利(li)用渦輪流量(liàng)計 測量了油(you)水兩相流動(dòng)時的混合速(sù)度，重點研究(jiu)了油相❄️粘🛀度(du)變化和流量(liang)計入口油水(shuǐ)相含宰變化(huà)對測量精度(dù)的影🌈響。實驗(yàn)采用了七種(zhǒng)不同的油相(xiàng)粘度(50,160,225,400，700,1100,1450mPa:s),并在含(hán)油率🌈0-100%範圍内(nèi)記錄了292組不(bú)同油水混合(he)流量下的測(ce)量值.研究結(jie)果表明，當油(you)相粘度爲低(dī)粘值50和160mPas時，渦(wo)輪流量計的(de)測量誤差較(jiao)小，且不受入(ru)口🔴油相含率(lü)的影響，絕對(duì)誤差均在+5%以(yǐ)内.當油相粘(zhān)度🐇大于225mPars時，随(sui)着入口油相(xiang)含率的增加(jia)❓，誤差逐漸增(zēng)大。當油相粘(zhān)度進一步提(ti)高到1100mPa's以上時(shí)，渦輪流量計(ji)在🌈較低的入(ru)口油相含串(chuan)💜下進入非線(xian)性失效區.此(ci)外，實驗數據(ju)還顯示，用渦(wo)輪流量計測(cè)t油水混合流(liu)速時，測量結(jie)果💯對油水兩(liang)相流流型不(bu)敏感..
1引言
　　随(sui)着工業的快(kuài)速發展，能源(yuán)的需求量日(ri)益增加,陸上(shàng)油氣資源日(rì)漸枯竭，促使(shǐ)各國轉向海(hai)洋石油的開(kai)發。陸上油田(tian)輸油管路采(cǎi)用的傳統的(de)計量技術并(bìng)不完全适合(he)在海洋平台(tái)使用，因此促(cù)使工業界和(hé)學術界聯合(he)開發⭐新型的(de)結構緊湊的(de)多相流量計(ji)。從上個世紀(jì)80年代以來，石(shi)油工業界開(kāi)始關注油氣(qi)水混合物的(de)計量，并投入(ru)了可觀的人(rén)力和物力來(lái)開發适用于(yu)石油工業的(de)多相流💋量計(ji).多相計量研(yan)究的困難來(lai)源于🈲多相流(liu)動過程本身(shen)🤞的複雜性，相(xiang)對于單相流(liú)可以直接地(dì)計算流速等(děng)參數，多相流(liu)模型的建立(lì)需要考慮的(de)參數要複雜(za)得多。一般來(lái)說，理想的油(you)氣水三相流(liu)量計應該具(ju)有各相5%的♋計(jì)量精度，并要(yao)求非侵入性(xing)，可🏃‍♂️靠性，與流(liu)型無關性以(yi)及對于💜整個(gè)相含率範圍(wéi)的适用性。雖(sui)🍓然近年來提(tí)出了非常多(duo)👅的方🧡案，但到(dào)目前爲止還(hai)沒有一種🌍商(shang)業化的流量(liang)計能完全達(da)到這些标準(zhun)"。
　　渦輪流量計(ji)是被工業界(jiè)普遍采用的(de)用于測量單(dān)⛱️相流動的速(su)度式流量儀(yi)表。它以動量(liàng)守恒爲基礎(chǔ)☀️，流體沖擊渦(wō)輪葉片，使渦(wō)輪旋轉。渦輪(lún)的旋轉速度(dù)随流量🔞的變(bian)化而變化🌈，最(zuì)後從渦輪的(de)轉速求出流(liu)量值。典型的(de)液體渦㊙️輪流(liu)量計🔱的特性(xìng)曲線(如圖1所(suo)🎯示)可以分成(cheng)兩個主要的(de)區域，即線性(xìng)區和非線性(xìng)區。渦輪流量(liang)👄計💛的有效工(gong)作區間主要(yào)包括其🐅線性(xing)工作區間🧡以(yi)及部分非線(xiàn)㊙️性區間。由于(yu)渦輪流量計(ji)🚶在高溫、高壓(ya)等比較🤩嚴酷(ku)的環境下，仍(réng)💘然具有較高(gāo)精度以及穩(wen)定性，同時，相(xiang)對于其他流(liu)量計來說，渦(wō)🌍輪流量計有(yǒu)着較大的量(liàng)☔程範圍，并具(ju)有對流動瞬(shùn)态變化後的(de)‼️快速反應的(de)特點2,因此，一(yi)些研究者嘗(chang)試應📞用渦輪(lún)流量計來進(jin)行兩相流量(liàng)的測量研究(jiū)。由于測量🛀主(zhǔ)要針對低黏(nian)度的油水兩(liang)相流，并且油(yóu)相含率限定(ding)在㊙️一個非常(chang)有限的範圍(wéi)内，因此，對👣于(yú)全油相含率(lǜ)範圍内的變(biàn)化及高粘油(you)相對于渦輪(lun)🏃‍♀️流量👄計測量(liang)造成的影響(xiang)💋等，還有待進(jin)一⚽步的研究(jiu)。
 
　　油水兩相(xiang)流的流量計(jì)，設想采用Gammar射(she)線獲得相含(han)率，用渦輪流(liú)量計來獲得(de)混合流速，結(jie)合二者結果(guo)得到各相流(liu)量.由于原油(yóu)粘度分布變(biàn)化很大,爲了(le)達到這個💰目(mù)的，就要獲知(zhi)㊙️油相粘度變(biàn)化對于渦輪(lun)流✔️量計測量(liàng)🍉精度的影響(xiǎng)，從而确定渦(wō)輪流量計的(de)工作條件和(hé)工作範圍。同(tóng)時，本實驗還(hái)在🔱低粘度條(tiáo)件下流型對(duì)于渦輪流量(liàng)計的工😍作性(xìng)能的影響📐。
2實(shi)驗系統
2.1實驗(yàn)裝置
　　本實驗(yàn)是在中國科(kē)學院力學研(yán)究所的多相(xiang)流實驗平台(tái)上完成的。圖(tú)2爲實驗裝置(zhi)示意圖。油水(shuǐ)分别由油箱(xiang)和水箱供應(ying)🙇‍♀️，經過各自的(de)流量計後，進(jin)入實🆚驗管線(xiàn)，混合液🎯流經(jīng)實驗段後㊙️被(bèi)分離再循環(huán)使用。實驗管(guǎn)線采用内徑(jing)50mm的透明有機(ji)玻璃管，易于(yú)觀察⚽油水兩(liǎng)相的🤩流動狀(zhuang)态，管線從入(rù)口到分離器(qi)總長約35m。
　　實驗(yan)管線入口流(liú)量計量，水相(xiàng)采用電磁流(liú)量計，油相采(cǎi)用腰輪流量(liàng)計，油相和水(shuǐ)相經過試驗(yan)管線後，用LWGY型(xing)🈚渦輪流量🤩計(jì)對其進🧑🏽‍🤝‍🧑🏻行混(hun)合流速的測(cè)量。LWGY型渦輪流(liu)量計公稱通(tong)徑爲✊50mm,其測量(liàng)流量範🈲圍在(zai)4m'/h~40m'/h,在測量單相(xiang)流體時，其精(jīng)度🔴可達0.25%。流型(xing)識别采用攝(she)像機記錄每(mei)次實驗條件(jian)下的流動狀(zhuàng)态，慢鏡🐆頭回(hui)放觀察流型(xíng)。爲保證實🎯驗(yan)數據的可靠(kao)性，對每個測(ce)量點都在流(liu)量調整後的(de)5min~8min分鍾流動相(xiang)對穩定後再(zài)采集數據🈲和(he)觀測流型。
 
2.2實(shí)驗工質及實(shi)驗過程
　　實驗(yan)水相爲普通(tōng)自來水，20℃時的(de)粘度爲1.005mPas,油相(xiàng)采用無色、透(tòu)明的🔱礦物油(you)，俗稱白油，在(zai)常溫常壓(20C,0.101mPa)下(xia)，我們分别選(xuǎn)用其粘度爲(wèi)50、160、225、400、700、1100和🔞1450mPars,共七種樣(yang)品。同時，爲便(bian)于實驗👣時的(de)流⭕型觀察，在(zài)水中加入了(le)✊高錳酸鉀(顔(yá)色劑)以便于(yú)識别。實驗工(gong)質溫度控制(zhi)在19℃~21℃,在特定的(de)粘度下，給定(ding)油相流量後(hou),調整水相流(liú)量，觀察實驗(yan)段的油💜水兩(liang)相流型，記錄(lù)入口處不同(tóng)流型的油相(xiang)和水相表觀(guan)流速和實驗(yan)🈲段的混🔞合流(liu)速。表1給出了(le)不同粘度下(xia)的實驗數組(zu)。
 
3結果與讨論(lun)
3.1油相粘度和(he)入口含率的(de)影響
　　首先固(gu)定油相粘度(dù)，用電磁流量(liàng)計測量入口(kou)處水相流量(liàng)Qw，用腰🈲輪流量(liang)計測量入口(kǒu)處油相流量(liang)QO，分别得到入(rù)口🐅處油相、水(shui)相的體積相(xiàng)含率βo和βw.即:
 
式(shì)中QM1爲管道入(ru)口處的混合(hé)流量。
　　同時，在(zài)實驗管段用(yong)渦輪流量計(ji)測量兩相混(hun)合流量(如圖(tu)2所示),Qm2，對比Qm1和(he)Qm2,可以得到渦(wo)輪流量計的(de)測量誤差(相(xiàng)對🏃🏻誤差):
 
　　圖3至(zhì)圖9給出了在(zài)七種不同粘(zhān)度下，渦輪流(liú)量計的測量(liang)誤差随入口(kou)處油相含率(lü)的變化關系(xì)圖。以實💋際應(ying)用中可以接(jiē)受的誤差+5%作(zuò)爲其有效工(gong)作區間‼️的判(pan)斷标準(在圖(tú)中，+5%的區間用(yong)🆚虛線标出)，并(bing)且在每個圖(tú)标上，用一條(tiáo)豎直的虛線(xian)，作爲有效🤟工(gōng)作區域🌂的分(fen)界線。圖3給出(chū)了油相粘度(du)爲50mPa's時相對誤(wu)差随入口處(chu)油相含率變(biàn)化關系圖。可(kě)以看出，在整(zheng)個油相含率(lü)的變化範圍(wéi)🙇‍♀️内，誤差可以(yi)控制在+5%以内(nèi)，隻有個别的(de)點超過了5%的(de)範圍，因此可(ke)以認爲🤟在油(you)相粘度爲50mPars時(shí)，渦輪流量計(jì)在任何油相(xiàng)含率下均處(chu)于有效🤟工作(zuo)區間。對于油(yóu)相粘度爲160mPa's的(de)實驗研究結(jié)果顯示(如圖(tú)4所示),随着油(you)相含率βo的增(zeng)加，相對誤差(cha)有逐漸👄增大(dà)的趨勢，同時(shi)，絕對誤差值(zhí)也由βo較小,時(shi)的正值，變爲(wei)βo較大時的負(fu)值。但是大部(bu)分的入💜口油(yóu)相含率✔️βo的變(biàn)化範圍内，相(xiàng)對誤差在+5%以(yi)内，這與黏度(du)爲50mPars時的情況(kuang)大體--緻.
 
　　當油(yóu)相粘度提高(gāo)至225mPa·s時(圖5所示(shì)),觀察到了與(yu)圖4相似的♋曲(qu)線變化趨勢(shi)，不同的是:當(dāng)β。的小于70%時，相(xiàng)對誤差在5%以(yǐ)内，渦輪流量(liang)計處于有效(xiao)工作區間。然(rán)而，随着β。的增(zeng)加，誤差曲線(xiàn)下降💯的幅度(du)增大，當βo達到(dao)70%時，整體誤差(cha)超過了5%的界(jie)線，達到10%以上(shàng)，此時，渦輪流(liu)量計超🈲出了(le)其有效工作(zuò)區間，失效區(qū)開始出現。
 
　　圖(tu)6和圖7分别給(gei)出了油相粘(zhan)度爲400mPa·s和700mPa·s時相(xiàng)對誤差随入(ru)口處🤩油相含(hán)率的變化關(guan)系圖。可以看(kàn)出，當βo達到🏃‍♂️50%~60%時(shi)，誤差出現比(bǐ)較陡峭的⭕下(xià)降，其整體誤(wù)差超過5%的界(jiè)線，渦⭐輪流量(liàng)計超出了有(you)效工作區💋，而(ér)且，随着βo的增(zēng)加，絕對誤差(chà)也由正值變(biàn)成負值。
 
　　爲了(le)進一步研究(jiū)超粘油對于(yú)渦輪流量計(ji)測量精🌈度😘的(de)影響，我📱們分(fèn)别測量了油(you)相粘度爲1100和(he)1450mPars時渦輪🈚流量(liang)計測量油水(shuǐ)兩相流量時(shi)的工作特性(xìng)。圖8和圖9給出(chū)了🐪實驗結🔞果(guǒ)，可以看出，當(dang)🌐βo僅爲30%~40%左右時(shí)，誤差便開始(shǐ)急劇⛷️下降。因(yin)此🚩，對于超粘(zhān)油來說，渦輪(lun)流量計的僅(jin)能在低含油(you)率的情🔞況下(xià)工作，有效工(gong)作區的範圍(wéi)非常狹窄。
 
　　從(cong)上述實驗結(jie)果可以看出(chū)，渦輪流量計(ji)的相對誤差(chà)✉️随♍着入⭐口處(chu)油相含率βo的(de)增加有逐漸(jiàn)增大的趨勢(shì)，并且渦輪流(liú)量計📱的有效(xiao)工作區間也(yě)在逐漸的減(jian)少。對于油相(xiang)粘度較大時(shi)的🔱油水流動(dòng)來說，測量誤(wu)差之所以随(sui)着入口處油(you)相含率的增(zēng)加逐漸增🤟大(da)的原因是🔴随(sui)着入口處油(you)相含率的增(zeng)加，導緻油水(shui)兩相流的實(shí)際黏度在逐(zhú)漸的增大，進(jìn)而導緻了渦(wō)輪流量計的(de)有效工作區(qū)逐漸變💔窄。同(tong)時我們還可(ke)🥰以看出，在其(qí)有效🈲工作區(qū)域，在粘度較(jiào)🛀低時，其絕對(duì)誤差大都爲(wei)正值，即♍測量(liàng)值比真實值(zhi)要大💔,而在黏(nián)度較大時，其(qi)絕對誤差大(dà)都爲負值，即(ji)測量值要比(bi)真實值小。
3.2流(liú)型的影響
　　爲(wèi)了考察渦輪(lun)流量計計量(liàng)精度與流型(xing)之間的關⛷️系(xì)，繪制了粘度(du)爲50mPa·s時的流型(xing)圖，并且與以(yǐ)前的學者得(dé)到❌的流型圖(tú)進行了比較(jiào)。實驗中流型(xíng)是觀察實驗(yàn)管段得到的(de)，同時采用Lafin和(hé)Oglesby提出的方法(fǎ)來定義流型(xing)5)。在一定的混(hùn)合流速和輸(shu)入油相含率(lǜ)下，在水平💔實(shí)驗管段觀察(cha)到了四種🈲流(liú)型，即:分層☔流(liú)(SW),雙連續流(DC),油(you)含水(W/O)以及🏒水(shui)含油(O/W)。圖10給出(chu)了實驗中得(dé)到的流型圖(tu)，其中固🧡定線(xiàn)爲Lovick和Angeli在2001年😍得(de)到的流😄型圖(tu).
　　對于兩個流(liú)型轉化邊界(jiè)可以看出，本(ben)實驗中得到(dao)🔞的🏃‍♀️流型圖✂️和(he)Lovick和Angeli得到的流(liu)型圖具有很(hěn)大的一緻性(xìng)🈲。同時🌏，結合粘(zhān)度爲50mPa·s時絕對(dui)😍誤差随口處(chu)油相含率變(bian)化關系圖(如(ru)圖😄3所示),可💘以(yǐ)看出，每種流(liu)型下的誤差(cha)之間并沒有(yǒu)明顯的區别(bié)，因此可以認(rèn)爲✨，渦輪流量(liang)🤟計的工作性(xing)能對流型并(bing)不是很敏感(gǎn)。
 
4結論
　　應用渦(wō)輪流量計測(ce)量了不同油(you)相粘度下的(de)油水兩相混(hùn)合流量,研究(jiu)了油相粘度(du)和入口相含(hán)率對💯其工作(zuo)性能的影響(xiǎng)，得到了粘度(dù)爲50，160，225,400，700，1100和1450mPa·s等七種(zhong)不同粘度下(xia)，測量誤差随(sui)入口處油相(xiàng)含率的變化(huà)曲線圖。通過(guo)實驗發現，黏(nian)度爲50mPa·s和160mPa·s時，在(zai)0~-100%的入口油相(xiàng)含率🌏變化範(fàn)圍内，相對誤(wu)差大都在±5%以(yi)内，可認爲渦(wo)輪流量計工(gong)作在有效工(gōng)作區。但當粘(zhān)度大于225mPa·s,随着(zhe)油相🔴相含率(lü)的增加，誤差(chà)有逐漸增大(dà)的趨勢，渦輪(lun)流量計的線(xian)性工作區間(jiān)❤️縮窄，并随着(zhe)油相♻️粘度的(de)進一✍️步增加(jiā)，達到1100mPars時，渦輪(lun)流🧑🏾‍🤝‍🧑🏼量計在很(hen)低的油相含(hán)率下💋即進入(ru)失效區，這表(biao)明油水的混(hùn)合粘度🈲是影(yǐng)響渦輪流量(liàng)計線性工作(zuò)區間的主要(yào)因素。
　　低粘度(du)下不同流型(xíng)時渦輪流量(liàng)計的工作性(xing)能，通過實⛷️驗(yàn)發現，不同流(liú)型下其誤差(cha)之間并沒有(yǒu)明顯的變化(huà)，因此，可以認(rèn)爲其工作性(xìng)能對流型不(bu)敏感🌈。
　　渦輪流(liú)量計可以在(zai)低混合粘度(dù)下用于油水(shuǐ)兩相流的流(liú)速測量,高混(hùn)合粘度下渦(wo)輪流量計的(de)線性工作⛹🏻‍♀️區(qu)間縮窄，限制(zhi)了其測速範(fàn)圍，在實際應(ying)用時應加以(yǐ)注意。

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