利(lì)用渦輪流量計(jì)
測量了油水兩(liǎng)相流動(dòng)時(shí)的混(hùn)合速度(dù)，重(zhòng)點研(yán)究了油相粘度變化(huà)和流量計(jì)入口(kǒu)油水相含宰變(biàn)化對測量(liàng)精度(dù)的影響。實驗采用了七種(zhǒng)不同的油相粘度(50,160,225,400，700,1100,1450mpa:s),并(bìng)在含油率(lǜ)0-100%範圍内記錄了292組不同油水混合流(liú)量下的測量值(zhí).研究結果(guǒ)表明(míng)，當油(yóu)相粘度爲(wèi)低粘值50和(hé)160mpas時，渦(wō)輪流(liú)量計(jì)的測量(liàng)誤差較小，且不受入口油相(xiàng)含(hán)率的影(yǐng)響，絕對誤差均(jun1)在+5%以(yǐ)内.當(dāng)油相(xiàng)粘度大于(yú)225mpars時，随(suí)着入口(kǒu)油(yóu)相含(hán)率的(de)增加(jiā)，誤差逐漸增(zēng)大。當油(yóu)相粘度進(jìn)一(yī)步(bù)提高到1100mpa's以(yǐ)上時，渦輪流量計在(zài)較低(dī)的入口油(yóu)相含串下進入(rù)非線性失效區(qū).此外，實驗(yàn)數據還顯(xiǎn)示(shì)，用渦輪(lún)流量計測t油水(shuǐ)混(hùn)合(hé)流(liú)速時，測(cè)量結果對油(yóu)水(shuǐ)兩相流流(liú)型不(bú)敏感..
1引言
随着(zhe)工業的快速發(fā)展，能源的(de)需求(qiú)量日(rì)益增加(jiā),陸上油氣資(zī)源日(rì)漸枯竭(jié)，促(cù)使各(gè)國轉向海(hǎi)洋石(shí)油的開(kāi)發。陸上(shàng)油田輸油(yóu)管路(lù)采用(yòng)的傳統的計量技術并不(bú)完全(quán)适合在海(hǎi)洋平台使用，因(yīn)此促使工業界(jiè)和學(xué)術界聯合開發(fā)新型(xíng)的結構緊湊的多相(xiàng)流(liú)量(liàng)計。從上個(gè)世紀80年(nián)代以來，石油(yóu)工業(yè)界開(kāi)始關注油氣水(shuǐ)混合(hé)物的計量(liàng)，并投(tóu)入了可觀(guān)的人(rén)力和物力(lì)來開發适(shì)用于(yú)石油工業(yè)的多(duō)相流量(liàng)計(jì).多相計量(liàng)研究的困(kùn)難來源于多相流動過程本身(shēn)的複雜性，相對于單(dān)相(xiàng)流可以(yǐ)直接地計算流速等(děng)參(cān)數，多相(xiàng)流模型的建立需要考慮的參(cān)數要(yào)複雜(zá)得多(duō)。一般(bān)來說，理想(xiǎng)的油氣水(shuǐ)三相流量計應該具(jù)有各相5%的計量(liàng)精度，并要求非(fēi)侵(qīn)入性(xìng)，可靠性(xìng)，與流(liú)型(xíng)無關性以及對于整個相含率範圍的(de)适用性。雖然近年來提出了非(fēi)常多的方案(àn)，但(dàn)到目(mù)前(qián)爲(wèi)止還沒有一(yī)種商業(yè)化的(de)流量計能完全達到(dào)這些(xiē)标準"。
渦輪(lún)流量計是被(bèi)工(gōng)業界(jiè)普遍(biàn)采用的用(yòng)于測(cè)量單(dān)相流(liú)動的(de)速度式流(liú)量儀表。它以動量守(shǒu)恒爲(wèi)基礎，流體沖擊渦輪葉片(piàn)，使(shǐ)渦(wō)輪旋(xuán)轉。渦(wō)輪的(de)旋轉(zhuǎn)速度随流量(liàng)的(de)變化而變(biàn)化，最(zuì)後從渦輪的轉(zhuǎn)速求出流量值(zhí)。典型的液體渦(wō)輪流(liú)量計的(de)特(tè)性曲線(如圖1所(suǒ)示)可以(yǐ)分成兩(liǎng)個主要的區域(yù)，即(jí)線性區和非線性區。渦(wō)輪(lún)流(liú)量計的有(yǒu)效工作區(qū)間(jiān)主要包(bāo)括其(qí)線性工作(zuò)區(qū)間以及部分(fèn)非線(xiàn)性區(qū)間。由(yóu)于渦輪流量計(jì)在高溫、高(gāo)壓等比較(jiào)嚴酷的環境下，仍然具有(yǒu)較高精(jīng)度以及穩定性，同(tóng)時，相(xiàng)對于(yú)其(qí)他流量計來(lái)說(shuō)，渦輪流(liú)量計(jì)有(yǒu)着(zhe)較大(dà)的量程(chéng)範圍，并(bìng)具有(yǒu)對(duì)流動瞬(shùn)态變化後(hòu)的快速反(fǎn)應(yīng)的特點(diǎn)2,因此，一些(xiē)研究(jiū)者嘗試應用渦(wō)輪流量計(jì)來進(jìn)行兩(liǎng)相(xiàng)流(liú)量的(de)測量研(yán)究(jiū)。由于(yú)測量主(zhǔ)要(yào)針對(duì)低黏度的油水兩相流，并(bìng)且油(yóu)相含率限(xiàn)定在(zài)一個(gè)非常有限(xiàn)的範圍(wéi)内(nèi)，因此(cǐ)，對于全(quán)油相含(hán)率範(fàn)圍内(nèi)的變化及(jí)高粘油相(xiàng)對于渦輪(lún)流量(liàng)計測(cè)量(liàng)造成的(de)影響等，還有待(dài)進一(yī)步的研究。
油(yóu)水兩相流的流(liú)量計，設想(xiǎng)采用gammar射線獲得相含(hán)率，用渦輪流量計來(lái)獲得(dé)混合(hé)流速，結合(hé)二者(zhě)結果得到各相(xiàng)流量.由于原油(yóu)粘度(dù)分(fèn)布(bù)變化(huà)很大(dà),爲(wèi)了達到(dào)這個(gè)目(mù)的，就要(yào)獲知(zhī)油相粘度(dù)變化對于(yú)渦輪流量計測量精(jīng)度的(de)影響，從而确定(dìng)渦輪流量(liàng)計的(de)工(gōng)作(zuò)條件和工作範(fàn)圍。同(tóng)時，本實(shí)驗(yàn)還在低粘度(dù)條件下(xià)流型對于(yú)渦輪流量計的工(gōng)作(zuò)性能的影(yǐng)響。
2實(shí)驗系(xì)統
2.1實驗裝(zhuāng)置
本實驗是在中國科(kē)學院力(lì)學研究所的多相流(liú)實驗平台上完(wán)成的。圖2爲(wèi)實驗裝(zhuāng)置示意(yì)圖。油水分别由(yóu)油箱和水(shuǐ)箱供(gòng)應，經過各自的(de)流量(liàng)計後，進入(rù)實驗管線，混合液流(liú)經實驗段(duàn)後被分(fèn)離(lí)再循環使(shǐ)用。實驗管(guǎn)線采用内徑50mm的透明(míng)有機玻璃(lí)管(guǎn)，易(yì)于觀察油(yóu)水兩相的流動(dòng)狀态，管線(xiàn)從入(rù)口到分離器總(zǒng)長約(yuē)35m。
實(shí)驗管線入口流量計量(liàng)，水相采用電磁(cí)流量(liàng)計(jì)，油(yóu)相采(cǎi)用腰輪流(liú)量計，油相(xiàng)和水相經(jīng)過試驗管線後(hòu)，用lwgy型(xíng)渦(wō)輪流量計對其進行混合流速的測量(liàng)。lwgy型渦(wō)輪流量計(jì)公稱通徑爲50mm,其(qí)測量流量範(fàn)圍(wéi)在4m'/h~40m'/h,在(zài)測量(liàng)單相流體時，其精度可達0.25%。流型識别(bié)采用(yòng)攝像機記(jì)錄每(měi)次實驗條(tiáo)件下的流(liú)動狀(zhuàng)态，慢(màn)鏡(jìng)頭(tóu)回放(fàng)觀察(chá)流型。爲保(bǎo)證(zhèng)實驗數據的(de)可靠性，對每(měi)個(gè)測量(liàng)點都(dōu)在流量調整(zhěng)後(hòu)的5min~8min分鍾流動相對穩定後再采集數(shù)據和(hé)觀測流型(xíng)。
2.2實驗(yàn)工質及實(shí)驗過程
實驗水(shuǐ)相爲普通自來(lái)水，20℃時(shí)的粘度爲(wèi)1.005mpas,油相采用無色(sè)、透明的礦物油(yóu)，俗稱白油(yóu)，在常(cháng)溫常壓(yā)(20c,0.101mpa)下，我們分(fèn)别選用其粘(zhān)度爲(wèi)50、160、225、400、700、1100和(hé)1450mpars,共七種樣品(pǐn)。同時(shí)，爲便于實(shí)驗時的流(liú)型觀(guān)察，在水中加入(rù)了高錳酸(suān)鉀(顔(yá)色劑(jì))以(yǐ)便(biàn)于識别。實驗工質溫度控制在19℃~21℃,在特定的粘度(dù)下，給定油相流(liú)量後,調整水相(xiàng)流量，觀(guān)察(chá)實驗(yàn)段的(de)油水兩相(xiàng)流型(xíng)，記錄入口(kǒu)處不同流(liú)型的(de)油相(xiàng)和(hé)水相(xiàng)表(biǎo)觀流速和實驗(yàn)段的混(hùn)合流速(sù)。表1給(gěi)出了(le)不同(tóng)粘度(dù)下(xià)的(de)實驗數組(zǔ)。
3結果(guǒ)與讨(tǎo)論
3.1油相(xiàng)粘(zhān)度和(hé)入口含(hán)率的影(yǐng)響
首先固定油相粘度，用電磁(cí)流量計測(cè)量入(rù)口處水(shuǐ)相(xiàng)流量qw，用腰輪(lún)流(liú)量計(jì)測量(liàng)入口處油相(xiàng)流(liú)量qo，分(fèn)别得(dé)到入口處油相(xiàng)、水相的體(tǐ)積相(xiàng)含率(lǜ)βo和βw.即:
式中(zhōng)qm1爲管(guǎn)道(dào)入口處(chù)的混合(hé)流量。
同(tóng)時，在實驗管段(duàn)用渦(wō)輪流量計(jì)測量兩(liǎng)相混合(hé)流量(如圖2所示(shì)),qm2，對比qm1和qm2,可以得(dé)到渦輪流量計(jì)的測量誤(wù)差(相(xiàng)對誤(wù)差(chà)):
圖3至圖(tú)9給出(chū)了在七種(zhǒng)不同(tóng)粘度下，渦(wō)輪流量計(jì)的測(cè)量誤差随入口處油相含(hán)率的變化(huà)關(guān)系圖。以(yǐ)實際(jì)應用(yòng)中可(kě)以接(jiē)受的誤差(chà)+5%作爲其有(yǒu)效工作區間的判斷(duàn)标準(在圖中，+5%的區間用虛線标(biāo)出)，并且在(zài)每個(gè)圖标上，用(yòng)一條(tiáo)豎直的虛線，作(zuò)爲有效工作區(qū)域(yù)的分界(jiè)線。圖(tú)3給出了油相粘(zhān)度爲50mpa's時相對誤(wù)差随(suí)入口處油相含率變(biàn)化關(guān)系(xì)圖(tú)。可(kě)以看出(chū)，在整個油相含(hán)率的變化(huà)範圍(wéi)内，誤差可以控(kòng)制在(zài)+5%以内，隻有(yǒu)個别的點(diǎn)超過了5%的範圍，因此(cǐ)可以認爲(wèi)在油相粘度爲50mpars時，渦輪流(liú)量計(jì)在任(rèn)何油(yóu)相含率下(xià)均處于(yú)有效(xiào)工作區間。對(duì)于油(yóu)相粘(zhān)度爲160mpa's的實(shí)驗研究結果顯(xiǎn)示(shì)(如圖4所(suǒ)示),随(suí)着油相含率βo的(de)增加，相(xiàng)對誤差(chà)有逐(zhú)漸增(zēng)大的趨勢(shì)，同時，絕對(duì)誤差(chà)值也由βo較(jiào)小,時(shí)的正值，變爲βo較大(dà)時的負(fù)值。但(dàn)是大部分(fèn)的入(rù)口油(yóu)相含(hán)率βo的變(biàn)化範圍(wéi)内，相對誤差(chà)在(zài)+5%以内，這與(yǔ)黏度(dù)爲50mpars時(shí)的情況大(dà)體--緻(zhì).
當油(yóu)相粘(zhān)度提高(gāo)至225mpa·s時(圖(tú)5所示),觀(guān)察到了(le)與圖(tú)4相似的曲(qǔ)線變化(huà)趨勢，不同的(de)是:當β。的小于70%時，相對(duì)誤差(chà)在5%以内，渦(wō)輪流(liú)量計處于有效(xiào)工作(zuò)區(qū)間。然而(ér)，随着(zhe)β。的增加，誤差曲線(xiàn)下降的(de)幅度增(zēng)大，當(dāng)βo達(dá)到70%時，整體誤差(chà)超過了5%的(de)界線，達到(dào)10%以上(shàng)，此時(shí)，渦(wō)輪流量計超(chāo)出了其有效工(gōng)作區間，失(shī)效區開始出(chū)現。
圖6和(hé)圖7分别給出了油相粘(zhān)度爲400mpa·s和(hé)700mpa·s時相(xiàng)對誤(wù)差(chà)随入口處油(yóu)相含(hán)率的變化關系(xì)圖。可(kě)以(yǐ)看出，當(dāng)βo達(dá)到50%~60%時(shí)，誤(wù)差出(chū)現比(bǐ)較陡(dǒu)峭的(de)下降，其整(zhěng)體誤差超過5%的界線(xiàn)，渦輪(lún)流量計超(chāo)出了有效工作(zuò)區，而且，随着βo的(de)增加，絕對(duì)誤差(chà)也由正值變成(chéng)負值。
爲了進一(yī)步研(yán)究(jiū)超粘油(yóu)對于渦輪流量(liàng)計測量精(jīng)度的(de)影響(xiǎng)，我們(men)分别(bié)測量(liàng)了油相粘(zhān)度爲(wèi)1100和1450mpars時渦輪(lún)流量(liàng)計測量(liàng)油水兩相(xiàng)流量時的工作特(tè)性。圖8和圖(tú)9給(gěi)出了實(shí)驗結果，可以看(kàn)出，當(dāng)βo僅爲30%~40%左右(yòu)時，誤差便(biàn)開始急劇下降(jiàng)。因此(cǐ)，對于超粘油來說，渦(wō)輪流量計(jì)的僅能在(zài)低含(hán)油率(lǜ)的情(qíng)況下(xià)工作，有效(xiào)工作區的(de)範圍非常(cháng)狹窄。
從(cóng)上述實(shí)驗結果可(kě)以看出，渦輪流(liú)量計的相對誤差随着入口(kǒu)處油相(xiàng)含率βo的增加有(yǒu)逐漸增大的趨(qū)勢，并且(qiě)渦(wō)輪流(liú)量計的有(yǒu)效工(gōng)作區間(jiān)也在逐(zhú)漸的(de)減少(shǎo)。對于油相粘度(dù)較(jiào)大(dà)時的油(yóu)水流動來說(shuō)，測(cè)量誤差(chà)之所以(yǐ)随(suí)着入(rù)口處油相含率(lǜ)的增加(jiā)逐漸增(zēng)大的原因(yīn)是随(suí)着入口(kǒu)處油相(xiàng)含率(lǜ)的增加，導(dǎo)緻(zhì)油水兩(liǎng)相流(liú)的實際黏度(dù)在(zài)逐漸的(de)增(zēng)大，進(jìn)而導(dǎo)緻(zhì)了渦輪(lún)流量(liàng)計的(de)有效(xiào)工作(zuò)區逐(zhú)漸變(biàn)窄。同時我(wǒ)們還(hái)可以(yǐ)看出(chū)，在其(qí)有效工(gōng)作(zuò)區域，在粘(zhān)度較低時(shí)，其絕對誤差大(dà)都爲(wèi)正(zhèng)值(zhí)，即測(cè)量值比真(zhēn)實值(zhí)要大,而在(zài)黏度(dù)較大(dà)時，其絕對(duì)誤差大都爲負(fù)值，即(jí)測量值要(yào)比真實(shí)值(zhí)小。
3.2流(liú)型的影(yǐng)響(xiǎng)
爲了考察(chá)渦輪流量(liàng)計計量精(jīng)度與(yǔ)流型(xíng)之間的(de)關系，繪制了粘度爲50mpa·s時的流型圖(tú)，并且(qiě)與以(yǐ)前的(de)學者得(dé)到(dào)的流(liú)型圖進(jìn)行了比(bǐ)較。實驗中流型(xíng)是觀察實驗管(guǎn)段得(dé)到的，同時(shí)采(cǎi)用lafin和(hé)oglesby提(tí)出的(de)方法(fǎ)來定義流(liú)型5)。在一定的混合流速和輸入(rù)油相含(hán)率下，在(zài)水平(píng)實驗管段(duàn)觀察到了(le)四種流型，即:分(fèn)層流(liú)(sw),雙連續流(dc),油含(hán)水(w/o)以(yǐ)及水含油(o/w)。圖(tú)10給出了(le)實驗(yàn)中得到的流型(xíng)圖，其(qí)中固定線(xiàn)爲lovick和angeli在(zài)2001年(nián)得到(dào)的流型圖(tú).
對于(yú)兩個流型轉化(huà)邊界可以(yǐ)看出，本實驗中得到(dào)的流(liú)型圖和lovick和(hé)angeli得到(dào)的流型圖(tú)具有很(hěn)大(dà)的一(yī)緻性。同時，結合(hé)粘度爲50mpa·s時(shí)絕對誤差(chà)随口處油(yóu)相含率變化關(guān)系圖(tú)(如圖3所示(shì)),可以(yǐ)看出(chū)，每(měi)種(zhǒng)流型下的誤差(chà)之間并(bìng)沒(méi)有明顯的(de)區别，因此可以認爲，渦輪(lún)流量計的工作(zuò)性能對流型并(bìng)不是(shì)很敏感。
4結(jié)論
應用(yòng)渦輪流量(liàng)計(jì)測量了不(bú)同油相粘度下(xià)的油(yóu)水兩(liǎng)相混(hùn)合流量(liàng),研(yán)究了(le)油相粘度和入(rù)口相含率對其工作(zuò)性能的影(yǐng)響，得到了(le)粘度爲50，160，225,400，700，1100和1450mpa·s等(děng)七種不(bú)同粘(zhān)度下(xià)，測量(liàng)誤差随入口處(chù)油相(xiàng)含率的(de)變(biàn)化曲線圖。通過(guò)實驗發(fā)現，黏度爲50mpa·s和160mpa·s時，在0~-100%的入(rù)口油相含率變(biàn)化範(fàn)圍内，相對誤差大都(dōu)在±5%以内，可認爲渦輪(lún)流量(liàng)計工作在有效(xiào)工作(zuò)區。但(dàn)當粘(zhān)度大于225mpa·s,随(suí)着油相相含率(lǜ)的增(zēng)加，誤(wù)差有逐漸(jiàn)增大(dà)的趨(qū)勢(shì)，渦輪流(liú)量計(jì)的線性(xìng)工作區(qū)間縮窄，并(bìng)随着(zhe)油相(xiàng)粘度(dù)的進(jìn)一步增加，達到(dào)1100mpars時，渦輪流(liú)量計(jì)在很(hěn)低的油相(xiàng)含率(lǜ)下即進入(rù)失效區(qū)，這表明油水(shuǐ)的混(hùn)合粘(zhān)度是影(yǐng)響渦輪(lún)流量計(jì)線性工(gōng)作區(qū)間的(de)主要(yào)因素。
低(dī)粘度下不同(tóng)流(liú)型時渦輪流量計的工(gōng)作性能，通過實驗發現，不同流型下其(qí)誤差之間并沒有明顯的變化，因(yīn)此，可(kě)以認爲其工作(zuò)性能(néng)對流型不敏感。
渦輪流量(liàng)計可(kě)以(yǐ)在低混(hùn)合粘度下用于(yú)油水兩相流的(de)流速(sù)測量,高混(hùn)合粘(zhān)度下渦輪流量(liàng)計(jì)的(de)線性(xìng)工作區間縮窄(zhǎi)，限制了其測(cè)速(sù)範圍，在實(shí)際應用時(shí)應(yīng)加(jiā)以注(zhù)意。
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