利用渦輪流量計(jì)測(cè)量了油水兩相流動(dòng)時(shí)的混合速度，重點(diǎn)研究了油相粘度變化和流量計(jì)入口油水相含宰變化對(duì)測(cè)量精度的影響。實(shí)驗(yàn)采用了七種不同的油相粘度(50,160,225,400，700,1100,1450mPa:s),并在含油率0-100%范圍內(nèi)記錄了292組不同油水混合流量下的測(cè)量值.研究結(jié)果表明，當(dāng)油相粘度為低粘值50和160mPas時(shí)，渦輪流量計(jì)的測(cè)量誤差較小，且不受入口油相含率的影響，絕對(duì)誤差均在+5%以內(nèi).當(dāng)油相粘度大于225mPars時(shí)，隨著入口油相含率的增加，誤差逐漸增大。當(dāng)油相粘度進(jìn)一步提高到1100mPa's以上時(shí)，渦輪流量計(jì)在較低的入口油相含串下進(jìn)入非線性失效區(qū).此外，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還顯示，用渦輪流量計(jì)測(cè)t油水混合流速時(shí)，測(cè)量結(jié)果對(duì)油水兩相流流型不敏感..
1引言
隨著工業(yè)的快速發(fā)展，能源的需求量日益增加,陸上油氣資源日漸枯竭，促使各國(guó)轉(zhuǎn)向海洋石油的開(kāi)發(fā)。陸上油田輸油管路采用的傳統(tǒng)的計(jì)量技術(shù)并不完全適合在海洋平臺(tái)使用，因此促使工業(yè)界和學(xué)術(shù)界聯(lián)合開(kāi)發(fā)新型的結(jié)構(gòu)緊湊的多相流量計(jì)。從上個(gè)世紀(jì)80年代以來(lái)，石油工業(yè)界開(kāi)始關(guān)注油氣水混合物的計(jì)量，并投入了可觀的人力和物力來(lái)開(kāi)發(fā)適用于石油工業(yè)的多相流量計(jì).多相計(jì)量研究的困難來(lái)源于多相流動(dòng)過(guò)程本身的復(fù)雜性，相對(duì)于單相流可以直接地計(jì)算流速等參數(shù)，多相流模型的建立需要考慮的參數(shù)要復(fù)雜得多。一般來(lái)說(shuō)，理想的油氣水三相流量計(jì)應(yīng)該具有各相5%的計(jì)量精度，并要求非侵入性，可靠性，與流型無(wú)關(guān)性以及對(duì)于整個(gè)相含率范圍的適用性。雖然近年來(lái)提出了非常多的方案，但到目前為止還沒(méi)有一種商業(yè)化的流量計(jì)能完全達(dá)到這些標(biāo)準(zhǔn)"。
渦輪流量計(jì)是被工業(yè)界普遍采用的用于測(cè)量單相流動(dòng)的速度式流量?jī)x表。它以動(dòng)量守恒為基礎(chǔ)，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)速求出流量值。典型的液體渦輪流量計(jì)的特性曲線(如圖1所示)可以分成兩個(gè)主要的區(qū)域，即線性區(qū)和非線性區(qū)。渦輪流量計(jì)的有效工作區(qū)間主要包括其線性工作區(qū)間以及部分非線性區(qū)間。由于渦輪流量計(jì)在高溫、高壓等比較嚴(yán)酷的環(huán)境下，仍然具有較高精度以及穩(wěn)定性，同時(shí)，相對(duì)于其他流量計(jì)來(lái)說(shuō)，渦輪流量計(jì)有著較大的量程范圍，并具有對(duì)流動(dòng)瞬態(tài)變化后的快速反應(yīng)的特點(diǎn)2,因此，一些研究者嘗試應(yīng)用渦輪流量計(jì)來(lái)進(jìn)行兩相流量的測(cè)量研究。由于測(cè)量主要針對(duì)低黏度的油水兩相流，并且油相含率限定在一個(gè)非常有限的范圍內(nèi)，因此，對(duì)于全油相含率范圍內(nèi)的變化及高粘油相對(duì)于渦輪流量計(jì)測(cè)量造成的影響等，還有待進(jìn)一步的研究。
油水兩相流的流量計(jì)，設(shè)想采用Gammar射線獲得相含率，用渦輪流量計(jì)來(lái)獲得混合流速，結(jié)合二者結(jié)果得到各相流量.由于原油粘度分布變化很大,為了達(dá)到這個(gè)目的，就要獲知油相粘度變化對(duì)于渦輪流量計(jì)測(cè)量精度的影響，從而確定渦輪流量計(jì)的工作條件和工作范圍。同時(shí)，本實(shí)驗(yàn)還在低粘度條件下流型對(duì)于渦輪流量計(jì)的工作性能的影響。
2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
2.1實(shí)驗(yàn)裝置
本實(shí)驗(yàn)是在中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所的多相流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成的。圖2為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。油水分別由油箱和水箱供應(yīng)，經(jīng)過(guò)各自的流量計(jì)后，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)管線，混合液流經(jīng)實(shí)驗(yàn)段后被分離再循環(huán)使用。實(shí)驗(yàn)管線采用內(nèi)徑50mm的透明有機(jī)玻璃管，易于觀察油水兩相的流動(dòng)狀態(tài)，管線從入口到分離器總長(zhǎng)約35m。
實(shí)驗(yàn)管線入口流量計(jì)量，水相采用電磁流量計(jì)，油相采用腰輪流量計(jì)，油相和水相經(jīng)過(guò)試驗(yàn)管線后，用LWGY型渦輪流量計(jì)對(duì)其進(jìn)行混合流速的測(cè)量。LWGY型渦輪流量計(jì)公稱通徑為50mm,其測(cè)量流量范圍在4m'/h~40m'/h,在測(cè)量單相流體時(shí)，其精度可達(dá)0.25%。流型識(shí)別采用攝像機(jī)記錄每次實(shí)驗(yàn)條件下的流動(dòng)狀態(tài)，慢鏡頭回放觀察流型。為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，對(duì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)都在流量調(diào)整后的5min~8min分鐘流動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定后再采集數(shù)據(jù)和觀測(cè)流型。
2.2實(shí)驗(yàn)工質(zhì)及實(shí)驗(yàn)過(guò)程
實(shí)驗(yàn)水相為普通自來(lái)水，20℃時(shí)的粘度為1.005mPas,油相采用無(wú)色、透明的礦物油，俗稱白油，在常溫常壓(20C,0.101mPa)下，我們分別選用其粘度為50、160、225、400、700、1100和1450mPars,共七種樣品。同時(shí)，為便于實(shí)驗(yàn)時(shí)的流型觀察，在水中加入了高錳酸鉀(顏色劑)以便于識(shí)別。實(shí)驗(yàn)工質(zhì)溫度控制在19℃~21℃,在特定的粘度下，給定油相流量后,調(diào)整水相流量，觀察實(shí)驗(yàn)段的油水兩相流型，記錄入口處不同流型的油相和水相表觀流速和實(shí)驗(yàn)段的混合流速。表1給出了不同粘度下的實(shí)驗(yàn)數(shù)組。
3結(jié)果與討論
3.1油相粘度和入口含率的影響
首先固定油相粘度，用電磁流量計(jì)測(cè)量入口處水相流量Qw，用腰輪流量計(jì)測(cè)量入口處油相流量QO，分別得到入口處油相、水相的體積相含率βo和βw.即:
式中QM1為管道入口處的混合流量。
同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)管段用渦輪流量計(jì)測(cè)量?jī)上嗷旌狭髁?如圖2所示),Qm2，對(duì)比Qm1和Qm2,可以得到渦輪流量計(jì)的測(cè)量誤差(相對(duì)誤差):
圖3至圖9給出了在七種不同粘度下，渦輪流量計(jì)的測(cè)量誤差隨入口處油相含率的變化關(guān)系圖。以實(shí)際應(yīng)用中可以接受的誤差+5%作為其有效工作區(qū)間的判斷標(biāo)準(zhǔn)(在圖中，+5%的區(qū)間用虛線標(biāo)出)，并且在每個(gè)圖標(biāo)上，用一條豎直的虛線，作為有效工作區(qū)域的分界線。圖3給出了油相粘度為50mPa's時(shí)相對(duì)誤差隨入口處油相含率變化關(guān)系圖�？梢钥闯�，在整個(gè)油相含率的變化范圍內(nèi)，誤差可以控制在+5%以內(nèi)，只有個(gè)別的點(diǎn)超過(guò)了5%的范圍，因此可以認(rèn)為在油相粘度為50mPars時(shí)，渦輪流量計(jì)在任何油相含率下均處于有效工作區(qū)間。對(duì)于油相粘度為160mPa's的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果顯示(如圖4所示),隨著油相含率βo的增加，相對(duì)誤差有逐漸增大的趨勢(shì)，同時(shí)，絕對(duì)誤差值也由βo較小,時(shí)的正值，變?yōu)棣耾較大時(shí)的負(fù)值。但是大部分的入口油相含率βo的變化范圍內(nèi)，相對(duì)誤差在+5%以內(nèi)，這與黏度為50mPars時(shí)的情況大體--致.
當(dāng)油相粘度提高至225mPa·s時(shí)(圖5所示),觀察到了與圖4相似的曲線變化趨勢(shì)，不同的是:當(dāng)β。的小于70%時(shí)，相對(duì)誤差在5%以內(nèi)，渦輪流量計(jì)處于有效工作區(qū)間。然而，隨著β。的增加，誤差曲線下降的幅度增大，當(dāng)βo達(dá)到70%時(shí)，整體誤差超過(guò)了5%的界線，達(dá)到10%以上，此時(shí)，渦輪流量計(jì)超出了其有效工作區(qū)間，失效區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)。
圖6和圖7分別給出了油相粘度為400mPa·s和700mPa·s時(shí)相對(duì)誤差隨入口處油相含率的變化關(guān)系圖。可以看出，當(dāng)βo達(dá)到50%~60%時(shí)，誤差出現(xiàn)比較陡峭的下降，其整體誤差超過(guò)5%的界線，渦輪流量計(jì)超出了有效工作區(qū)，而且，隨著βo的增加，絕對(duì)誤差也由正值變成負(fù)值。
為了進(jìn)一步研究超粘油對(duì)于渦輪流量計(jì)測(cè)量精度的影響，我們分別測(cè)量了油相粘度為1100和1450mPars時(shí)渦輪流量計(jì)測(cè)量油水兩相流量時(shí)的工作特性。圖8和圖9給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出，當(dāng)βo僅為30%~40%左右時(shí)，誤差便開(kāi)始急劇下降。因此，對(duì)于超粘油來(lái)說(shuō)，渦輪流量計(jì)的僅能在低含油率的情況下工作，有效工作區(qū)的范圍非常狹窄。
從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，渦輪流量計(jì)的相對(duì)誤差隨著入口處油相含率βo的增加有逐漸增大的趨勢(shì)，并且渦輪流量計(jì)的有效工作區(qū)間也在逐漸的減少。對(duì)于油相粘度較大時(shí)的油水流動(dòng)來(lái)說(shuō)，測(cè)量誤差之所以隨著入口處油相含率的增加逐漸增大的原因是隨著入口處油相含率的增加，導(dǎo)致油水兩相流的實(shí)際黏度在逐漸的增大，進(jìn)而導(dǎo)致了渦輪流量計(jì)的有效工作區(qū)逐漸變窄。同時(shí)我們還可以看出，在其有效工作區(qū)域，在粘度較低時(shí)，其絕對(duì)誤差大都為正值，即測(cè)量值比真實(shí)值要大,而在黏度較大時(shí)，其絕對(duì)誤差大都為負(fù)值，即測(cè)量值要比真實(shí)值小。
3.2流型的影響
為了考察渦輪流量計(jì)計(jì)量精度與流型之間的關(guān)系，繪制了粘度為50mPa·s時(shí)的流型圖，并且與以前的學(xué)者得到的流型圖進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)中流型是觀察實(shí)驗(yàn)管段得到的，同時(shí)采用Lafin和Oglesby提出的方法來(lái)定義流型5)。在一定的混合流速和輸入油相含率下，在水平實(shí)驗(yàn)管段觀察到了四種流型，即:分層流(SW),雙連續(xù)流(DC),油含水(W/O)以及水含油(O/W)。圖10給出了實(shí)驗(yàn)中得到的流型圖，其中固定線為L(zhǎng)ovick和Angeli在2001年得到的流型圖.
對(duì)于兩個(gè)流型轉(zhuǎn)化邊界可以看出，本實(shí)驗(yàn)中得到的流型圖和Lovick和Angeli得到的流型圖具有很大的一致性。同時(shí)，結(jié)合粘度為50mPa·s時(shí)絕對(duì)誤差隨口處油相含率變化關(guān)系圖(如圖3所示),可以看出，每種流型下的誤差之間并沒(méi)有明顯的區(qū)別，因此可以認(rèn)為，渦輪流量計(jì)的工作性能對(duì)流型并不是很敏感。
4結(jié)論
應(yīng)用渦輪流量計(jì)測(cè)量了不同油相粘度下的油水兩相混合流量,研究了油相粘度和入口相含率對(duì)其工作性能的影響，得到了粘度為50，160，225,400，700，1100和1450mPa·s等七種不同粘度下，測(cè)量誤差隨入口處油相含率的變化曲線圖。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，黏度為50mPa·s和160mPa·s時(shí)，在0~-100%的入口油相含率變化范圍內(nèi)，相對(duì)誤差大都在±5%以內(nèi)，可認(rèn)為渦輪流量計(jì)工作在有效工作區(qū)。但當(dāng)粘度大于225mPa·s,隨著油相相含率的增加，誤差有逐漸增大的趨勢(shì)，渦輪流量計(jì)的線性工作區(qū)間縮窄，并隨著油相粘度的進(jìn)一步增加，達(dá)到1100mPars時(shí)，渦輪流量計(jì)在很低的油相含率下即進(jìn)入失效區(qū)，這表明油水的混合粘度是影響渦輪流量計(jì)線性工作區(qū)間的主要因素。
低粘度下不同流型時(shí)渦輪流量計(jì)的工作性能，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同流型下其誤差之間并沒(méi)有明顯的變化，因此，可以認(rèn)為其工作性能對(duì)流型不敏感。
渦輪流量計(jì)可以在低混合粘度下用于油水兩相流的流速測(cè)量,高混合粘度下渦輪流量計(jì)的線性工作區(qū)間縮窄，限制了其測(cè)速范圍，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)加以注意。
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