利用(yong)渦輪流量(liàng)計 測量了(le)油水兩相(xiang)流動時的(de)混合速度(dù)，重點研究(jiū)了油相粘(zhān)度變化和(hé)流量計入(rù)口油水相(xiang)含宰變化(huà)對測量精(jing)度的影響(xiǎng)。實驗采💚用(yòng)了七種不(bú)同的油相(xiang)粘度(50,160,225,400，700,1100,1450mPa:s),并在(zài)含油率🔆0-100%範(fàn)圍内記錄(lu)了292組不同(tong)油水混合(hé)流量下的(de)測量值.研(yán)究🙇🏻結果表(biǎo)明，當油相(xiang)粘度爲低(di)粘值50和160mPas時(shí)，渦輪流量(liàng)計的測🐅量(liang)誤差較小(xiao)，且不受入(ru)口🌈油相含(hán)率的影響(xiǎng)，絕對誤差(cha)均✍️在+5%以内(nei).當油相粘(zhan)度大于225mPars時(shi)，随着入口(kǒu)油相含🤩率(lü)的增加，誤(wu)差逐漸增(zeng)大。當油相(xiang)粘度進一(yi)步🏒提高到(dào)1100mPa's以上時，渦(wo)輪流量計(ji)在較低的(de)入口油相(xiàng)含串下進(jin)入非線性(xìng)失效區.此(cǐ)外，實驗數(shù)據還顯示(shì)，用渦輪流(liú)量計測t油(yóu)水㊙️混合流(liu)速時，測量(liang)結果對油(you)水兩相流(liu)流型不敏(mǐn)感..
1引言
　　随(suí)着工業的(de)快速發展(zhan)，能源的需(xū)求量日益(yì)增加,陸上(shàng)🚶油氣資👉源(yuán)日漸枯竭(jié)，促使各國(guó)轉向海洋(yáng)石油的開(kāi)發。陸上油(yóu)田輸油🔆管(guan)路采用的(de)傳統的計(jì)量技術🔞并(bing)不完全适(shi)合在海洋(yang)🌈平台使用(yong)，因此促使(shi)工業界和(hé)學術界聯(lian)合開發新(xin)型的結構(gòu)緊湊的多(duō)相流量🈲計(jì)。從上個世(shi)紀80年代以(yi)來，石油工(gōng)業界開始(shǐ)關注油氣(qì)水混合物(wu)的計量，并(bìng)投入了可(kě)觀的人力(lì)和⛷️物力來(lái)開發适用(yòng)于石油工(gong)業的多相(xiàng)流量計.多(duō)相計量研(yán)究的困難(nán)來源于💋多(duo)相流動過(guo)程本身的(de)複雜性，相(xiàng)對于單💔相(xiang)流可以直(zhí)♌接地計算(suàn)流速等參(cān)數，多相☁️流(liu)模型的建(jian)立需👣要考(kao)慮的參數(shù)要複雜得(dé)多。一般來(lái)說，理想的(de)油氣水三(sān)相流🛀量計(jì)應該具有(you)各相5%的計(ji)量精度，并(bing)要求非侵(qīn)入性，可✉️靠(kao)性，與流型(xíng)無關性💃🏻以(yi)及對于整(zheng)個相含率(lü)範圍的适(shì)🍓用性。雖然(ran)近年來提(ti)出了非常(chang)多的方案(an)，但到目前(qián)爲❓止還沒(mei)有一種❄️商(shāng)業化的流(liú)量計能完(wán)全達到這(zhè)些标準"。
　　渦(wō)輪流量計(jì)是被工業(ye)界普遍采(cai)用的用于(yú)測量單相(xiàng)流動的速(sù)度式流量(liang)儀表。它以(yǐ)動量守恒(héng)爲基礎，流(liú)體沖擊渦(wo)輪葉片⚽，使(shi)渦輪旋轉(zhuǎn)。渦輪的旋(xuan)轉速度随(sui)流量的變(bian)化而變化(huà)🔴，最後從渦(wō)輪的轉速(sù)求出流量(liang)值。典型🚩的(de)液體渦輪(lun)流量計的(de)特性曲線(xian)(如圖1所示(shì))可以分成(chéng)兩個主要(yào)的區域，即(ji)線性區和(hé)非線性區(qu)。渦輪流量(liang)計的有效(xiao)工作區間(jiān)主要包括(kuo)其線性工(gōng)作區間⛹🏻‍♀️以(yi)及部分非(fēi)線性區間(jiān)。由于渦輪(lun)流量計📐在(zai)高溫、高壓(yā)等比較嚴(yan)酷的環境(jìng)下，仍🌈然具(jù)有較高♻️精(jing)度以及🏒穩(wěn)定性，同時(shi)，相對于其(qí)他流量計(ji)來說，渦🙇🏻輪(lun)流量計有(yǒu)着較大的(de)量程範圍(wéi)，并具有對(dui)流動瞬态(tài)變化後的(de)快速反應(ying)的特點2,因(yin)此，一些研(yán)究者嘗試(shì)應用渦輪(lún)流量計來(lai)進行兩相(xiàng)流量的測(cè)量研究。由(yóu)于測量主(zhu)要針對低(di)黏度的油(yóu)水兩🐅相流(liú)，并且油相(xiang)含率限定(dìng)在一個非(fei)常有限的(de)範圍内，因(yīn)此，對🤩于全(quan)油相含率(lǜ)範圍内的(de)變化及高(gao)粘油相對(dui)于渦輪流(liu)量計測量(liàng)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻造成的影(ying)響等，還有(yǒu)待進一🔴步(bu)的研究。
 
　　油水(shuǐ)兩相流的(de)流量計，設(she)想采用Gammar射(she)線獲得相(xiang)含率，用渦(wō)輪流量♌計(jì)來獲得混(hùn)合流速，結(jie)合二者結(jie)果得🔞到各(gè)相流量.由(you)㊙️于原油粘(zhān)度分布變(biàn)化很大,爲(wei)了達到這(zhe)個目的，就(jiù)🐉要獲知油(you)相粘度變(biàn)化對于渦(wo)輪流量計(jì)測量㊙️精度(du)的影🧑🏽‍🤝‍🧑🏻響，從(cóng)而确定渦(wo)輪流量計(ji)的工💁作條(tiao)件和工作(zuò)範圍。同時(shí)，本實驗還(hái)在低粘度(du)條件🐇下流(liú)型對于渦(wō)輪流量計(jì)的工作性(xìng)能的影響(xiang)。
2實驗系統(tong)
2.1實驗裝置(zhì)
　　本實驗是(shì)在中國科(kē)學院力學(xué)研究所的(de)多相流實(shí)驗平台🌈上(shàng)完🥵成的。圖(tú)2爲實驗裝(zhuāng)置示意圖(tu)。油水分别(bie)由油📧箱和(hé)水箱🏒供應(yīng)，經過各自(zi)的流量計(ji)後，進入實(shí)驗管線，混(hùn)合液流經(jing)實驗段後(hou)被分離再(zai)循環使用(yòng)㊙️。實驗管線(xiàn)采用内徑(jing)50mm的透明有(you)機玻璃管(guan)，易于觀察(chá)💘油水兩相(xiàng)的流動狀(zhuang)态，管線從(cong)入口到分(fen)離器總長(zhang)約35m。
　　實驗管(guan)線入口流(liu)量計量，水(shuǐ)相采用電(diàn)磁流量計(ji)，油相采用(yòng)腰輪流量(liang)計，油相和(he)水相經過(guò)試驗管線(xian)後，用LWGY型❤️渦(wō)輪流量計(jì)對其進行(háng)混合流速(sù)的測量。LWGY型(xíng)渦輪流量(liang)計公稱通(tong)徑爲50mm,其測(cè)量💞流量範(fan)圍在4m'/h~40m'/h,在測(ce)量單相流(liú)體時，其精(jīng)度可達0.25%。流(liú)型識别采(cai)用攝像機(ji)記錄每次(cì)實驗條件(jian)下的流動(dong)狀态，慢鏡(jing)頭回放觀(guān)察流型。爲(wei)保證實驗(yan)數據的可(ke)靠性，對每(měi)個測量點(dian)都在流量(liang)調整後的(de)5min~8min分鍾流動(dong)相對穩定(dìng)後再采集(jí)數據🌈和觀(guan)測流型。
 
2.2實(shi)驗工質及(ji)實驗過程(chéng)
　　實驗水相(xiàng)爲普通自(zi)來水，20℃時的(de)粘度爲1.005mPas,油(yóu)相采用無(wú)色、透明📧的(de)礦物油，俗(sú)稱白油，在(zài)常溫常壓(ya)(20C,0.101mPa)下，我們分(fèn)别選用其(qí)🚶‍♀️粘度🈲爲50、160、225、400、700、1100和(hé)1450mPars,共七🛀🏻種樣(yàng)品。同時，爲(wei)便于實驗(yàn)時的流🏃🏻型(xíng)觀察，在水(shuǐ)中加入了(le)高錳酸鉀(jia)(顔色劑)以(yǐ)便于識别(bié)。實驗工質(zhì)⚽溫度控制(zhi)在19℃~21℃,在特定(ding)的粘度下(xia)，給定油相(xiàng)流量後,調(diao)整水相流(liu)量，觀察實(shí)驗段的油(you)😍水兩相流(liú)型，記錄入(rù)口處不同(tong)流型的油(yóu)相和水相(xiàng)表觀流速(su)和實驗段(duàn)的混合流(liu)速。表1給出(chū)了不同粘(zhān)度下的實(shí)驗數組。
 
3結(jie)果與讨論(lùn)
3.1油相粘度(dù)和入口含(han)率的影響(xiang)
　　首先固定(dìng)油相粘度(dù)，用電磁流(liu)量計測量(liàng)入口處水(shuǐ)相流量👣Qw，用(yòng)腰輪流量(liang)計測量入(ru)口處油相(xiang)流量QO，分别(bié)得到入口(kou)處油💰相、水(shuǐ)❗相的體積(jī)相含率βo和(hé)βw.即:
 
式中QM1爲(wèi)管道入口(kǒu)處的混合(he)流量。
　　同時(shí)，在實驗管(guan)段用渦輪(lun)流量計測(cè)量兩相混(hun)合流量(如(ru)圖2所示),Qm2，對(duì)比Qm1和Qm2,可以(yi)得到渦輪(lún)流量計的(de)測量誤差(cha)(相對誤差(cha)):
 
　　圖3至圖9給(gei)出了在七(qi)種不同粘(zhan)度下，渦輪(lún)流量計的(de)測量誤差(chà)随入口處(chu)油相含率(lǜ)的變化關(guān)系圖。以實(shi)際應🏃🏻‍♂️用中(zhong)🤩可以接受(shou)的誤🌏差+5%作(zuo)爲其有效(xiao)工作區間(jian)的判斷标(biao)準(在圖中(zhong)，+5%的🥰區間用(yong)💞虛線标出(chu))，并且在每(mei)個圖标上(shàng)，用一條豎(shu)直的虛線(xiàn)，作爲有效(xiào)工作區域(yu)的分界線(xian)。圖3給出了(le)油相💃🏻粘度(dù)爲50mPa's時相對(duì)誤差随入(ru)口處油相(xiang)含率變化(huà)關系圖。可(ke)✉️以看出，在(zài)整個🤟油相(xiàng)含率的變(bian)化範圍内(nei)，誤差可以(yi)控制在+5%以(yǐ)内，隻有個(gè)别的點超(chāo)過了5%的範(fàn)🔱圍，因此可(ke)以認爲在(zai)油相粘度(du)爲50mPars時，渦輪(lun)流量計在(zai)任何油相(xiàng)含率下均(jun)處于有效(xiào)工作區間(jiān)。對于油相(xiàng)粘度爲160mPa's的(de)實驗研究(jiu)結果顯示(shi)(如圖4所示(shi)),随着油相(xiang)含率βo的增(zeng)加，相對誤(wù)差有逐漸(jiàn)❤️增大⭐的趨(qu)勢，同時，絕(jue)對誤差值(zhi)也由βo較小(xiǎo),時的正值(zhí)，變爲βo較大(dà)時的負值(zhí)。但是大部(bù)分的入口(kǒu)油相含率(lǜ)βo的變化範(fàn)圍内，相對(duì)誤差在+5%以(yi)内，這與黏(nián)度爲50mPars時的(de)情況大體(ti)--緻.
 
　　當油相(xiàng)粘度提高(gao)至225mPa·s時(圖5所(suǒ)示),觀察到(dao)了與圖4相(xiàng)似🌐的曲🏒線(xiàn)變化趨勢(shi)，不同的是(shì):當β。的小于(yú)70%時，相對誤(wù)差在5%以内(nèi)，渦輪流量(liàng)計處于🔴有(you)效工作區(qu)間。然而，随(sui)着β。的增加(jiā)，誤差曲線(xian)下降的幅(fú)度增大，當(dang)🐅βo達到70%時，整(zhěng)體📱誤差超(chao)過了5%的界(jiè)線💚，達到10%以(yǐ)上，此時，渦(wo)輪流量計(jì)超出了其(qí)有效工作(zuò)區間，失效(xiao)區開始出(chū)現。
 
　　圖6和圖(tu)7分别給出(chū)了油相粘(zhan)度爲400mPa·s和700mPa·s時(shi)相對誤差(chà)随入🔅口處(chu)油👅相含率(lǜ)的變化關(guān)系圖。可以(yǐ)看出，當βo達(dá)到50%~60%時，誤差(chà)出😄現比較(jiào)陡峭的下(xia)降，其整體(tǐ)誤差超過(guò)5%的界線，渦(wo)輪流量計(ji)超出🈲了有(yǒu)效工作區(qū)，而且，随着(zhe)βo的增加，絕(jué)對誤差也(ye)由正值變(biàn)成負值。
 
　　爲(wèi)了進一步(bù)研究超粘(zhan)油對于渦(wo)輪流量計(jì)測量精度(du)的影響，我(wo)們分别測(ce)量了油相(xiang)粘度爲1100和(hé)1450mPars時渦輪流(liú)量計測量(liang)油水兩相(xiàng)流量時的(de)工作特性(xìng)。圖8和圖9給(gei)出了實驗(yàn)結果，可以(yǐ)看出，當βo僅(jin)爲30%~40%左右時(shi)，誤差便開(kai)始急劇下(xià)降。因此，對(dui)于超粘油(you)來說，渦🧡輪(lún)流量計的(de)僅能在低(dī)含油率的(de)情況下工(gōng)作，有效工(gōng)作區的⛱️範(fàn)圍非常狹(xiá)窄💯。
 
　　從上述(shù)實驗結果(guǒ)可以看出(chū)，渦輪流量(liang)計的相對(dui)誤差随着(zhe)入口處油(you)相含率βo的(de)增加有逐(zhu)漸增大的(de)趨勢，并且(qie)渦輪流量(liàng)計的有效(xiao)工作區間(jian)也在逐漸(jian)的減少。對(duì)于油相🆚粘(zhān)度較大時(shí)的油水流(liu)動來說，測(cè)量誤差之(zhī)所以随着(zhe)入口處油(yóu)相含率的(de)增加逐漸(jiàn)增大的原(yuán)因是随着(zhe)入口處油(yóu)相含率的(de)增加，導緻(zhì)油水兩相(xiang)流的實際(ji)黏度在逐(zhu)漸的增大(dà)，進而導緻(zhi)了渦輪流(liú)量計的有(you)效工作區(qu)逐漸變窄(zhai)。同時我們(men)還可以看(kàn)出，在其有(yǒu)效工作區(qu)域，在粘度(dù)較低時，其(qí)絕對誤差(cha)大都爲正(zheng)值，即測量(liàng)值🙇🏻比真實(shí)值要大,而(ér)在黏度較(jiào)大時，其絕(jue)對誤差大(dà)都爲負值(zhi)，即測量值(zhí)要♌比真實(shi)值小。
3.2流型(xíng)的影響
　　爲(wèi)了考察渦(wō)輪流量計(jì)計量精度(du)與流型之(zhi)間的關系(xi)，繪🍉制了粘(zhan)🔞度爲50mPa·s時的(de)流型圖，并(bing)且與以前(qian)的學者🍓得(de)到的流型(xíng)圖進行🏃🏻了(le)比較。實驗(yan)中流型是(shì)觀察實驗(yan)管段🧡得到(dao)的，同時采(cai)用Lafin和Oglesby提出(chu)的方法來(lai)定義流型(xíng)5)。在一定的(de)混合流速(su)和輸入油(you)相含率下(xià)，在水平實(shí)驗管段觀(guan)察到了四(si)種🤞流型，即(ji):分層流(SW),雙(shuāng)連續流(DC),油(you)含水(W/O)以及(ji)水💚含油(O/W)。圖(tu)10給出了實(shi)驗中得到(dào)的流型圖(tú)，其中固定(ding)線爲Lovick和Angeli在(zai)2001年得到的(de)流型圖.
　　對(duì)于兩個流(liú)型轉化邊(biān)界可以看(kan)出，本實驗(yàn)中得到的(de)流型圖和(he)Lovick和Angeli得到的(de)流型圖具(jù)有很大的(de)一緻性🏒。同(tong)時，結合粘(zhan)度爲50mPa·s時絕(jue)對誤差随(suí)口處油相(xiang)含率變化(huà)關系圖(如(ru)圖3所示),可(ke)以看出，每(měi)種流型下(xia)的誤差之(zhī)間并沒有(yǒu)明顯的區(qu)别，因此可(ke)以認爲，渦(wo)輪流量計(ji)的工作性(xing)能對流型(xing)并🌂不是很(hen)敏感。
 
4結論(lùn)
　　應用渦輪(lún)流量計測(cè)量了不同(tóng)油相粘度(du)下的油水(shui)兩相混合(he)💚流量,研究(jiu)了油相粘(zhān)度和入口(kou)相含率對(duì)其工作性(xìng)🈲能的😍影響(xiǎng)，得到了粘(zhān)度爲50，160，225,400，700，1100和1450mPa·s等(deng)七種不同(tong)🔴粘度下，測(cè)量誤差随(sui)入口處油(you)相含率🏃的(de)變化曲線(xian)圖。通過實(shi)⭕驗發現，黏(nian)度爲50mPa·s和160mPa·s時(shi)，在0~-100%的入口(kou)油相含率(lü)變化範圍(wei)内，相對誤(wù)差大都在(zài)±5%以内，可🌍認(ren)爲渦輪流(liú)量計工作(zuo)在有效工(gōng)作區。但當(dāng)粘度大于(yu)225mPa·s,随着油相(xiang)🌈相含率的(de)增加，誤差(chà)有逐漸增(zeng)大的🌈趨勢(shì)，渦輪流量(liang)‼️計的線性(xing)工作區間(jiān)縮窄，并随(suí)着油相粘(zhān)度的進一(yī)步增加，達(dá)到1100mPars時，渦輪(lun)流量計在(zai)很低的油(yóu)相含率下(xià)即進入失(shi)效區，這表(biao)明油水的(de)混合粘度(du)是影響渦(wo)輪流量計(ji)線性工作(zuo)區間的主(zhu)要因素。
　　低(dī)粘度下不(bu)同流型時(shi)渦輪流量(liàng)計的工作(zuò)性能，通🏃🏻過(guo)實驗發現(xian)，不同流型(xíng)下其誤差(chà)之間并沒(méi)有明顯👨‍❤️‍👨的(de)變化，因此(cǐ)，可💋以認爲(wei)其工作性(xing)能對流型(xíng)不敏感。
　　渦(wō)輪流量計(ji)可以在低(dī)混合粘度(dù)下用于油(yóu)水兩相流(liú)的流速🈲測(cè)量,高混合(he)粘度下渦(wō)輪流量計(jì)的線性工(gong)作💚區間縮(suo)窄，限制了(le)其測速範(fan)圍，在實際(jì)應用時應(yīng)加以注意(yì)。

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