摘要(yao):闡述了渦(wo)輪流量計(ji)
的工作原(yuan)理和動态(tai)特性,建立(li)了渦輪流(liu)量計的多(duo)🐅相流🐉測量(liang)🔞模⛹🏻♀️型,并在(zai)多相流模(mo)拟裝置中(zhong)進行了實(shi)驗驗證,得(de)出了流體(ti)密度是渦(wo)輪流量計(ji)在測量多(duo)相流的流(liu)量時的影(ying)響因子，并(bing)且讨論了(le)流體密度(du)影響多相(xiang)🔴流的流量(liang)🤟測量的規(gui)律。
在油田(tian)生産過程(cheng)參數(如溫(wen)度、壓力等(deng))檢測中，以(yi)流♉量和各(ge)💃🏻相持率測(ce)量複雜,是(shi)較難測量(liang)的兩個參(can)數,因而,引(yin)起了工程(cheng)技術人員(yuan)的興趣.随(sui)着油田的(de)發展,被測(ce)對象不😍再(zai)局限于單(dan)相流，而要(yao)對多相流(liu)、混合狀态(tai)的流量進(jin)行測量。測(ce)量多相流(liu)的技術難(nan)度要比單(dan)相流體的(de)正确測量(liang)大的多,知(zhi)道單相流(liu)體的密度(du)、粘度及測(ce)量裝置的(de)幾💞何結構(gou)，便可以對(dui)單.相流進(jin)行定量分(fen)🌈析。如果能(neng)利用多♌相(xiang)流中每一(yi)相☎️的上述(shu)各物理量(liang)對🙇♀️多相流(liu)進行測量(liang)的話，就很(hen)方便。但很(hen)遺✨憾的是(shi),多相流體(ti)的特性遠(yuan)比單相流(liu)體的特性(xing)複雜的多(duo)，如各組分(fen)之間不能(neng)均勻混合(he)、混🆚合流體(ti)的異常性(xing)、流型轉變(bian)，相對速度(du)、流體性質(zhi)、管道結💋構(gou)、流動方向(xiang)等因素将(jiang)導緻渦輪(lun)流量傳感(gan)器響應特(te)性的改變(bian)"
在單相流(liu)的條件下(xia)，渦輪的轉(zhuan)速和流經(jing)它的體積(ji)流量成一(yi)單值線性(xing)函數,在油(you)水兩相流(liu)中，隻要流(liu)量超過始(shi)動流量,在(zai)允許🏃🏻的誤(wu)差範圍内(nei),渦輪的響(xiang)應和體積(ji)流量也是(shi)成線性函(han)數。
但在多(duo)相流動中(zhong)，即使在總(zong)流量保持(chi)不變的情(qing)況下，混合(he)流體的密(mi)度發生變(bian)化，也會引(yin)起渦輪轉(zhuan)速🔴的很大(da)變化。本文(wen)就😄此問㊙️題(ti),通過對渦(wo)輪流量計(ji)的工作原(yuan)理和特性(xing)分析，闡述(shu)了在測量(liang)多相流時(shi)的流量影(ying)響因子，并(bing)進行了實(shi)驗驗證。
1工(gong)作原理及(ji)數學模型(xing)建立
渦輪(lun)流量計是(shi)一種速度(du)式儀表,它(ta)是以動量(liang)矩守恒原(yuan)🌈理爲基礎(chu)的，流體沖(chong)擊渦輪葉(ye)片,使渦輪(lun)旋轉👨❤️👨,渦輪(lun)的旋轉速(su)度随流量(liang)💘的變化而(er)變化，最後(hou)從渦🆚.輪的(de)轉數求出(chu)流量值，通(tong)過磁電轉(zhuan)換🔴裝置(或(huo)機械🌏輸出(chu)裝置)将渦(wo)輪轉速變(bian)化成電脈(mo)沖,送🐉入二(er)次儀表進(jin)行計算和(he)顯示，由單(dan)位時間電(dian)脈🈲沖數和(he)累計電脈(mo)沖數反映(ying)出瞬時流(liu)量和累計(ji)流量(見圖(tu)1)
所以,由(you)動量矩定(ding)理可知，渦(wo)輪的運動(dong)微分方程(cheng)爲:
式中:J爲(wei)渦輪的轉(zhuan)動慣量;w爲(wei)渦輪的旋(xuan)轉角速度(du);∑M爲作用在(zai)渦🈲輪上的(de)合力矩。
在(zai)正常工作(zuo)條件下，可(ke)認爲管道(dao)内的流體(ti)流量不随(sui)時💛間變化(hua)，即渦輪以(yi)恒定的角(jiao)速度ω旋轉(zhuan),這樣就有(you)
那麽渦輪(lun)的運動微(wei)分方程變(bian)爲：
∑M=M-∑Mi=0，（2）
這裏把(ba)∑M分成了兩(liang)部分,即驅(qu)動渦輪旋(xuan)轉的驅動(dong)力👉矩M和阻(zu)礙渦輪旋(xuan)轉的各種(zhong)阻力矩∑Mi。通(tong)過分析計(ji)算,驅動力(li)矩爲
式中(zhong):θ爲葉片與(yu)軸線之間(jian)的夾角;r爲(wei)渦輪平均(jun)半徑;A爲管(guan)道流通🌈面(mian)積;ρ爲流體(ti)密度;ω爲渦(wo)輪的旋轉(zhuan)角速度;qv爲(wei)💁通過🌏管道(dao)😘的流量。
将(jiang)式(3)代入(2)中(zhong)得:
2渦輪流(liu)量計的特(te)性分析
由(you)式(5)和式(6)可(ke)見:當流體(ti)的粘度增(zeng)大時,渦輪(lun)的轉動角(jiao)💛速度變小(xiao);當流體密(mi)度變大時(shi),渦輪的轉(zhuan)動角速度(du)也随之增(zeng)大。在流體(ti)速度較小(xiao)(相當于層(ceng)流狀态)時(shi),渦輪♍的頻(pin)率響應非(fei)線性,且受(shou)流體♈性質(zhi)變化影響(xiang)較大;當流(liu)體速度🈚較(jiao)高(相當于(yu)湍流狀态(tai))時,式變🐇小(xiao)，渦輪響應(ying)近似線性(xing),儀💚器常數(shu)K基本上不(bu)受流體🌏粘(zhan)度變化影(ying)響🌏。
渦輪啓(qi)動時,要克(ke)服較大的(de)機械靜摩(mo)擦力,因此(ci)需要較大(da)✊始✌️動流量(liang)。渦輪以--定(ding)的速度轉(zhuan)動起來以(yi)後,需要❄️機(ji)械💯動摩擦(ca)力📞和流體(ti)流動阻力(li),轉動阈值(zhi)qVmin與p0.5成反比(bi)，流體密度(du)越大，qVmin越小(xiao)。這種情況(kuang)對于密度(du)變化小的(de)液體來說(shuo)，影響不大(da)，可視爲常(chang)數。但對于(yu)多相流體(ti)來說,由于(yu)溫度、壓力(li)和分相含(han)率的變化(hua)，引起p變化(hua),從而影響(xiang)qVmin。
3實驗結果(guo)分析
實驗(yan)在以水和(he)空氣爲介(jie)質的流動(dong)模拟裝置(zhi)中進行，實(shi)驗中在氣(qi)體流量固(gu)定的前提(ti)下，逐漸增(zeng)大水的流(liu)量,測量渦(wo)輪的響應(ying)值。增大氣(qi)體的流量(liang),複上述操(cao)作,得到了(le)下面的⭕渦(wo)輪響應圖(tu)版，其中流(liu)量爲氣液(ye)的合流量(liang)。圖中氣體(ti)流量爲零(ling)時，流體的(de)密度😘最大(da),測得的🌈響(xiang)應曲線各(ge)流量響應(ying)值最大。由(you)于氣🏃♂️流量(liang)增大時，測(ce)得流體密(mi)度和粘度(du)都變小，由(you)🌍式(5)和式(6)推(tui)得渦輪的(de)轉動角速(su)度也随之(zhi)變小，所以(yi)随着流體(ti)密度的減(jian)小，qVmin增大。
4結(jie)論
通過實(shi)驗驗證，我(wo)們可以得(de)出如下的(de)結論:1渦輪(lun)流☂️量計💯在(zai)測👣量多相(xiang)流的流量(liang)時，在總流(liu)量保持不(bu).變的情🍉況(kuang)下，流體的(de)密度發生(sheng)變化也會(hui)引起渦輪(lun)轉速的很(hen)大變化。④渦(wo)輪流量計(ji)的始動流(liu)量随多相(xiang)流體密度(du)的增大而(er)減小。
從以(yi)上得出的(de)結論可知(zhi),渦輪流量(liang)計在測量(liang)多相流體(ti)的流量的(de)時候,流體(ti)的密度是(shi)影響測量(liang)精度的主(zhu)要因素。