利用渦(wo)輪流量計(ji)
測量了油(you)水兩相流(liu)動時的混(hun)合速度，重(zhong)點研究了(le)油相粘度(du)💋變化和流(liu)量計入口(kou)油水相含(han)宰變化對(dui)📧測量精度(du)的影響。實(shi)驗采⛷️用了(le)七種不同(tong)的油相粘(zhan)🆚度(50,160,225,400，700,1100,1450mPa:s),并在含(han)油率0-100%範圍(wei)内記錄了(le)292組不同油(you)水混合流(liu)量下的測(ce)量值.研究(jiu)結果表明(ming)，當油相粘(zhan)度爲低粘(zhan)📱值50和160mPas時，渦(wo)輪流量計(ji)的測量誤(wu)差較小，且(qie)不受入口(kou)👉油相含率(lü)的💁影響，絕(jue)對誤差均(jun)在+5%以内.當(dang)油相粘度(du)🥰大于225mPars時，随(sui)着入口油(you)相含🌈率的(de)增加，誤差(cha)逐漸增大(da)。當油相粘(zhan)度進一步(bu)提高到1100mPa's以(yi)上時，渦輪(lun)流量計在(zai)👉較低的入(ru)口油相含(han)串下進入(ru)非線性失(shi)效區㊙️.此外(wai)，實驗數據(ju)還顯示，用(yong)渦輪流量(liang)計測t油水(shui)混合流速(su)🔞時，測量結(jie)果對油水(shui)兩相流流(liu)型不敏感(gan)..
1引言
随着(zhe)工業的快(kuai)速發展，能(neng)源的需求(qiu)量日益增(zeng)加,陸上油(you)氣資源❄️日(ri)漸枯竭，促(cu)使各國轉(zhuan)向海洋石(shi)油的🙇🏻開發(fa)。陸上油田(tian)輸油管路(lu)采用的傳(chuan)統的計量(liang)技術并不(bu)完全适合(he)在海洋平(ping)台使用，因(yin)此促使工(gong)業界🎯和學(xue)術界聯合(he)開發新型(xing)的結構緊(jin)湊的多相(xiang)流量計。從(cong)上個世📧紀(ji)80年代以來(lai)，石油工業(ye)界開始關(guan)注油氣水(shui)混合物的(de)計量，并投(tou)入了可觀(guan)的人力和(he)物力☀️來開(kai)發适⭐用于(yu)石✊油工業(ye)的多相流(liu)🐇量計.多相(xiang)計量研究(jiu)的困難來(lai)源于🧑🏾🤝🧑🏼多相(xiang)流動過程(cheng)本身👈的複(fu)雜性，相對(dui)于單相流(liu)可以直接(jie)地計算流(liu)速等參數(shu)，多相🔞流模(mo)型的建立(li)需要考慮(lü)的參數要(yao)複雜得多(duo)。一般來說(shuo)，理想的油(you)氣水三相(xiang)😄流量計應(ying)該具有各(ge)相5%的計量(liang)精度，并要(yao)求非侵入(ru)性，可靠性(xing)，與流型無(wu)關性以及(ji)對于整個(ge)相含率範(fan)圍的适👅用(yong)性。雖然近(jin)年來提出(chu)了非常多(duo)的方案，但(dan)到目前爲(wei)止還沒有(you)一種😍商業(ye)化的流量(liang)計能完全(quan)達到📐這些(xie)标準"。
渦輪(lun)流量計是(shi)被工業界(jie)普遍采用(yong)的用于測(ce)量單相流(liu)動的🤟速度(du)式流量儀(yi)表。它以動(dong)量守恒爲(wei)基礎，流體(ti)沖擊渦輪(lun)葉片🈲，使渦(wo)輪旋轉。渦(wo)輪的旋轉(zhuan)速度随流(liu)量的變化(hua)而變化，最(zui)後從渦輪(lun)的轉速求(qiu)出流量值(zhi)。典型💔的液(ye)體渦輪流(liu)量計的特(te)性曲線(如(ru)圖1所示)可(ke)以分成🐇兩(liang)個主要的(de)區域，即線(xian)性區和非(fei)線性區。渦(wo)輪流量計(ji)的有效工(gong)作區間主(zhu)要包括其(qi)🍓線性工作(zuo)區間以及(ji)部分非線(xian)性區間。由(you)😍于渦輪流(liu)量計在🛀高(gao)溫、高壓等(deng)比較🛀🏻嚴酷(ku)的環境下(xia)，仍然🚶具有(you)較高🔞精度(du)以及穩定(ding)性，同時，相(xiang)對于🍉其他(ta)流量計來(lai)說，渦輪流(liu)量計有着(zhe)較大的量(liang)程範圍，并(bing)具有對流(liu)動瞬态變(bian)化後的快(kuai)速反應的(de)特點2,因此(ci)，一些研究(jiu)者嘗試應(ying)用渦輪流(liu)量計來進(jin)行兩相流(liu)量的測量(liang)研究🏒。由于(yu)測量主要(yao)針對低黏(nian)度的油♉水(shui)兩相流，并(bing)且油相含(han)率限定在(zai)🌈一個非常(chang)有限的範(fan)圍内，因此(ci)，對于全油(you)相含率範(fan)圍内的變(bian)化及高粘(zhan)油相對于(yu)渦輪流量(liang)計測量造(zao)成的影響(xiang)等，還有待(dai)進一步的(de)研究。
油水兩(liang)相流的流(liu)量計，設想(xiang)采用Gammar射線(xian)獲得相含(han)率🐕，用渦輪(lun)流量計來(lai)獲得混合(he)流速，結合(he)二者結果(guo)得💯到各相(xiang)流🙇🏻量.由于(yu)原油粘度(du)分布變化(hua)很大,爲了(le)達到這個(ge)目的，就要(yao)獲知油相(xiang)粘度變化(hua)對于渦輪(lun)流🐆量計測(ce)量精度的(de)影響，從而(er)确定渦輪(lun)流量計的(de)工作條件(jian)和工作範(fan)圍。同時，本(ben)實驗還在(zai)低粘度條(tiao)件下流型(xing)對于渦輪(lun)流量計的(de)工作性能(neng)的影響。
2實(shi)驗系統
2.1實(shi)驗裝置
本(ben)實驗是在(zai)中國科學(xue)院力學研(yan)究所的多(duo)相流實驗(yan)平台上‼️完(wan)成的。圖2爲(wei)實驗裝置(zhi)示意圖。油(you)水分别由(you)油箱和水(shui)箱供應，經(jing)過各自的(de)流量計後(hou)，進入實驗(yan)管線，混合(he)液流經實(shi)驗段後被(bei)分離再循(xun)環使用。實(shi)驗管線采(cai)用内徑50mm的(de)透明有機(ji)玻璃管，易(yi)于觀察🌈油(you)水兩相的(de)流動狀态(tai)，管線從入(ru)口到分離(li)器總長🔞約(yue)35m。
實驗管線(xian)入口流量(liang)計量，水相(xiang)采用電磁(ci)流量計，油(you)💃相采用腰(yao)輪流量計(ji)，油相和水(shui)相經過試(shi)驗管線後(hou)🤟，用LWGY型渦輪(lun)流量💛計對(dui)其進行混(hun)合流速的(de)測量。LWGY型渦(wo)輪流量計(ji)公稱通徑(jing)爲✏️50mm,其測量(liang)流量範圍(wei)在4m'/h~40m'/h,在測量(liang)🐅單相流體(ti)時，其精度(du)可達0.25%。流型(xing)識别采用(yong)攝像機記(ji)錄每次實(shi)驗條件下(xia)的流💰動狀(zhuang)态，慢鏡頭(tou)回放觀察(cha)🌈流型。爲保(bao)證🌐實驗數(shu)據的可靠(kao)性，對每個(ge)測量點都(dou)在流量調(diao)整後的5min~8min分(fen)鍾流🔆動相(xiang)對穩定後(hou)再采集數(shu)據🏃♂️和觀測(ce)流型。
2.2實驗(yan)工質及實(shi)驗過程
實(shi)驗水相爲(wei)普通自來(lai)水，20℃時的粘(zhan)度爲1.005mPas,油相(xiang)采用無色(se)、透🌈明的礦(kuang)物油，俗稱(cheng)白油，在常(chang)溫常壓(20C,0.101mPa)下(xia)，我們分🙇🏻别(bie)選用其粘(zhan)度💃爲50、160、225、400、700、1100和1450mPars,共(gong)七種樣品(pin)。同時，爲便(bian)于實驗時(shi)的流型觀(guan)察，在水中(zhong)⭐加入了高(gao)錳酸🌈鉀(顔(ya)色劑)以便(bian)于識别。實(shi)驗工質溫(wen)度控制😘在(zai)19℃~21℃,在特定的(de)粘度下，給(gei)定油相流(liu)量後,調整(zheng)水相流量(liang)，觀察實驗(yan)段的油水(shui)兩相流型(xing)，記錄入口(kou)處不同流(liu)型的油相(xiang)和🐆水相表(biao)觀流速☁️和(he)實驗段的(de)混㊙️合流速(su)。表✂️1給出了(le)不同粘度(du)下的實驗(yan)數組。
3結果(guo)與讨論
3.1油(you)相粘度和(he)入口含率(lü)的影響
首(shou)先固定油(you)相粘度，用(yong)電磁流量(liang)計測量入(ru)口處水♈相(xiang)流量Qw，用腰(yao)輪流量計(ji)測量入口(kou)處油相流(liu)量QO，分别得(de)到入口處(chu)油相、水🔞相(xiang)的體積相(xiang)含率βo和βw.即(ji):
式中QM1爲管(guan)道入口處(chu)的混合流(liu)量。
同時，在(zai)實驗管段(duan)用渦輪流(liu)量計測量(liang)兩相混合(he)流㊙️量(如圖(tu)2所示),Qm2，對比(bi)Qm1和Qm2,可以得(de)到渦輪流(liu)量計的測(ce)量誤差(相(xiang)對🚶♀️誤差):
圖(tu)3至圖9給出(chu)了在七種(zhong)不同粘度(du)下，渦輪流(liu)量計的測(ce)量誤差随(sui)💋入口處油(you)相含率的(de)變化關系(xi)圖。以實際(ji)應用中💋可(ke)以⭕接受的(de)誤差+5%作爲(wei)其有效工(gong)作區間🤞的(de)判斷标準(zhun)(在圖中，+5%的(de)區間用虛(xu)線标出)，并(bing)且在每個(ge)圖标上，用(yong)一條豎直(zhi)的虛線，作(zuo)爲有效工(gong)作區域的(de)分界線。圖(tu)3給出了油(you)相粘度爲(wei)50mPa's時相🏃對誤(wu)差随入♈口(kou)處油相含(han)📞率變化關(guan)系圖。可以(yi)看出，在整(zheng)個油相含(han)率的變👨❤️👨化(hua)範圍🔴内，誤(wu)差可以控(kong)制🍉在+5%以内(nei)，隻有個别(bie)的點超過(guo)了5%的範圍(wei)，因此可以(yi)認爲在油(you)相粘度🈲爲(wei)50mPars時，渦輪流(liu)量計在任(ren)何油相含(han)率下均處(chu)于有效💁工(gong)作區間。對(dui)于油相粘(zhan)度爲160mPa's的實(shi)驗研究結(jie)果顯示(如(ru)圖4所示),随(sui)着油相含(han)率βo的🐉增加(jia)，相對誤差(cha)有逐漸增(zeng)大的趨勢(shi)，同時，絕對(dui)誤差值也(ye)🔴由βo較小,時(shi)的正值，變(bian)爲βo較大時(shi)的負值。但(dan)是大部分(fen)的入口油(you)相含率βo的(de)變化範圍(wei)内，相對誤(wu)差在+5%以内(nei)，這與黏度(du)爲50mPars時的🈲情(qing)況大體--緻(zhi).
當油相粘(zhan)度提高至(zhi)225mPa·s時(圖5所示(shi)),觀察到了(le)與圖4相似(si)的曲線變(bian)㊙️化趨勢，不(bu)同的是:當(dang)β。的小于70%時(shi)，相對誤差(cha)在5%以💰内，渦(wo)🐇輪流量計(ji)處于有效(xiao)工作區間(jian)。然而，随着(zhe)β。的增加，誤(wu)差曲線下(xia)降的幅度(du)增大，當βo達(da)到70%時，整體(ti)誤差超過(guo)了5%的界線(xian)，達到10%以上(shang)❤️，此時，渦輪(lun)流量計超(chao)出了其有(you)效⭐工作區(qu)間，失效區(qu)開始出現(xian)。
圖6和圖7分(fen)别給出了(le)油相粘度(du)爲400mPa·s和700mPa·s時相(xiang)對誤差随(sui)入口處⛱️油(you)相含率的(de)變化關系(xi)圖。可以看(kan)出，當βo達到(dao)50%~60%時，誤差出(chu)⚽現比較陡(dou)峭的下降(jiang)，其整體誤(wu)差超過5%的(de)界線，渦輪(lun)流量💘計超(chao)出了有效(xiao)❌工作區，而(er)且，随着βo的(de)增加，絕對(dui)誤差也由(you)正值變成(cheng)負值。
爲了(le)進一步研(yan)究超粘油(you)對于渦輪(lun)流量計測(ce)量精度的(de)🚩影響，我們(men)分别測量(liang)了油相粘(zhan)度爲1100和1450mPars時(shi)渦輪流量(liang)計測量油(you)🌈水兩相流(liu)量時的工(gong)作特性。圖(tu)8和圖9給出(chu)了😄實驗結(jie)果，可以看(kan)出，當βo僅爲(wei)30%~40%左右時，誤(wu)差便開始(shi)急劇下降(jiang)。因此🌂，對于(yu)超粘油來(lai)說，渦輪流(liu)量計的僅(jin)能在低含(han)油率的情(qing)況下工作(zuo)，有效工作(zuo)區的🔅範圍(wei)非常狹窄(zhai)。
從上述實(shi)驗結果可(ke)以看出，渦(wo)輪流量計(ji)的相對誤(wu)👉差随着入(ru)口處油相(xiang)含率βo的增(zeng)加有逐漸(jian)增大的趨(qu)勢，并且渦(wo)輪流💛量計(ji)的有效工(gong)作區間也(ye)在逐漸的(de)💞減少。對🈚于(yu)油相粘度(du)較大時的(de)油水流動(dong)來說，測量(liang)誤差之所(suo)以随着入(ru)口處油相(xiang)含率的增(zeng)加逐漸增(zeng)💃🏻大的原因(yin)是🌐随着入(ru)口處☀️油相(xiang)含率的增(zeng)加，導緻油(you)水兩相流(liu)的實際黏(nian)度在逐漸(jian)的增大，進(jin)而導緻了(le)渦輪流量(liang)⭐計的有效(xiao)工作區逐(zhu)漸變窄。同(tong)時我們還(hai)㊙️可以看出(chu)，在其有效(xiao)工作區域(yu)，在粘度較(jiao)🈲低時，其絕(jue)對誤差大(da)⭕都爲正值(zhi)，即🌐測量值(zhi)❤️比真實值(zhi)要大,而在(zai)黏度較大(da)時，其絕對(dui)誤差大都(dou)爲負值，即(ji)👉測量值要(yao)⛹🏻♀️比真實值(zhi)小🧑🏾🤝🧑🏼。
3.2流型的(de)影響
爲了(le)考察渦輪(lun)流量計計(ji)量精度與(yu)流型之間(jian)的關系，繪(hui)制了粘度(du)爲50mPa·s時的流(liu)型圖，并且(qie)與以前的(de)學者得到(dao)的流型圖(tu)🛀進行😄了比(bi)較。實驗中(zhong)流型是觀(guan)察實🔆驗管(guan)段得到的(de)，同時采用(yong)Lafin和Oglesby提出的(de)方法來定(ding)義流型5)。在(zai)一定的混(hun)合流速和(he)輸入👨❤️👨油相(xiang)含率下，在(zai)水平實驗(yan)管段觀察(cha)到了四種(zhong)流型，即:分(fen)層流(SW),雙連(lian)續流(DC),油含(han)水(W/O)以及水(shui)💔含油(O/W)。圖10給(gei)出了實驗(yan)中得到的(de)流型☁️圖，其(qi)中固定線(xian)爲Lovick和Angeli在2001年(nian)得到的流(liu)型圖.
對于(yu)兩個流型(xing)轉化邊界(jie)可以看出(chu)，本實驗中(zhong)得到的流(liu)♍型圖和Lovick和(he)Angeli得到的流(liu)型圖具有(you)很大的一(yi)緻性。同時(shi)，結合💛粘度(du)爲50mPa·s時絕對(dui)誤差随口(kou)處油相含(han)率變化關(guan)系🐆圖(如圖(tu)3所示),可以(yi)看出，每種(zhong)流型下的(de)誤差⭐之間(jian)并沒有明(ming)顯的區别(bie)，因此💰可以(yi)認爲，渦輪(lun)流量計的(de)工作性能(neng)對流型并(bing)不是很敏(min)感。
4結論
應(ying)用渦輪流(liu)量計測量(liang)了不同油(you)相粘度下(xia)的油水兩(liang)相混合流(liu)量,研究了(le)油相粘度(du)和入口相(xiang)含率對其(qi)工作性✉️能(neng)的影響🔆，得(de)到⁉️了粘度(du)爲50，160，225,400，700，1100和1450mPa·s等七(qi)種不同🥵粘(zhan)度下🔅，測量(liang)誤差随入(ru)口處油相(xiang)含率的變(bian)化曲線圖(tu)。通過實驗(yan)發現，黏度(du)爲50mPa·s和160mPa·s時，在(zai)0~-100%的入口油(you)相含率變(bian)化範圍内(nei)⭕，相對誤差(cha)大都在±5%以(yi)内，可認爲(wei)渦輪流量(liang)計工作在(zai)有效工作(zuo)區。但當粘(zhan)度大于225mPa·s,随(sui)着油相相(xiang)含率的增(zeng)加，誤差有(you)逐漸增大(da)的趨勢，渦(wo)輪流量計(ji)🛀的線性工(gong)作區間縮(suo)窄，并随着(zhe)油相粘度(du)的進一步(bu)增加，達到(dao)1100mPars時，渦輪流(liu)量計在很(hen)低的油相(xiang)含率下即(ji)進入失效(xiao)區，這表明(ming)油水的混(hun)合粘度是(shi)影響渦輪(lun)流量計線(xian)性工作區(qu)間的主要(yao)因素。
低粘(zhan)度下不同(tong)流型時渦(wo)輪流量計(ji)的工作性(xing)能，通過實(shi)⭐驗發🏃🏻現🏃♂️，不(bu)同流型下(xia)其誤差之(zhi)間并沒有(you)明顯的變(bian)化，因🐇此，可(ke)🚶以認爲其(qi)工作性能(neng)對流型不(bu)敏感。
渦輪(lun)流量計可(ke)以在低混(hun)合粘度下(xia)用于油水(shui)兩相流的(de)流速測量(liang),高混合粘(zhan)度下渦輪(lun)流量計的(de)線性工作(zuo)區間縮窄(zhai)㊙️，限制🙇🏻了其(qi)測速範圍(wei)，在實際應(ying)用時應加(jia)以注意。
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