摘要:闡述了渦輪流量計(jì)的工作原理和動(dòng)態(tài)特性,建立了渦輪流量計(jì)的多相流測(cè)量模型,并在多相流模擬裝置中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,得出了流體密度是渦輪流量計(jì)在測(cè)量多相流的流量時(shí)的影響因子，并且討論了流體密度影響多相流的流量測(cè)量的規(guī)律。
在油田生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)(如溫度、壓力等)檢測(cè)中，以流量和各相持率測(cè)量復(fù)雜,是較難測(cè)量的兩個(gè)參數(shù),因而,引起了工程技術(shù)人員的興趣.隨著油田的發(fā)展,被測(cè)對(duì)象不再局限于單相流，而要對(duì)多相流、混合狀態(tài)的流量進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量多相流的技術(shù)難度要比單相流體的正確測(cè)量大的多,知道單相流體的密度、粘度及測(cè)量裝置的幾何結(jié)構(gòu)，便可以對(duì)單.相流進(jìn)行定量分析。如果能利用多相流中每一相的上述各物理量對(duì)多相流進(jìn)行測(cè)量的話(huà)，就很方便。但很遺憾的是,多相流體的特性遠(yuǎn)比單相流體的特性復(fù)雜的多，如各組分之間不能均勻混合、混合流體的異常性、流型轉(zhuǎn)變，相對(duì)速度、流體性質(zhì)、管道結(jié)構(gòu)、流動(dòng)方向等因素將導(dǎo)致渦輪流量傳感器響應(yīng)特性的改變"
在單相流的條件下，渦輪的轉(zhuǎn)速和流經(jīng)它的體積流量成一單值線(xiàn)性函數(shù),在油水兩相流中，只要流量超過(guò)始動(dòng)流量,在允許的誤差范圍內(nèi),渦輪的響應(yīng)和體積流量也是成線(xiàn)性函數(shù)。
但在多相流動(dòng)中，即使在總流量保持不變的情況下，混合流體的密度發(fā)生變化，也會(huì)引起渦輪轉(zhuǎn)速的很大變化。本文就此問(wèn)題,通過(guò)對(duì)渦輪流量計(jì)的工作原理和特性分析，闡述了在測(cè)量多相流時(shí)的流量影響因子，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
1工作原理及數(shù)學(xué)模型建立
渦輪流量計(jì)是一種速度式儀表,它是以動(dòng)量矩守恒原理為基礎(chǔ)的，流體沖擊渦輪葉片,使渦輪旋轉(zhuǎn),渦輪的旋轉(zhuǎn)速度隨流量的變化而變化，最后從渦.輪的轉(zhuǎn)數(shù)求出流量值，通過(guò)磁電轉(zhuǎn)換裝置(或機(jī)械輸出裝置)將渦輪轉(zhuǎn)速變化成電脈沖,送入二次儀表進(jìn)行計(jì)算和顯示，由單位時(shí)間電脈沖數(shù)和累計(jì)電脈沖數(shù)反映出瞬時(shí)流量和累計(jì)流量(見(jiàn)圖1)
所以,由動(dòng)量矩定理可知，渦輪的運(yùn)動(dòng)微分方程為:
式中:J為渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;w為渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度;∑M為作用在渦輪上的合力矩。
在正常工作條件下，可認(rèn)為管道內(nèi)的流體流量不隨時(shí)間變化，即渦輪以恒定的角速度ω旋轉(zhuǎn),這樣就有
那么渦輪的運(yùn)動(dòng)微分方程變?yōu)椋?
∑M=M-∑Mi=0，（2）
這里把∑M分成了兩部分,即驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)力矩M和阻礙渦輪旋轉(zhuǎn)的各種阻力矩∑Mi。通過(guò)分析計(jì)算,驅(qū)動(dòng)力矩為
式中:θ為葉片與軸線(xiàn)之間的夾角;r為渦輪平均半徑;A為管道流通面積;ρ為流體密度;ω為渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度;qv為通過(guò)管道的流量。
將式(3)代入(2)中得:
2渦輪流量計(jì)的特性分析
由式(5)和式(6)可見(jiàn):當(dāng)流體的粘度增大時(shí),渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度變小;當(dāng)流體密度變大時(shí),渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度也隨之增大。在流體速度較小(相當(dāng)于層流狀態(tài))時(shí),渦輪的頻率響應(yīng)非線(xiàn)性,且受流體性質(zhì)變化影響較大;當(dāng)流體速度較高(相當(dāng)于湍流狀態(tài))時(shí),式變小，渦輪響應(yīng)近似線(xiàn)性,儀器常數(shù)K基本上不受流體粘度變化影響。
渦輪啟動(dòng)時(shí),要克服較大的機(jī)械靜摩擦力,因此需要較大始動(dòng)流量。渦輪以--定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)以后,需要機(jī)械動(dòng)摩擦力和流體流動(dòng)阻力,轉(zhuǎn)動(dòng)閾值qVmin與p0.5成反比，流體密度越大，qVmin越小。這種情況對(duì)于密度變化小的液體來(lái)說(shuō)，影響不大，可視為常數(shù)。但對(duì)于多相流體來(lái)說(shuō),由于溫度、壓力和分相含率的變化，引起p變化,從而影響qVmin。
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
實(shí)驗(yàn)在以水和空氣為介質(zhì)的流動(dòng)模擬裝置中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)中在氣體流量固定的前提下，逐漸增大水的流量,測(cè)量渦輪的響應(yīng)值。增大氣體的流量,復(fù)上述操作,得到了下面的渦輪響應(yīng)圖版，其中流量為氣液的合流量。圖中氣體流量為零時(shí)，流體的密度最大,測(cè)得的響應(yīng)曲線(xiàn)各流量響應(yīng)值最大。由于氣流量增大時(shí)，測(cè)得流體密度和粘度都變小，由式(5)和式(6)推得渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度也隨之變小，所以隨著流體密度的減小，qVmin增大。
4結(jié)論
通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，我們可以得出如下的結(jié)論:1渦輪流量計(jì)在測(cè)量多相流的流量時(shí)，在總流量保持不.變的情況下，流體的密度發(fā)生變化也會(huì)引起渦輪轉(zhuǎn)速的很大變化。④渦輪流量計(jì)的始動(dòng)流量隨多相流體密度的增大而減小。
從以上得出的結(jié)論可知,渦輪流量計(jì)在測(cè)量多相流體的流量的時(shí)候,流體的密度是影響測(cè)量精度的主要因素。
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