摘要:本文(wén)闡(chǎn)述了井(jǐng)下(xià)渦輪(lún)流量計(jì)
的工作特(tè)性、理(lǐ)論模型,分(fèn)析了(le)影響渦(wō)輪(lún)流量(liàng)計起動排量的(de)各種因素并且(qiě)總結(jié)了流體的溫度及密(mì)度對(duì)渦輪(lún)流量計測(cè)量精度的(de)影響(xiǎng),對渦輪流量計(jì)的改善提高有一定的指(zhǐ)導作(zuò)用。
在(zài)油田監測中，
渦(wō)輪流(liú)量計(jì)
因其體積小、結構簡單(dān)、價格便宜被廣(guǎng)泛的應(yīng)用。但由(yóu)于受起(qǐ)動排量、流體的(de)溫度、粘度等各(gè)種因素(sù)的(de)影響,使得渦流(liú)量計(jì)在實際應用過(guò)程中有(yǒu)偏差,給(gěi)現場(chǎng)生産帶來(lái)了很大的(de)困難(nán),因此有必(bì)要對影響渦(wō)輪流量(liàng)計測(cè)量精度的(de)各(gè)種(zhǒng)因素進行(háng)分析(xī)、總結,使之(zhī)能更好的爲油(yóu)田生産服務。
1工(gōng)作原(yuán)理
渦輪流(liú)量(liàng)計是速度式(shì)流量(liàng)測(cè)量儀表(biǎo),它是(shì)以(yǐ)動(dòng)量矩(jǔ)守恒原理爲基(jī)礎,通過測(cè)量置于被測流體内(nèi)的渦輪的旋轉(zhuǎn)速度n來(lái)測量流(liú)量q的大小(xiǎo)。渦輪流量計(jì)的特性(xìng)方程式(shì)爲:
式中(zhōng):c爲渦輪流量計(jì)流量與(yǔ)轉速之(zhī)間的(de)轉換系數(shù);a爲與流(liú)量計結(jié)構(gòu)參(cān)數、流(liú)體性(xìng)質以及流動狀(zhuàng)态有(yǒu)關的(de)系數(shù)。
2影響因素(sù)分析
2.1起動(dòng)排量(liàng)影響(xiǎng)因素分(fèn)析
如圖(tú)1所示:流量(liàng)計的工作區(qū)間(jiān)爲qa-qb段(duàn),即特性方程線(xiàn)性工(gōng)作區。而在(zài)流量qa以下時，流(liú)量與(yǔ)轉速不成線性關系(xì)，在一定小的(de)流量下(xià)，無信(xìn)号輸出。因(yīn)此,在測量過程(chéng)中,如何降低始(shǐ)動流量,提高靈.敏度,減小死區(qū),展寬(kuān)線(xiàn)性工作區,成爲解(jiě)決小(xiǎo)流量測量的關(guān)鍵問題。
對(duì)渦(wō)輪流量計的理(lǐ)論(lùn)模型(xíng)作如(rú)下分析。葉(yè)片的旋轉(zhuǎn)如圖(tú)2所示。
設渦輪流(liú)量計内流(liú)體流向(xiàng)與渦(wō)輪(lún)葉片(piàn)成θ傾斜.角(jiǎo),若密(mì)度ρ爲的(de)流(liú)體以(yǐ)速度v沖(chòng)擊葉片(piàn)時,将朝上産生(shēng)與ρvtanθ成正比(bǐ)的力(lì),此外(wài),由于渦輪(lún)以角速度(dù)旋轉(zhuǎn),故圖(tú)中(zhōng)實際的(de)渦輪驅動(dòng)力爲:
式中:r爲(wèi)渦輪平(píng)均旋轉半徑
因爲,渦輪驅動力(lì)矩tr與f:成正比,v與(yǔ)q/s(s爲流(liú)路面積)成(chéng)正比,故(gù)将(jiāng)這些(xiē)關系(xì)代入式(2)得(dé):
渦輪在(zài)正(zhèng)常狀态下旋轉時,渦輪驅(qū)動(dòng)力矩tr等(děng)于軸(zhóu)承摩擦等(děng)産生的機(jī)械反(fǎn)抗力矩tm和(hé)由流(liú)動阻力産生的(de)反抗(kàng)力矩trf之和(hé),即
從(cóng)理論(lùn)可以(yǐ)知道,決(jué)定渦輪(lún)始動(dòng)流量(即渦(wō)輪流量(liàng)計的最小靈(líng)敏(mǐn)度(dù)qmin)的主(zhǔ)要因素(sù),渦(wō)輪起(qǐ)動時,角速度小,故可(kě)以忽略阻(zǔ)力産生的(de)反抗(kàng)力矩(jǔ)trf因而式(5)可(kě)寫(xiě)爲:
其(qí)最小靈(líng)敏度(dù)qmin是式(6)右(yòu)邊(biān)第一項和第二項相(xiàng)等時的流(liú)量。即(jí)得
而(ér)機械反(fǎn)抗(kàng)力矩trm包括(kuò)渦輪軸與(yǔ)軸(zhóu)承間的摩擦(cā)力矩(jǔ)tr1和電磁(cí)反作用力矩(jǔ)tr2口,即
從式(shì)(7)可知,對測量介(jiè)質一定,管(guǎn)徑一(yī)定的流體(tǐ),密度ρ爲定(dìng)值(zhí),c3,c4分别爲(wèi)比例常數,橫截(jié)面爲定值。因此(cǐ),影響(xiǎng)qmin變化的隻(zhī)有tm(tr1,tr2)。
在流(liú)量(liàng)計結(jié)構設計及(jí)工藝設計(jì)時,根據理(lǐ)論分析(xī),可以采(cǎi)取以下(xià)措(cuò)施作(zuò)爲優化設(shè)計。
①渦(wō)輪采用(yòng)質(zhì)輕的(de)材料,減(jiǎn)小渦輪(lún)的轉動(dòng)慣(guàn)量,使(shǐ)其對流速變化(huà)的響(xiǎng)應性好,渦(wō)輪軸與(yǔ)軸承間采用(yòng)軸尖支撐(chēng),軸承采用瑪瑙(nǎo),減小(xiǎo)旋轉阻力(lì)。
②磁電轉換(huàn)器由光纖接(jiē)受(shòu)器取(qǔ)代,消除電磁反作(zuò)用力矩。同時(shí)提高電(diàn)磁流量(liàng)計的抗(kàng)幹擾能(néng)力。
2.2溫度因素的(de)影響
根(gēn)據上表(biǎo)做出油對k值得(dé)響應特性曲線(xiàn)，如圖3所示(shì)，冷油(yóu)(16度)對(duì)k值(zhí)的響應特性,即y=11869x-41857;熱(rè)油(60度(dù))對k值的響應特(tè)性,即y=107.42x-2438。
由此可見(jiàn)，溫度的變(biàn)化對(duì)渦輪流量計k有影響(xiǎng),主要是由(yóu)于(yú)金屬材(cái)料熱(rè)脹冷縮(suō),幾(jǐ)何尺(chǐ)寸的變化，會引(yǐn)起渦輪轉速的(de)變化,k值也會随(suí)之(zhī)改(gǎi)變。
2.3流體密(mì)度因素的影響
渦輪啓動時,要(yào)克服較大(dà)的機(jī)械靜摩擦力,因(yīn)此需(xū)要較(jiào)大始(shǐ)動流量。渦輪以(yǐ)一定的速(sù)度轉(zhuǎn)動起來(lái)以(yǐ)後,需(xū)要機械(xiè)動(dòng)摩擦力和流體(tǐ)流動(dòng)阻力,轉動(dòng)閡值(zhí)qmin與ρ0.5成(chéng)反比,流體(tǐ)密度越(yuè)大,qmin越小。這種(zhǒng)情況對于密度變化(huà)小的(de)液體來說(shuō),影響不大,qmin可視(shì)爲常數。但(dàn)對于多相(xiàng)流體來說,由于(yú)溫(wēn)度、壓力和分(fèn)相含率的變化(huà),引起p變化,從而影響qmin.
實(shí)驗在以水和空氣爲介(jiè)質的流動模拟(nǐ)裝置中進行,實驗中在氣(qì)體流(liú)量固定的前提(tí)下,逐(zhú)漸增大水(shuǐ)的(de)流(liú)量,測量渦(wō)輪的響應(yīng)值。增(zēng)大氣體的(de)流量(liàng),重複上述操作(zuò),得到(dào)了下面的渦輪響應(yīng)圖版(bǎn),其中流量爲氣液的合流量。圖中氣體流(liú)量爲(wèi)零時(shí),流(liú)體的密(mì)度最大,測得的(de)響應曲線各流(liú)量響(xiǎng)應值最大。由于氣(qì)流量增(zēng)大時(shí),測得流體密度和粘度都變小，所以(yǐ)随着(zhe)流體密度的減(jiǎn)小，增大。
通過實(shí)驗驗(yàn)證,我們可以得出(chū)如下的(de)結論:
①渦輪(lún)流量計在測量多相(xiàng)流的(de)流量(liàng)時,在總流量保(bǎo)持不(bú)變(biàn)的情況(kuàng)下,流(liú)體的密度發生(shēng)變化(huà)也會引起(qǐ)渦輪(lún)轉(zhuǎn)速的很(hěn)大變化。
②渦(wō)輪流(liú)量計的(de)始動流(liú)量随多相流體密度的增大而(ér)減小。.
3結論
通過(guò)理論(lùn)推導和實(shí)驗驗證,可(kě)以得(dé)出如(rú)下結論(lùn):
3.1渦(wō)輪采(cǎi)用質(zhì)輕的(de)材料,使其對流(liú)速變化的(de)響應(yīng)性好,同時盡量(liàng)采取措施(shī)減少摩擦(cā)阻力(lì)矩及(jí)電磁反作(zuò)用力矩,通(tōng)過這些措(cuò)施可以降(jiàng)低渦(wō)輪的(de)起(qǐ)動排量(liàng)。.
3.2溫度的變(biàn)化會引起渦輪k值的(de)變化,建議考慮(lǜ)使用對溫度不(bú)敏感的材(cái)料作(zuò)爲渦輪制造材(cái)料。
3.3不同(tóng)密度下的渦輪(lún)k值随密(mì)度增加而增大(dà),因此(cǐ)三相流下(xià)要獲得正(zhèng)确的(de)流量(liàng)還需進行(háng)密度校
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