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  時間:2022-10-27 08:31:44

多相流測量中渦輪流量計的影響

摘要:闡述了渦輪流量計的工作原理和動態特性,建立了渦輪流量計的多相流測量模型,并在多相流模擬裝置中進行了實驗驗證,得出了流體密度是渦輪流量計在測量多相流的流量時的影響因子,并且討論了流體密度影響多相流的流量測量的規律。
  在油田生產過程參數(如溫度、壓力等)檢測中,以流量和各相持率測量復雜,是較難測量的兩個參數,因而,引起了工程技術人員的興趣.隨著油田的發展,被測對象不再局限于單相流,而要對多相流、混合狀態的流量進行測量。測量多相流的技術難度要比單相流體的正確測量大的多,知道單相流體的密度、粘度及測量裝置的幾何結構,便可以對單.相流進行定量分析。如果能利用多相流中每一相的上述各物理量對多相流進行測量的話,就很方便。但很遺憾的是,多相流體的特性遠比單相流體的特性復雜的多,如各組分之間不能均勻混合、混合流體的異常性、流型轉變,相對速度、流體性質、管道結構、流動方向等因素將導致渦輪流量傳感器響應特性的改變"
  在單相流的條件下,渦輪的轉速和流經它的體積流量成一單值線性函數,在油水兩相流中,只要流量超過始動流量,在允許的誤差范圍內,渦輪的響應和體積流量也是成線性函數。
  但在多相流動中,即使在總流量保持不變的情況下,混合流體的密度發生變化,也會引起渦輪轉速的很大變化。本文就此問題,通過對渦輪流量計的工作原理和特性分析,闡述了在測量多相流時的流量影響因子,并進行了實驗驗證。
1工作原理及數學模型建立
  渦輪流量計是一種速度式儀表,它是以動量矩守恒原理為基礎的,流體沖擊渦輪葉片,使渦輪旋轉,渦輪的旋轉速度隨流量的變化而變化,最后從渦.輪的轉數求出流量值,通過磁電轉換裝置(或機械輸出裝置)將渦輪轉速變化成電脈沖,送入二次儀表進行計算和顯示,由單位時間電脈沖數和累計電脈沖數反映出瞬時流量和累計流量(見圖1)
渦輪流量計原理框圖 
  所以,由動量矩定理可知,渦輪的運動微分方程為:
 
  式中:J為渦輪的轉動慣量;w為渦輪的旋轉角速度;∑M為作用在渦輪上的合力矩。
  在正常工作條件下,可認為管道內的流體流量不隨時間變化,即渦輪以恒定的角速度ω旋轉,這樣就有
那么渦輪的運動微分方程變為:
∑M=M-∑Mi=0,(2)
  這里把∑M分成了兩部分,即驅動渦輪旋轉的驅動力矩M和阻礙渦輪旋轉的各種阻力矩∑Mi。通過分析計算,驅動力矩為
 
  式中:θ為葉片與軸線之間的夾角;r為渦輪平均半徑;A為管道流通面積;ρ為流體密度;ω為渦輪的旋轉角速度;qv為通過管道的流量。
  將式(3)代入(2)中得:
 
2渦輪流量計的特性分析
  由式(5)和式(6)可見:當流體的粘度增大時,渦輪的轉動角速度變小;當流體密度變大時,渦輪的轉動角速度也隨之增大。在流體速度較小(相當于層流狀態)時,渦輪的頻率響應非線性,且受流體性質變化影響較大;當流體速度較高(相當于湍流狀態)時,式變小,渦輪響應近似線性,儀器常數K基本上不受流體粘度變化影響。
  渦輪啟動時,要克服較大的機械靜摩擦力,因此需要較大始動流量。渦輪以--定的速度轉動起來以后,需要機械動摩擦力和流體流動阻力,轉動閾值qVmin與p0.5成反比,流體密度越大,qVmin越小。這種情況對于密度變化小的液體來說,影響不大,可視為常數。但對于多相流體來說,由于溫度、壓力和分相含率的變化,引起p變化,從而影響qVmin。
3實驗結果分析
  實驗在以水和空氣為介質的流動模擬裝置中進行,實驗中在氣體流量固定的前提下,逐漸增大水的流量,測量渦輪的響應值。增大氣體的流量,復上述操作,得到了下面的渦輪響應圖版,其中流量為氣液的合流量。圖中氣體流量為零時,流體的密度最大,測得的響應曲線各流量響應值最大。由于氣流量增大時,測得流體密度和粘度都變小,由式(5)和式(6)推得渦輪的轉動角速度也隨之變小,所以隨著流體密度的減小,qVmin增大。
 
4結論
  通過實驗驗證,我們可以得出如下的結論:1渦輪流量計在測量多相流的流量時,在總流量保持不.變的情況下,流體的密度發生變化也會引起渦輪轉速的很大變化。④渦輪流量計的始動流量隨多相流體密度的增大而減小。
  從以上得出的結論可知,渦輪流量計在測量多相流體的流量的時候,流體的密度是影響測量精度的主要因素。

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