摘要:爲(wei)了解決數(shu)量逐年增(zeng)多的低産(chan)井流量測(ce)量🏃🏻問🏃🏻‍♂️題,設(she)計了一種(zhong)精度高渦(wo)輪流量計(ji) 。通過理論(lun)分析與數(shu)值仿真對(dui) 渦輪流量(liang)計 的三維(wei)流場進行(hang)了分析,并(bing)優化出其(qi)最合理結(jie)構。利用實(shi)💜驗裝置将(jiang)精度高渦(wo)輪流量計(ji)與傳統渦(wo)輪流量計(ji)的響應特(te)性進行🔱了(le)對比,結果(guo)表明,精度(du)高渦輪流(liu)量計在單(dan)相水介質(zhi)中，啓動排(pai)量0.3m³/d,低于傳(chuan)統渦輪流(liu)量計的1.0m³/d,分(fen)辨率也有(you)1.7倍的提高(gao),可見精度(du)高渦輪流(liu)量計在低(di)流量測量(liang)中具有良(liang)好的應用(yong)前景。
　　渦輪(lun)流量計以(yi)其結構簡(jian)單、測量精(jing)度高、重複(fu)性好而廣(guang)♈泛應用于(yu)油田流量(liang)測量領域(yu)。在我國,随(sui)着大部分(fen)💛油田進入(ru)開發中後(hou)期,低産井(jing)數量逐年(nian)增多。爲了(le)準确掌握(wo)這些低産(chan)井的産量(liang)情況，評估(gu)其可開采(cai)價值,需要(yao)準确🈲測量(liang)其流量信(xin)息。衆所周(zhou)知，隻有流(liu)量大于啓(qi)動排量,渦(wo)輪流量計(ji)才🎯會給出(chu)響應,所以(yi)研發設計(ji)出一種啓(qi)動排🙇‍♀️量低(di)的精度高(gao)渦輪流量(liang)計,無疑對(dui)于油田流(liu)量測量具(ju)有重要的(de)意義。自20世(shi)紀30年代渦(wo)輪流💘量計(ji)發明後,經(jing)過國内外(wai)無數科研(yan)工作者的(de)研究和😘探(tan)索,其基本(ben)理論和相(xiang)應的模型(xing)都已非常(chang)成熟。但是(shi)目前對于(yu)渦輪流量(liang)計的研究(jiu)主要集🚶中(zhong)在大流量(liang)條件下的(de)使用,低流(liu)量條件下(xia)的啓動和(he)響應特性(xing)研究較少(shao),難以滿足(zu)實際生産(chan)中對♍于低(di)流量條件(jian)下渦輪流(liu)量計👉的使(shi)用需求。
　　利(li)用目前流(liu)行的有限(xian)元計算軟(ruan)件AN-SYS對渦輪(lun)流量計流(liu)場進行🆚仿(pang)真計算,設(she)計出一種(zhong)精度高渦(wo)輪流量計(ji),通🌈過室内(nei)實驗表明(ming)其啓動排(pai)量和分辨(bian)率與傳統(tong)渦輪🚶‍♀️流量(liang)計相比都(dou)有了大幅(fu)度的提高(gao)。
1理論分析(xi)①
　　渦輪流量(liang)計作爲速(su)度式儀表(biao),以動量矩(ju)守恒爲基(ji)礎,渦輪流(liu)量計基本(ben)力矩平衡(heng)方程爲[1]:
 
式(shi)中
Tb一軸與(yu)軸承的粘(zhan)性摩擦阻(zu)力矩(流動(dong)産生的力(li)矩📐);
Td一渦輪(lun)流量計轉(zhuan)動的驅動(dong)力矩;
Th一輪(lun)毂表面的(de)粘性阻力(li)矩;
Tm一磁電(dian)阻力矩和(he)軸與軸承(cheng)的機械摩(mo)擦阻力矩(ju)之和;
T1一葉(ye)片頂端與(yu)傳感器外(wai)殼的粘性(xing)摩擦阻力(li)矩;
Tw一輪毂(gu)端面粘性(xing)摩擦阻力(li)矩;
J一渦輪(lun)的轉動慣(guan)量;
ɷ-渦輪轉(zhuan)動的角速(su)度。
　　當流速(su)較低時,渦(wo)輪流量計(ji)處于靜止(zhi)狀态,此時(shi)角🌈速度ɷ非(fei)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻常低,接近(jin)于0,Tb和Tw也可(ke)以忽略不(bu)計。在這種(zhong)情況下，式(shi)(1)可以簡化(hua)爲:
 
　　由式(2)可(ke)以看出提(ti)高驅動力(li)矩是降低(di)渦輪流量(liang)計❄️啓動排(pai)量的一-條(tiao)捷徑。如圖(tu)1所示，傳統(tong)渦輪流量(liang)計🏃🏻‍♂️入口✉️端(duan)是直管段(duan)和🌈軸向導(dao)流片,流體(ti)流經渦輪(lun)葉片之前(qian)☂️隻有軸向(xiang)速度,對渦(wo)輪😄的驅動(dong)力矩隻是(shi)對渦輪葉(ye)片❤️作用力(li)的徑向分(fen)力産生的(de)力矩。因爲(wei)渦輪葉片(pian)螺旋🛀角爲(wei)45°,如果将導(dao)流片改爲(wei)螺旋角爲(wei)-45°的螺旋導(dao)流片👄(圖2),當(dang)流體進入(ru)導🛀流片時(shi)會産生旋(xuan)轉,方向與(yu)渦輪葉片(pian)正交,使得(de)流體在軸(zhou)向流動速(su)度不變的(de)基礎上增(zeng)加了徑向(xiang)的旋轉運(yun)動,流體的(de)旋轉方向(xiang)與渦輪葉(ye)片的🌂轉動(dong)方向一緻(zhi),在相同流(liu)量條件下(xia),增加了流(liu)體對渦輪(lun)葉片的驅(qu)動力,實現(xian)降低啓動(dong)排量和提(ti)高分辨率(lü)🙇‍♀️的目的,整(zheng)體結構如(ru)圖🏃🏻3所示。
 
2仿(pang)真研究
　　Workbench是(shi)ANSYS公司開發(fa)的協同仿(pang)真環境,是(shi)将仿真過(guo)程結合🔱在(zai)--起的平台(tai)🍉，可以大大(da)簡化仿真(zhen)過程中各(ge)模塊間的(de)交互操作(zuo)。通過幾何(he)建模(圖4)、網(wang)格劃分、計(ji)算求解💔及(ji)後處🌈理等(deng)過程,可以(yi)比較準确(que)地仿真複(fu)雜機械模(mo)型的各☁️物(wu)理參數場(chang)分布[2-4]。
 
　　利用(yong)Turbogid對計算域(yu)進行網格(ge)劃分,将其(qi)劃分爲約(yue)10萬個六面(mian)體網🌈格。人(ren)口、出口部(bu)分爲.靜止(zhi)網格，,采用(yong)絕對參考(kao)系,葉片部(bu)分爲動網(wang)格,繞圓心(xin)轉動,采用(yong)相對參考(kao)系🌈,參考系(xi)👣轉動速度(du)與網格轉(zhuan)速🎯相同。網(wang)格劃分情(qing)況如圖5所(suo)示。
 
　　如圖6~8所(suo)示,流體流(liu)經渦輪流(liu)量計之前(qian),壓力較高(gao),速🔅度較低(di)，經過導流(liu)片時産生(sheng)旋轉,速度(du)得到提升(sheng),壓力降低(di)。當🌈通過導(dao)流片後,壓(ya)力、速度基(ji)本不變,依(yi)然保持旋(xuan)轉狀态,遇(yu)到渦輪葉(ye)片阻擋後(hou),流速降低(di),壓力進一(yi)-步減小，流(liu)體🈲所攜帶(dai)的⛱️能量傳(chuan)遞⛱️給渦輪(lun)葉片,對渦(wo)輪葉🔞片産(chan)生較大⛷️的(de)驅動力矩(ju),推動其轉(zhuan)動。
 
　　爲了得(de)到導流片(pian)螺旋角與(yu)渦輪葉片(pian)螺旋角的(de)匹配,利🔞用(yong)🔅ANSYS軟件對不(bu)同角度導(dao)流片的驅(qu)動力矩進(jin)行計算，其(qi)中管道直(zhi)徑爲14mm,渦🤞輪(lun)葉片直徑(jing)爲13.5mm,重疊度(du)爲1.64,葉片螺(luo)旋角爲45°,導(dao)流片❗螺旋(xuan)角分别設(she)爲-35°、-45°和-55°,來流(liu)條件分别(bie)設爲0.1、0.2、0.3、0.4m'/d。由于(yu)速度較低(di),采💘用層流(liu)模🧡型,各不(bu)同工況條(tiao)件下渦輪(lun)葉片受到(dao)的驅動力(li)矩情況如(ru)圖9所示。導(dao)流片螺⭐旋(xuan)角爲-45°時渦(wo)輪葉片受(shou)力更大👅,更(geng)容易啓動(dong)。此時渦輪(lun)♻️葉片螺旋(xuan)角與導流(liu)片螺旋角(jiao)恰好成90°,可(ke)充分利用(yong)流💁體動量(liang)使渦輪葉(ye)片更易啓(qi)動,模拟結(jie)果與上述(shu)理論㊙️分析(xi)相符。
 
3實驗(yan)研究
　　通過(guo)搭建實驗(yan)平台(圖10)對(dui)計算結果(guo)進行驗證(zheng)。實驗平台(tai)💁應具備🚶以(yi)下兩個功(gong)能:在低流(liu)量下能夠(gou)非常平穩(wen)的運行;具(ju)備精确測(ce)量流量的(de)功能。
　　該平(ping)台以單相(xiang)水流爲介(jie)質,循環流(liu)動通過水(shui)泵實現🔴;流(liu)量的精确(que)控制主要(yao)通過固定(ding)上遊水位(wei)和調節閥(fa)來實現,流(liu)🧡量的測量(liang)采用簡便(bian)可靠的容(rong)積時間法(fa)。
 
　　實驗平台(tai)中上方爲(wei)穩壓水箱(xiang),提供-一個(ge)穩定的壓(ya)力源👈,在🔴管(guan)📐道内阻力(li)不變的情(qing)況下,保證(zheng)管道内流(liu)速不會發(fa)生變化,經(jing)過2m長的下(xia)降段,流人(ren)渦輪流量(liang)計,随後流(liu)出實驗管(guan)道⁉️,通過量(liang)筒計量🈲可(ke)以精确得(de)到管路内(nei)的流速。通(tong)過高速攝(she)影可以清(qing)晰的觀察(cha)低速條件(jian)下渦輪流(liu)量計的響(xiang)應情況☔。
　　爲(wei)了驗證精(jing)度高渦輪(lun)流量計的(de)響應情況(kuang),實驗将精(jing)度高渦輪(lun)流量計與(yu)傳統渦輪(lun)流量計在(zai)相同條件(jian)下進行對(dui)比。
　　實驗介(jie)，質爲單相(xiang)水,流量範(fan)圍0~20m³/d,通過調(diao)節不同的(de)流量點來(lai)記錄輸出(chu)頻率,流量(liang)點誤差優(you)于1%,每次測(ce)量時間爲(wei)60s,采樣間🙇‍♀️隔(ge)爲㊙️5ms,每點測(ce)量3次取平(ping)均值,測量(liang)數據見表(biao)1。
 
4結論
4.1理論(lun)研究與數(shu)值仿真确(que)定了精度(du)高渦輪流(liu)量計的合(he)理結構,即(ji)導流片螺(luo)旋角爲-45°與(yu)渦輪葉片(pian)正交🎯時,同(tong)✉️樣來流條(tiao)件下🧑🏽‍🤝‍🧑🏻驅動(dong)🔞力矩大。
4.2.在(zai)單相水條(tiao)件下,高靈(ling)敏渦輪流(liu)量計啓動(dong)排量0.3m³/d,遠低(di)于傳統渦(wo)輪流量計(ji)的1.0m³/d,分辨率(lü)也有1.7倍的(de)提高,可以(yi)解決部💃🏻分(fen)單井産量(liang)低于1.0m³/d的低(di)産井的流(liu)量測量問(wen)題。
4.3該流量(liang)計結構簡(jian)單、調試方(fang)便、不改變(bian)現有儀器(qi)結構,易于(yu)規🙇‍♀️模☁️推廣(guang)應用。

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