摘要(yào):爲了解決(jue)數量逐年(nián)增多的低(di)産井流量(liang)測量🥰問題(tí),設計了一(yi)種精度高(gao)渦輪流量(liàng)計 。通過理(li)論分析與(yǔ)數值仿真(zhēn)對 渦輪流(liú)量計 的三(san)維流場進(jìn)行了分析(xī),并優化出(chu)其最合理(lǐ)結構。利用(yong)實驗裝置(zhi)将精度高(gāo)渦輪流量(liàng)計與傳統(tǒng)渦輪流量(liang)計的響應(yīng)特性進行(hang)了對比,結(jie)果表明,精(jīng)度高渦輪(lun)流🧑🏾‍🤝‍🧑🏼量計在(zai)單相水介(jiè)質中，啓動(dòng)排量0.3m³/d,低于(yú)傳統渦輪(lún)流量計的(de)1.0m³/d,分辨率也(yě)有1.7倍✍️的提(tí)高,可見精(jing)度高♌渦輪(lun)流量計🏃🏻‍♂️在(zài)低流量測(cè)量中具有(you)良😍好的應(ying)用前景。
　　渦(wo)輪流量計(ji)以其結構(gòu)簡單、測量(liàng)精度高、重(zhòng)複性好☔而(er)廣泛應♻️用(yòng)于油田流(liu)量測量領(ling)域。在我國(guo),随着大✊部(bu)分油田進(jin)入開發中(zhong)後期,低産(chǎn)井數量逐(zhú)年增多。爲(wèi)了準确掌(zhang)握這些低(dī)産井的産(chan)量情🤩況，評(píng)估其可開(kai)采價值,需(xū)要準确測(cè)量其流量(liang)信息。衆所(suo)周知，隻有(you)流量大于(yú)⛱️啓動排量(liàng),渦輪流量(liàng)計才會給(gěi)出響應🌈,所(suǒ)以研發設(she)計出一種(zhong)啓動排量(liàng)低的精度(du)高渦輪流(liú)量計,無疑(yi)對于油田(tián)流量測量(liàng)具有重要(yao)的意義。自(zì)20世紀30年代(dai)渦輪流量(liang)計發明後(hòu),經過💁國内(nei)外無數科(ke)研工作者(zhě)的研究和(he)探索,其基(ji)本理論和(hé)相應的模(mo)型都已非(fei)常成熟。但(dan)是目前對(dui)于渦輪流(liu)量計的研(yan)究主要集(ji)✌️中在大流(liú)量條件下(xià)的使用,低(di)流量條件(jian)下的啓動(dong)和響應特(te)性研究較(jiao)少,難以滿(man)足實際🥰生(sheng)産中對于(yú)低流量條(tiao)件下渦輪(lún)流量計的(de)使用需求(qiu)。
　　利用目前(qian)流行的有(yǒu)限元計算(suan)軟件AN-SYS對渦(wō)輪流量計(jì)流場進行(hang)🍉仿🤞真計算(suan),設計出一(yi)種精度高(gāo)渦輪流量(liàng)計,通過室(shì)内實驗表(biao)明其啓動(dong)排量和分(fen)辨率與傳(chuan)統渦輪流(liu)量計相比(bǐ)都有了大(dà)幅度的提(tí)高。
1理論分(fèn)析①
　　渦輪流(liu)量計作爲(wèi)速度式儀(yi)表,以動量(liang)矩守恒爲(wei)基礎,渦輪(lún)☁️流量計基(jī)本力矩平(ping)衡方程爲(wei)[1]:
 
式中
Tb一軸(zhóu)與軸承的(de)粘性摩擦(cā)阻力矩(流(liú)動産生的(de)力矩💃🏻);
Td一渦(wo)輪流量計(jì)轉動的驅(qu)動力矩;
Th一(yi)輪毂表面(mian)的粘性阻(zu)力矩;
Tm一磁(ci)電阻力矩(ju)和軸與軸(zhou)承的機械(xie)摩擦阻力(lì)矩之和;
T1一(yī)葉片頂端(duan)與傳感器(qì)外殼的粘(zhan)性摩擦阻(zu)力矩;
Tw一輪(lun)毂端面粘(zhān)性摩擦阻(zǔ)力矩;
J一渦(wo)輪的轉動(dong)慣量;
ɷ-渦輪(lún)轉動的角(jiao)速度。
　　當流(liu)速較低時(shí),渦輪流量(liang)計處于靜(jing)止狀态,此(ci)時角速度(du)ɷ非常🚩低,接(jiē)近于0,Tb和Tw也(yě)可以忽略(luè)不計。在這(zhe)種情況下(xia)，式(1)可以簡(jian)⛷️化爲☀️:
 
　　由式(shi)(2)可以看出(chu)提高驅動(dong)力矩是降(jiang)低渦輪流(liú)量計啓動(dòng)🔴排量的一(yī)-條捷徑。如(ru)圖1所示，傳(chuan)統渦輪流(liú)量計入口(kǒu)端是直管(guǎn)段和🙇‍♀️軸向(xiang)導流片,流(liu)體流經渦(wō)輪葉片之(zhī)前隻有軸(zhóu)向速度,對(duì)渦輪🌈的驅(qu)動力矩隻(zhī)是對渦輪(lun)葉片㊙️作用(yòng)力的徑向(xiang)分力産生(shēng)的力‼️矩。因(yin)爲渦輪葉(ye)片螺旋🌍角(jiǎo)爲45°,如果将(jiāng)導流片改(gai)爲螺旋角(jiao)爲-45°的☀️螺旋(xuan)導流片(圖(tú)💃2),當流體進(jìn)入導流片(piàn)時會産生(sheng)旋轉,方向(xiang)與渦輪葉(yè)片正交,使(shǐ)得流體在(zài)軸向流動(dòng)速度不變(bian)的基礎上(shàng)增加了徑(jìng)向的旋轉(zhuan)運動💃,流體(ti)的旋⛱️轉方(fāng)向與渦輪(lún)葉片的轉(zhuǎn)動方向一(yi)緻,在相同(tong)流量條件(jian)下,增加了(le)流體對渦(wō)輪葉片的(de)驅動♊力,實(shi)現降低啓(qi)動排量和(he)提高分辨(bian)率的目的(de),整體結構(gòu)如圖3所示(shì)。
 
2仿真研究(jiū)
　　Workbench是ANSYS公司開(kāi)發的協同(tong)仿真環境(jìng),是将仿真(zhen)過程結合(hé)在☂️--起的平(píng)台☎️，可以大(da)大簡化仿(pang)真過程中(zhong)各模塊間(jiān)的交🐪互操(cao)作。通過幾(jǐ)何建模(圖(tú)4)、網格劃分(fen)、計算求解(jie)及後處理(li)等過程,可(ke)以比較準(zhun)确地仿真(zhen)複雜機械(xiè)模型的各(ge)物理參數(shù)🌏場分布[2-4]。
 
　　利(li)用Turbogid對計算(suan)域進行網(wǎng)格劃分,将(jiāng)其劃分爲(wei)約10萬個六(liu)面體網格(ge)👨‍❤️‍👨。人口、出口(kǒu)部分爲.靜(jing)止網格，,采(cǎi)用絕對參(cān)考系,葉片(piàn)部分爲動(dòng)網格,繞圓(yuán)心轉動,采(cǎi)用相對☂️參(cān)考系,參考(kao)系♌轉動速(su)度與網格(ge)轉速相同(tóng)。網格劃🏒分(fèn)情況如圖(tu)5所示。
 
　　如圖(tú)6~8所示,流體(tǐ)流經渦輪(lún)流量計之(zhi)前,壓力較(jiao)高,速度較(jiao)低，經過導(dǎo)流片時産(chǎn)生旋轉,速(su)度得到提(tí)升,壓力降(jiàng)低。當通過(guò)導流片後(hou),壓力、速度(dù)基本不變(bian),依然保持(chí)旋轉狀态(tài)🔞,遇到渦🚩輪(lun)葉片阻擋(dang)後,流速降(jiang)低,壓力進(jin)一-步減小(xiao)，流體⭐所攜(xie)帶的能量(liàng)傳遞給渦(wō)輪葉片,對(dui)渦輪葉片(pian)産生較大(da)的驅動力(lì)矩,推動其(qí)轉動。
 
　　爲了(le)得到導流(liú)片螺旋角(jiao)與渦輪葉(ye)片螺旋角(jiǎo)的匹配,利(lì)用ANSYS軟🏃件對(dui)不同角度(du)導流片的(de)驅動力矩(ju)進行計算(suàn)，其中管道(dao)直徑爲14mm,渦(wō)輪葉片直(zhi)徑爲13.5mm,重疊(die)度爲1.64,葉片(piàn)螺旋角爲(wei)🙇‍♀️45°,導流片螺(luó)旋角🚩分别(bie)設⁉️爲-35°、-45°和-55°,來(lái)流條件分(fèn)别設爲0.1、0.2、0.3、0.4m'/d。由(you)于速度較(jiao)低,采用層(céng)流模🧡型,各(ge)不同🛀🏻工況(kuàng)條件下渦(wo)輪葉片受(shou)到的驅動(dong)力矩情況(kuang)如圖9所示(shi)。導流片螺(luó)旋角爲-45°時(shi)渦輪葉片(piàn)受力更大(dà),更容易啓(qǐ)動。此♈時渦(wo)輪葉片螺(luo)旋角與導(dǎo)流片螺旋(xuán)角恰好成(chéng)90°,可充分利(li)用流體動(dòng)量使渦輪(lun)葉片更易(yì)啓動,模拟(nǐ)結果與上(shang)述理論🈲分(fen)析相符。
 
3實(shi)驗研究
　　通(tong)過搭建實(shí)驗平台(圖(tu)10)對計算結(jié)果進行驗(yàn)證。實驗平(ping)台應具備(bei)👄以下兩個(ge)功能:在低(dī)流量下能(néng)夠非常🔆平(ping)穩的運行(háng);具備精确(que)測量流量(liàng)的功能。
　　該(gāi)平台以單(dān)相水流爲(wei)介質,循環(huán)流動通過(guo)水泵實現(xian);流💋量的精(jing)确控制主(zhu)要通過固(gù)定上遊水(shuǐ)位和調節(jiē)閥來實💃🏻現(xian),流🧑🏾‍🤝‍🧑🏼量的測(cè)量采用簡(jian)便可靠的(de)容積時間(jian)法。
 
　　實驗平(ping)台中上方(fāng)爲穩壓水(shuǐ)箱,提供-一(yī)個穩定的(de)壓🏃‍♂️力🙇🏻源🤞,在(zai)🤟管道内阻(zu)力不變的(de)情況下,保(bao)證管道内(nei)流速不會(hui)發🈲生變化(huà),經過2m長的(de)下降段,流(liu)人渦輪流(liu)量計,随後(hou)流出實🔱驗(yan)管道,通過(guo)量✌️筒計量(liàng)可以精确(que)得到管路(lù)内的流速(sù)。通過高速(sù)攝影可以(yǐ)清晰的觀(guan)察低速條(tiao)件下渦輪(lún)流量計的(de)響應情況(kuang)🔞。
　　爲了驗證(zheng)精度高渦(wo)輪流量計(ji)的響應情(qing)況,實驗将(jiang)精🌏度高渦(wo)輪流量計(ji)與傳統渦(wō)輪流量計(ji)在相同條(tiao)件下進行(hang)對比🏃‍♂️。
　　實驗(yàn)介，質爲單(dān)相水,流量(liang)範圍0~20m³/d,通過(guò)調節不同(tóng)的流量點(dian)來記🐪錄輸(shu)出頻率,流(liú)量點誤差(chà)優于1%,每次(cì)測量時間(jian)爲60s,采樣間(jiān)隔爲5ms,每點(dian)㊙️測量3次取(qu)平均值,測(cè)量數據見(jian)表1。
 
4結論
4.1理(li)論研究與(yu)數值仿真(zhēn)确定了精(jīng)度高渦輪(lun)流量計的(de)合理結構(gòu)💋,即導流片(piàn)螺旋角爲(wèi)-45°與渦輪葉(yè)片正交時(shí),同🔆樣來流(liú)條件下🐉驅(qu)動👨‍❤️‍👨力矩大(dà)。
4.2.在單相水(shui)條件下,高(gao)靈敏渦輪(lun)流量計啓(qǐ)動排量0.3m³/d,遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)渦輪流量(liàng)計的1.0m³/d,分辨(biàn)率也有1.7倍(bei)的提高,可(kě)🌈以解決部(bù)🔴分單井産(chan)量低于1.0m³/d的(de)低産井的(de)流量測量(liàng)😘問題。
4.3該流(liu)量計結構(gòu)簡單、調試(shi)方便、不改(gai)變現有儀(yi)器結‼️構,易(yi)于🔴規模推(tui)廣應用。

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