)量🔆計測量造成的(de)影響等，還有待進(jìn)一🔞步的研究。
油水兩相流(liú)的流量計，設想采(cǎi)用Gammar射線獲得相含(hán)率，用渦輪流😄量計(jì)來獲得混合流速(sù)，結合二者結果得(de)到各相流量.由于(yú)原油粘☁️度分布變(bian)化很大,爲了達到(dào)這個目的，就🌈要獲(huò)知✊油相粘度變化(hua)對于渦輪流量計(ji)測量精度的影響(xiǎng)，從而确定渦輪流(liu)量計的工👉作條件(jian)和工作範圍。同時(shí)，本實驗還在低粘(zhan)度條件🥵下流型對(dui)于渦輪流量計的(de)工作性能的影響(xiang)。
2實驗系統
2.1實驗裝(zhuāng)置
本實驗是在中(zhong)國科學院力學研(yán)究所的多相流實(shi)驗平台上💁完成的(de)。圖2爲實驗裝置示(shi)意圖。油水分别由(you)油箱和水箱供應(yīng)，經過各自的流量(liang)計後，進入實驗管(guan)線，混合液流經實(shi)驗段後被分離再(zài)循環使用。實驗管(guan)線采用内徑50mm的透(tou)明有機玻璃管🌈，易(yì)于觀察🌈油水兩相(xiang)的流動狀态，管線(xiàn)從入口到分離器(qi)總長約35m。
實驗管線(xiàn)入口流量計量，水(shuǐ)相采用電磁流量(liang)計，油相采用腰輪(lún)流量計，油相和水(shui)相經過試驗管線(xiàn)後，用LWGY型渦輪流量(liàng)計對其進行混合(hé)流速的測量。LWGY型渦(wo)輪流量計公稱通(tōng)徑爲♉50mm,其測量流量(liàng)範圍在4m'/h~40m'/h,在測量🛀🏻單(dān)相流體時，其精度(dù)可達0.25%。流型識别采(cǎi)用攝像機記錄每(měi)次實驗條件下的(de)流動狀态，慢鏡🌐頭(tou)回放觀察🏃🏻流型。爲(wèi)保證🥵實驗數據的(de)可靠性，對每個測(ce)量💋點都在流量調(diao)整後的5min~8min分鍾流動(dòng)相對穩定後再采(cai)集數據和觀測流(liu)型。
2.2實驗工質及實(shi)驗過程
實驗水相(xiàng)爲普通自來水，20℃時(shi)的粘度爲1.005mPas,油相采(cai)用無色、透☂️明的礦(kuàng)物油，俗稱白油，在(zai)常溫常壓(20C,0.101mPa)下，我們(men)分别選用其粘度(du)爲50、160、225、400、700、1100和♍1450mPars,共七種樣品(pin)。同時，爲便于實驗(yàn)時的流❌型觀察，在(zai)水中加入了高錳(meng)酸鉀(顔色劑)以🐆便(bian)于識别。實驗工質(zhi)📱溫度控制在19℃~21℃,在特(tè)定的粘度下，給定(dìng)油相流⭐量後,調整(zhěng)水相流量，觀察🏃🏻♂️實(shí)驗段的油♈水兩相(xiang)流型👈，記錄入口處(chù)不同流型的油相(xiang)和水相表觀流速(sù)和實驗段的混合(hé)流速。表1給出了不(bu)同粘🔆度下的實驗(yan)數組。
3結果與讨論(lun)
3.1油相粘度和入口(kou)含率的影響
首先(xian)固定油相粘度，用(yòng)電磁流量計測量(liang)入口處水相流量(liàng)Qw，用腰輪流量計測(cè)量入口處油相流(liú)量QO，分别得到🌈入口(kou)處油相、水🌏相的體(tǐ)積相含率βo和βw.即:
式(shì)中QM1爲管道入口處(chu)的混合流量。
同時(shi)，在實驗管段用渦(wo)輪流量計測量兩(liang)相混合流量(如圖(tú)2所☀️示💔),Qm2，對比Qm1和Qm2,可以(yǐ)得到渦輪流量計(ji)的測量🤟誤差(相對(dui)誤差):
圖3至圖9給出(chū)了在七種不同粘(zhan)度下，渦輪流量計(ji)的測量誤差随入(rù)口處油相含率的(de)變化關系圖。以實(shí)際應用中可以接(jiē)受的誤差+5%作爲其(qi)有效工作區間的(de)判斷标準(在圖中(zhōng)，+5%的💁區間用虛線标(biao)出)，并且在每個圖(tú)标上，用一條豎直(zhi)的虛線，作爲有效(xiao)工作區域的分界(jiè)線。圖3給出了油相(xiang)粘度爲50mPa's時相對誤(wù)差随入🥵口處油相(xiàng)含率變化關系圖(tu)。可以看出，在整個(ge)🧑🏾🤝🧑🏼油相含率的變化(huà)範圍内，誤差🤩可以(yǐ)控制在+5%以内，隻有(yǒu)個别的點超過了(le)5%的範圍，因此可以(yǐ)認爲在油相粘度(du)爲50mPars時，渦輪🙇🏻流量計(jì)在任何油相含率(lü)下均處于🌏有效🚩工(gōng)作區間。對于油相(xiang)粘度爲160mPa's的實驗研(yán)究結果顯示(如圖(tu)4所示),随着油相含(han)率βo的增加，相對誤(wù)差有逐漸增大的(de)趨勢，同時，絕對誤(wù)差值也由βo較小,時(shi)的正值，變爲βo較大(dà)時的負值。但是大(da)部分的入口油相(xiang)含率βo的變化範圍(wei)内🛀，相對誤差在+5%以(yǐ)内，這與黏度爲50mPars時(shí)的情況大體--緻.
當(dāng)油相粘度提高至(zhì)225mPa·s時(圖5所示),觀察到(dào)了與圖4相似的🌍曲(qu)線變化☔趨勢，不同(tóng)的是:當β。的小于70%時(shi)，相對誤差在5%以内(nei)，渦輪流量計♋處于(yú)有效工作區間。然(rán)而，随着β。的增加，誤(wu)差曲線下降的幅(fu)度增大，當βo達到70%時(shí)，整體誤差超過了(le)5%的界線，達到10%以上(shàng)，此時，渦輪流量計(jì)超出了其有效工(gōng)作區間，失效區開(kāi)始出現。
圖6和圖7分(fen)别給出了油相粘(zhān)度爲400mPa·s和700mPa·s時相對誤(wù)差随入口處油相(xiang)含率的變化關系(xi)圖。可以看出，當βo達(dá)到🚶♀️50%~60%時，誤差出現比(bi)🛀🏻較陡峭的下降，其(qi)整體誤差超過5%的(de)界線，渦輪流量計(jì)超出了有效工作(zuo)區，而且，随着βo的增(zēng)加，絕對誤差也由(yóu)正值變成負值。
爲(wei)了進一步研究超(chao)粘油對于渦輪流(liú)量計測量精🌈度的(de)影響⛷️，我們分别測(ce)量了油相粘度爲(wei)1100和1450mPars時渦輪⛹🏻♀️流量計(ji)測量油水兩相流(liú)量時的工作特性(xìng)。圖8和圖9給出了實(shí)驗結果，可以看出(chū)，當βo僅爲30%~40%左右時，誤(wu)差便⛱️開始急劇下(xià)降。因此，對于超粘(zhān)油來說，渦⭐輪流量(liang)計的僅能在低含(han)油率的情況下工(gōng)作，有效工作區的(de)🤞範圍非常狹窄。
從(cóng)上述實驗結果可(ke)以看出，渦輪流量(liàng)計的相對誤🥰差随(sui)着入口處油相含(han)率βo的增加有逐漸(jian)增大的趨勢，并且(qiě)渦輪流量計的有(yǒu)效工作區間也在(zài)逐漸的減少。對⛹🏻♀️于(yu)油相粘度較大時(shí)的油水流動來說(shuō)，測量誤差之所以(yi)随着入口處油相(xiang)☁️含率的增加逐漸(jian)增🏃♀️大的原因是🐇随(suí)着入口處油相含(hán)率的🈲增加，導緻油(you)水兩相流的💚實🚩際(jì)黏度在逐漸🈲的增(zeng)大，進而導緻了渦(wo)輪流量♈計的有效(xiao)工作區逐漸變窄(zhǎi)。同時我們還🔞可以(yǐ)看出，在其有效工(gōng)作區域，在粘度較(jiao)💰低時，其絕對誤差(cha)大都爲正值，即測(cè)量值比真實值要(yào)大🌍,而在黏度較大(dà)時，其絕對誤差大(dà)都爲負值，即測量(liàng)值要比真實值小(xiǎo)。
3.2流型的影響
爲了(le)考察渦輪流量計(ji)計量精度與流型(xíng)之間的關系，繪制(zhi)了粘度爲50mPa·s時的流(liú)型圖，并且與以前(qian)的學者得到的流(liu)型圖⭕進行了比較(jiào)。實驗中流型是觀(guān)察實驗管段🚩得到(dào)的，同時采用Lafin和Oglesby提(ti)出的方🔱法來定義(yì)流型5)。在一定的混(hun)合流速和輸入油(yóu)相含率下，在水平(ping)實驗管段觀察到(dào)了四種流型，即:分(fen)層流(SW),雙連續流(DC),油(you)含水(W/O)以及水含油(you)(O/W)。圖10給出了實驗中(zhong)得到的流型圖，其(qí)中固定線爲Lovick和Angeli在(zài)2001年得到的流型圖(tú).
對于兩個流型轉(zhuan)化邊界可以看出(chu)，本實驗中得到的(de)流型圖和Lovick和Angeli得到(dao)的流型圖具有很(hěn)大的一緻性。同時(shi)，結合粘度爲50mPa·s時絕(jue)對☁️誤差随口處油(yóu)相含率變化關系(xì)圖(如圖3所示),可以(yi)看出，每種流型下(xià)的誤差之間并沒(méi)👅有明顯的區别，因(yin)此可以認爲，渦輪(lun)流量計的工作性(xìng)能對流型并不是(shì)很敏感👈。
4結論
應用(yong)渦輪流量計測量(liang)了不同油相粘度(du)下的油水兩相混(hun)合流量,研究了油(yóu)相粘度和入口相(xiang)含率對其工作性(xìng)能的✊影響，得到了(le)粘度爲50，160，225,400，700，1100和1450mPa·s等七種(zhong)不同粘度下，測量(liàng)誤差随入🏒口處油(you)✂️相含率的變化曲(qǔ)線圖。通過實驗發(fā)現，黏🏃🏻♂️度爲50mPa·s和160mPa·s時，在(zài)0~-100%的入口油相含率(lü)變化範圍内，相對(dui)誤差大都在±5%以内(nèi)，可認爲渦輪流💜量(liang)計工作在有效工(gong)作區。但當粘度大(dà)于225mPa·s,随着油相💯相含(han)率的😄增加，誤差有(yǒu)逐漸增大的☁️趨勢(shì)，渦輪流量計的線(xiàn)性工作區間縮窄(zhai)，并随着油相粘🏃🏻度(du)的進一🔆步增加，達(dá)到1100mPars時，渦輪流量計(ji)在很低的油相含(hán)率下🔴即進入失效(xiao)區，這表明油水的(de)混合粘度是影響(xiǎng)渦✨輪流量計線性(xing)工作區間的主要(yào)因素。
低粘度下不(bú)同流型時渦輪流(liu)量計的工作性能(néng)，通過實驗發現，不(bu)同流型下其誤差(cha)之間并沒有明顯(xian)的變化，因此，可以(yǐ)認爲其工作性能(neng)對流型不敏感。
渦(wō)輪流量計可以在(zai)低混合粘度下用(yòng)于油水兩相流的(de)流速測量,高混合(he)粘度下渦輪流量(liang)計的線性工作區(qu)間縮窄，限制了其(qí)測速範圍，在實際(jì)應用時應加以注(zhu)意。
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