利用渦輪流量計(ji) 測量了油水兩相(xiàng)流動時的混合速(sù)度，重點研究了油(you)相粘度變化和流(liú)量計入口油水相(xiàng)含宰變化對測量(liàng)精度的影響。實驗(yàn)采用了七種不同(tóng)的油相粘度(50,160,225,400，700,1100,1450mPa:s),并在(zài)含油率0-100%範圍内記(ji)錄了292組不同油水(shui)混合流✍️量下的測(ce)量值.研究💁結果表(biǎo)明，當油相粘度爲(wèi)低粘📐值50和160mPas時，渦輪(lun)流量計的測量誤(wu)差較小，且不受入(rù)口油相含率的影(ying)響，絕對誤差均在(zài)+5%以内.當油相粘度(dù)大于225mPars時，随着入口(kǒu)油相含🔴率的增加(jiā)，誤差逐漸增大🆚。當(dāng)油相粘度進一步(bu)📱提高到1100mPa's以上時，渦(wō)輪流量計在❓較低(di)的入♉口油相含串(chuàn)下進入非線性失(shi)效區.此外，實驗數(shu)據還顯示🔞，用渦輪(lún)流量計測t油水混(hun)合流速時，測量結(jie)果對油水兩相流(liú)流型不敏感..
1引言(yan)
　　随着工業的快速(sù)發展，能源的需求(qiu)量日益增加,陸💯上(shang)油氣資源日漸枯(kū)竭，促使各國轉向(xiàng)海洋石油的開發(fā)。陸上油田輸油管(guǎn)路🌏采用的傳統的(de)計量技術并不完(wan)全适合在海洋平(ping)台使用，因此促使(shǐ)工業界和學術界(jiè)聯合開發新型的(de)結構緊湊的多相(xiàng)流量🐅計。從上個世(shi)紀80年代以來，石油(you)工業界開始關注(zhu)油👈氣水混合物的(de)計量，并投入了🔆可(ke)觀的人力和物力(li)來開發适用于石(shí)油工業的多相流(liú)量計.多相計量研(yán)究的困難來源于(yu)多相流動過程本(běn)身❤️的複雜性💞，相對(duì)于單相流可以直(zhi)接地計算流速等(děng)參數，多相流模型(xing)的建立需要考慮(lǜ)的參數要複雜得(dé)多。一般🔞來說，理想(xiǎng)的油氣水三相流(liú)量計應該具有各(gè)相5%的計量精度，并(bìng)要求非侵入性，可(kě)靠性，與流型無關(guan)性以及對于☂️整個(ge)相含率範圍的适(shì)用性❄️。雖然近年來(lai)提出了非常多的(de)方案，但到目前爲(wèi)止還沒有一種商(shang)業化的流量計能(neng)完全達到這些标(biāo)準"。
　　渦輪流量計是(shi)被工業界普遍采(cǎi)用的用于測量單(dan)相流動💜的速度式(shì)流量儀表。它以動(dòng)量守恒爲基礎，流(liu)體沖擊渦輪葉片(piàn)，使渦輪旋轉。渦輪(lún)的旋轉速度随流(liú)量的變化而變化(hua)，最後從🚶渦輪的轉(zhuǎn)速求出流量值。典(dian)型的液體渦輪流(liú)量計的特性曲線(xian)(如圖1所🈚示)可以分(fèn)成兩個主要的🔅區(qu)域，即線性區和非(fei)線性區。渦輪流量(liang)計的有效工作區(qū)間主要包括其線(xiàn)性工作區間💚以及(jí)部分非線性區間(jiān)。由于渦輪流量計(ji)㊙️在高溫、高壓等比(bi)較嚴酷的環境下(xia)，仍然具有較高精(jīng)度以及穩定性，同(tóng)時，相對于其他流(liu)量計來說，渦輪流(liú)量計有着較大的(de)量程範圍，并具有(you)對流動瞬态變化(hua)後的快速反應的(de)特☔點2,因此，一些研(yán)究者嘗試應用渦(wo)輪流量計來進🈚行(hang)兩⭐相流量的測量(liang)研究。由于測量主(zhu)要針對低黏度的(de)油水兩💃相流，并且(qie)油相含率限定在(zài)㊙️一個非常有限的(de)範💋圍内，因此，對于(yu)♈全油相含率範圍(wei)内的變化及高粘(zhān)油相對于渦輪流(liu)量計測量造成的(de)影響等，還有待進(jin)一步的研究。
 
　　油水兩相流(liú)的流量計，設想采(cai)用Gammar射線獲得相含(hán)率，用渦輪流🎯量計(ji)來獲得混合流速(sù)，結合二者結果得(de)到各相流量.由于(yu)原油粘度分布變(bian)化很大,爲了達到(dao)這個目的，就要獲(huo)知油相粘度變化(huà)對于渦輪流量計(jì)測量精度的影響(xiǎng)，從而确定渦輪流(liú)🈲量計的工🔱作條件(jiàn)和工作範圍。同時(shi)，本實驗還在🌏低粘(zhan)度條件🈲下流型對(dui)于渦🌈輪流量計的(de)工作性能的影響(xiang)。
2實驗系統
2.1實驗裝(zhuang)置
　　本實驗是在中(zhong)國科學院力學研(yán)究所的多相流實(shí)驗平台上完成的(de)。圖2爲實驗裝置示(shi)意圖。油水分别🈲由(yóu)油箱和水箱供應(ying)🌈，經過各自的流量(liàng)計後，進入實驗管(guǎn)線，混合液流經實(shí)驗段後被分離再(zài)循環使用。實驗管(guǎn)線采用内徑50mm的透(tou)明有機玻璃管💃🏻，易(yì)于觀察🆚油水兩相(xiang)的流動狀态，管線(xian)從入口到分離器(qì)總長約35m。
　　實驗管線(xiàn)入口流量計量，水(shuǐ)相采用電磁流量(liàng)計，油相采用腰輪(lún)流量計，油相和水(shui)相經過試驗管線(xian)後，用LWGY型渦輪流量(liàng)⛹🏻‍♀️計對其進行混合(he)流速的測量。LWGY型渦(wo)輪流量計公稱💜通(tong)徑爲50mm,其測量流量(liang)範圍在4m'/h~40m'/h,在測量單(dan)相流體時，其精度(dù)❗可達0.25%。流型識别采(cai)用攝像機記錄每(měi)次實驗條件下的(de)流動狀态，慢鏡頭(tou)回放觀察流型。爲(wèi)保證實驗數據的(de)可靠🏃性，對每個測(ce)量點都㊙️在流量調(diào)整後的5min~8min分鍾流動(dong)相對穩定後再采(cǎi)集數據💚和觀測流(liu)型。
 
2.2實驗工質及實(shí)驗過程
　　實驗水相(xiàng)爲普通自來水，20℃時(shí)的粘度爲1.005mPas,油相采(cǎi)用無色、透🌈明的礦(kuàng)物油，俗稱白油，在(zai)常溫常壓(20C,0.101mPa)下，我們(men)分🌈别選用其粘度(du)爲50、160、225、400、700、1100和1450mPars,共七種樣品(pin)。同時，爲便于實驗(yàn)時的流型觀察，在(zai)水中加入了高錳(měng)酸鉀(顔色劑)以便(bian)于識别。實驗工質(zhì)溫度控制🌈在19℃~21℃,在特(tè)定的粘度下，給定(dìng)油相流量後,調整(zhěng)水相流量，觀察實(shi)驗段的油🍉水兩相(xiang)流型，記錄入口處(chù)不同流型的油相(xiang)和🈲水相表觀流速(sù)和實驗🙇‍♀️段的混合(he)流速。表1給出了不(bú)同粘度下的實驗(yan)數組。
 
3結果與讨論(lun)
3.1油相粘度和入口(kou)含率的影響
　　首先(xiān)固定油相粘度，用(yòng)電磁流量計測量(liàng)入口處水☎️相流量(liàng)Qw，用腰🍉輪流量計測(cè)量入口處油相流(liu)量QO，分别得到🛀入口(kǒu)處油相、水相的體(tǐ)積相含率βo和βw.即:
 
式(shì)中QM1爲管道入口處(chù)的混合流量。
　　同時(shí)，在實驗管段用渦(wo)輪流量計測量兩(liang)相混合流量(如圖(tú)2所示),Qm2，對比Qm1和Qm2,可以(yǐ)得到渦輪流量計(jì)的測量誤差(相對(dui)誤差):
 
　　圖3至圖9給出(chū)了在七種不同粘(zhan)度下，渦輪流量計(jì)的測量誤⚽差🔱随入(rù)口處油相含率的(de)變化關系圖。以實(shí)㊙️際應用中可以接(jie)受的誤差+5%作爲其(qi)有效工作區間💚的(de)判斷标準(在圖中(zhōng)，+5%的區間用虛線标(biao)出)，并且在每💘個圖(tu)标上，用一條豎直(zhi)的虛線，作爲有效(xiào)工作區域💚的分界(jie)線。圖3給出了油相(xiang)粘度爲50mPa's時相對誤(wu)差随入口處油相(xiàng)含率變化關系圖(tu)。可以看出，在整個(ge)油相含率的變化(huà)範圍内，誤差可以(yi)控制在+5%以内，隻有(you)個别🧑🏽‍🤝‍🧑🏻的點超過了(le)5%的範圍，因此可以(yi)認爲在油相粘度(dù)♋爲50mPars時，渦輪流量計(ji)在任♈何油相含率(lǜ)下均處于🌈有效❓工(gong)作區間。對于油♊相(xiang)粘度爲160mPa's的實驗研(yán)究結果顯示(如圖(tu)4所示),随着油相含(han)率βo的增加，相對誤(wù)差有逐漸增大的(de)趨勢，同時，絕對誤(wu)差值也由βo較小,時(shi)的正值，變爲βo較大(da)☀️時的負值。但是大(dà)部分的入口油相(xiang)含率βo的變化範圍(wei)内，相對誤差在+5%以(yǐ)内，這與黏度爲50mPars時(shí)的情況大體--緻.
 
　　當(dang)油相粘度提高至(zhi)225mPa·s時(圖5所示),觀察到(dào)了與圖4相似的曲(qǔ)🈲線變化趨勢，不同(tóng)的是:當β。的小于70%時(shí)，相對誤差在5%以内(nèi)，渦輪流🌈量計處于(yu)有效工作區間。然(ran)而，随着β。的增加，誤(wù)差曲線下降的幅(fú)度增大，當🧑🏽‍🤝‍🧑🏻βo達到70%時(shí)，整體✨誤差超過了(le)5%的界線，達到10%以上(shàng)，此時，渦輪🥰流量計(jì)超出了其有效工(gōng)作區間，失效區開(kāi)始出🧑🏽‍🤝‍🧑🏻現。
 
　　圖6和圖7分(fen)别給出了油相粘(zhan)度爲400mPa·s和700mPa·s時相對誤(wù)差随入口處🏃油相(xiàng)含率的變化關系(xì)圖。可以看出，當βo達(da)到50%~60%時，誤🌈差出現比(bǐ)🙇‍♀️較陡峭的🤟下降，其(qi)整體誤差超過5%的(de)界線，渦輪流量計(jì)超出了有效工作(zuo)區✌️，而且，随着βo的增(zēng)加，絕對誤差也由(you)正值變成負值。
 
　　爲(wèi)了進一步研究超(chao)粘油對于渦輪流(liú)量計測量精度🙇‍♀️的(de)影響，我❗們分别測(ce)量了油相粘度爲(wèi)1100和1450mPars時渦輪流量計(jì)測量油水兩相流(liu)量時的工作特性(xìng)。圖8和圖9給出了實(shi)驗結果，可以看出(chu)，當βo僅爲30%~40%左♊右時，誤(wu)差便開始急劇下(xià)降。因此，對于超粘(zhan)油來說，渦輪流量(liàng)計🏃🏻‍♂️的僅能在低含(hán)油率的情況下工(gong)作，有🙇🏻效工作區的(de)範圍非常狹💋窄。
 
　　從(cóng)上述實驗結果可(ke)以看出，渦輪流量(liang)計的相對誤差随(suí)着入口❓處油相含(han)率βo的增加有逐漸(jian)增大的趨勢，并且(qiě)渦輪流量計的有(yǒu)效工作區間也在(zài)逐漸的減少。對于(yú)油相粘度較🔆大時(shí)的油水流動來說(shuo)，測量誤差之所以(yǐ)随着入口處油相(xiàng)含率的增加逐漸(jian)增🌐大的原因是随(suí)着入口處油相含(han)率的👨‍❤️‍👨增加，導緻油(you)❗水兩相流的實際(ji)黏度在逐漸的增(zeng)大，進而導緻了☀️渦(wo)輪流量計的有效(xiào)工作區逐漸變窄(zhai)。同時我們還可以(yi)看出，在其有效工(gōng)作區域，在粘度較(jiào)低時，其絕🏃🏻對誤差(chà)大都爲正值，即測(ce)量值比真實值要(yào)大,而在黏度較大(da)時，其絕對誤差大(dà)都爲負值，即🌈測量(liàng)值要🍉比真實值小(xiǎo)🌈。
3.2流型的影響
　　爲了(le)考察渦輪流量計(jì)計量精度與流型(xing)之間的關✊系，繪制(zhì)了❗粘度爲50mPa·s時的流(liu)型圖，并且與以前(qian)的學者得到的流(liu)型圖進行了比♈較(jiao)。實驗中流型是觀(guan)察實❤️驗管段💃🏻得到(dao)的，同時采用Lafin和Oglesby提(ti)出的方法來定義(yì)流型5)。在一定的混(hùn)合流速和輸入油(you)相含率🍉下，在水平(píng)實驗管段觀察到(dào)了四種流型，即:分(fèn)層流(SW),雙連續流㊙️(DC),油(you)含水(W/O)以及水含油(yóu)(O/W)。圖10給出了實驗中(zhōng)得到的❌流型圖，其(qi)中固定線爲Lovick和Angeli在(zai)2001年得到的流💃型圖(tu).
　　對于兩個流型轉(zhuan)化邊界可以看出(chū)，本實驗中得到的(de)💃流💜型圖👄和🌍Lovick和Angeli得到(dào)的流型圖具有很(hěn)大的一緻性。同時(shi)，結合粘度😍爲50mPa·s時絕(jue)對🐆誤差随口處油(you)相含率變化關系(xi)圖(如圖3所示),可以(yi)看出，每種流⭐型下(xià)的誤差之間并沒(méi)🔴有明顯的區别，因(yin)此可以認爲，渦輪(lun)流量🐕計的工作性(xìng)能對流型并不是(shi)很敏感。
 
4結論
　　應用(yòng)渦輪流量計測量(liang)了不同油相粘度(dù)下的油水兩相混(hun)合流量,研究了油(yóu)相粘度和入口相(xiang)含率對其工作性(xìng)能的影響🤞，得到了(le)粘度爲50，160，225,400，700，1100和1450mPa·s等七種(zhong)不同粘度下，測量(liang)誤差随入口處油(you)相含率的變化曲(qu)線🙇‍♀️圖。通過實驗發(fa)現，黏⛱️度爲50mPa·s和160mPa·s時，在(zai)0~-100%的入口油相含率(lǜ)變化範圍内☂️，相對(duì)誤差大都在±5%以内(nèi)，可認爲渦輪流量(liàng)計工作在🐪有效工(gōng)作區。但當粘度大(da)于225mPa·s,随着油相相含(han)率的增加，誤差有(yǒu)逐漸增大的趨勢(shi)，渦輪流量計的線(xiàn)性工作區間🔴縮窄(zhai)，并随着油相♍粘度(du)的進一步增加，達(dá)🈲到1100mPars時，渦輪流量計(ji)在很低的油相含(hán)率下即進入失效(xiao)區，這表明油水的(de)混合粘度是影響(xiang)渦輪流量計線性(xing)工作區間的主要(yao)因素。
　　低粘度下不(bú)同流型時渦輪流(liu)量計的工作性能(neng)，通過實驗🐅發現，不(bú)同流型下其誤差(chà)之間并沒有明顯(xiǎn)的變✌️化，因此，可💃🏻以(yǐ)認爲其工作性能(neng)對流型不敏感。
　　渦(wo)輪流量計可以在(zai)低混合粘度下用(yong)于油水兩相流的(de)流速測量,高混合(hé)粘度下渦輪流量(liàng)計的線性工作區(qu)間✏️縮窄，限制了其(qí)測速範圍，在實際(jì)應用時應加以注(zhù)意。

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