摘要:爲了(le)解決數量逐年(nian)增多的低産井(jǐng)流量測量問題(tí),設計了一種精(jīng)度高渦輪流量(liang)計
。通過理論分(fen)析與數值仿真(zhen)對
渦輪流量計(ji)
的三維流場進(jìn)行了分析,并優(you)化出其最合理(lǐ)結構。利用實驗(yàn)裝置将精度高(gao)渦輪流量計與(yǔ)傳統渦輪流量(liang)計的響應特性(xìng)進行⭐了對比,結(jie)果表明,精度高(gāo)渦輪流量計在(zai)單相水介質中(zhōng)，啓動排量0.3m³/d,低于(yu)傳統渦輪流量(liàng)計的1.0m³/d,分辨率也(ye)有1.7倍的提高,可(ke)☀️見精度高🤩渦輪(lun)流量計🔞在低流(liú)量測量中具有(you)良好的應用前(qián)🙇♀️景。
渦輪流量計(ji)以其結構簡單(dan)、測量精度高、重(zhòng)複性好而廣💚泛(fàn)🤞應用于油田流(liu)量測量領域。在(zài)我國,随着大部(bu)分油田進入開(kāi)發🐉中後期,低産(chǎn)井數量逐年增(zeng)多。爲了準确掌(zhǎng)握⭕這些低産井(jǐng)的産量情🐪況，評(ping)估其可開采價(jia)值,需要準确測(ce)量其流量信息(xi)。衆所周知，隻❗有(you)流量大于啓動(dong)排量,渦輪流量(liàng)計才會給出響(xiǎng)應,所以研發設(she)計💋出一種啓動(dòng)排💜量低的精度(dù)高渦輪流量計(jì),無👉疑對于油田(tian)流量測量具🔞有(you)重要的意義。自(zì)20世紀30年代渦輪(lun)流量計發明後(hou),經過國内外無(wú)數☎️科研工作者(zhě)的研究和探索(suǒ),其🏒基本理論和(he)相應的模型都(dōu)已非常成熟。但(dàn)是目前對于渦(wo)輪流量計的研(yán)究主要集中在(zai)大流量條💘件下(xià)的使用,低流量(liang)條🌈件下的啓動(dòng)和響應特性研(yan)究較🛀🏻少,難以滿(man)足實際生産中(zhong)對于低流量條(tiáo)件下渦輪👌流量(liang)計的使用需求(qiu)。
利用目前流行(háng)的有限元計算(suàn)軟件AN-SYS對渦輪流(liu)量計流場進行(háng)仿真計算,設計(jì)出一種精度高(gao)渦輪流量✨計,通(tong)過室内實驗表(biǎo)明其啓動排量(liang)和分辨率與傳(chuan)💋統渦輪流量計(ji)相比都有了大(da)幅度的提高。
1理(li)論分析①
渦輪流(liu)量計作爲速度(du)式儀表,以動量(liàng)矩守恒爲基😄礎(chu),渦輪💋流量計基(jī)本力矩平衡方(fang)程爲[1]:
式中
Tb一軸(zhou)與軸承的粘性(xing)摩擦阻力矩(流(liú)動産生的力矩(ju));
Td一渦輪流量計(ji)轉動的驅動力(li)矩;
Th一輪毂表面(miàn)的粘性阻力矩(jǔ);
Tm一磁電阻力矩(ju)和軸與軸承的(de)機械摩擦阻力(li)矩之☂️和;
T1一葉片(piàn)頂端與傳感器(qi)外殼的粘性摩(mó)擦阻力矩;
Tw一輪(lun)毂端面粘性摩(mo)擦阻力矩;
J一渦(wō)輪的轉動慣量(liàng);
ɷ-渦輪轉動的角(jiao)速度。
當流速較(jiao)低時,渦輪流量(liàng)計處于靜止狀(zhuang)态,此時角速度(du)ɷ非常⭕低,接近于(yú)0,Tb和Tw也可以忽略(lue)不計。在這種情(qing)況下，式(1)可以簡(jiǎn)化爲🏃🏻:
由式(2)可以(yi)看出提高驅動(dòng)力矩是降低渦(wo)輪流量計啓動(dòng)排量的一-條捷(jié)徑。如圖1所示，傳(chuan)統渦輪流量計(ji)入口🐕端是直管(guǎn)🌍段和軸向導流(liú)片,流體流經渦(wō)輪葉片之前隻(zhī)有軸💃向速度,對(dui)渦輪的驅動力(li)矩隻是對渦輪(lún)葉片作用力的(de)徑向分力産生(shēng)的力矩。因爲渦(wo)輪葉片螺旋角(jiǎo)爲45°,如果将導流(liú)片改爲螺旋角(jiao)爲-45°的螺旋導流(liu)片(圖2),當流體進(jìn)入導流片時會(huì)産生旋轉,方向(xiang)與渦輪葉片正(zhèng)交,使💋得流體在(zai)🍉軸向流動速度(dù)不變的基礎上(shàng)增加了徑向的(de)旋轉運動🚶,流體(ti)的旋轉方向與(yu)渦輪葉片的💃🏻轉(zhuǎn)動方向一緻,在(zai)相同🌈流量🌈條件(jiàn)下,增加了流體(tǐ)對渦輪葉片的(de)驅動力,實現降(jiang)低啓動排量和(hé)提高分辨率的(de)目的,整體結構(gou)如圖💁3所示。
2仿真(zhēn)研究
Workbench是ANSYS公司開(kai)發的協同仿真(zhēn)環境,是将仿真(zhēn)過程結合在👣--起(qi)的平🙇🏻台👉，可以大(dà)大簡化仿真過(guò)程中各模塊間(jian)的交互操💘作。通(tong)過幾何建模(圖(tu)4)、網格劃分、計算(suàn)求解及後處理(li)等過程,可以🔞比(bǐ)較準确地仿真(zhen)複雜機械模型(xing)的各物理參數(shu)場分布[2-4]。
利用Turbogid對(dui)計算域進行網(wang)格劃分,将其劃(huà)分爲約10萬個六(liu)面體網🥵格。人口(kou)、出口部分爲.靜(jing)止網格，,采用絕(jue)對參考系,葉⚽片(piàn)部分爲動網格(gé),繞圓心轉動,采(cai)用相對參考系(xì)👉,參考系轉動速(su)度與網格轉速(sù)相同。網格劃分(fen)情況如圖5所示(shì)。
如圖6~8所示,流體(ti)流經渦輪流量(liàng)計之前,壓力較(jiao)高,速‼️度較低，經(jing)過導流片時産(chǎn)生旋轉,速度得(dé)到提升,壓力降(jiang)低。當通過導流(liu)片後,壓力、速度(dù)基本不變,依然(ran)保持旋轉狀态(tài),遇到渦♍輪葉片(pian)阻擋後,流速降(jiàng)低,壓力進一-步(bù)減小，流體所攜(xié)帶的能量傳遞(dì)給渦輪葉片,對(duì)渦輪葉🈲片産生(sheng)較大的驅動力(li)矩♋,推動其轉動(dòng)🚩。
爲了得到導流(liu)片螺旋角與渦(wo)輪葉片螺旋角(jiao)的匹配,利用ANSYS軟(ruǎn)件對不同角度(du)導流片的驅動(dòng)力矩進行🏃♀️計算(suàn)，其中管道直徑(jing)爲14mm,渦輪葉片直(zhi)徑爲13.5mm,重疊度爲(wèi)1.64,葉片螺旋角爲(wèi)45°,導流片🌈螺旋角(jiǎo)分别設爲-35°、-45°和-55°,來(lai)流條✊件分别設(shè)爲0.1、0.2、0.3、0.4m'/d。由于速度較(jiao)低,采🥵用層流模(mó)型,各不同工況(kuang)條件下渦輪葉(yè)片受到的驅動(dong)力矩情況如圖(tu)9所示。導流片☎️螺(luó)旋角爲-45°時渦輪(lún)葉片受力更大(da),更容易啓動。此(ci)時渦輪葉片螺(luó)旋角與導流片(piàn)螺旋角恰好成(cheng)90°,可充分利用流(liú)體動量使渦輪(lún)葉片更易啓動(dong),模拟結果與上(shàng)述理論分析相(xiàng)⛹🏻♀️符。
3實驗研究
通(tong)過搭建實驗平(píng)台(圖10)對計算結(jie)果進行驗證。實(shí)驗平台應🥵具備(bei)以下兩個功能(neng):在低流量下能(neng)夠非常平穩的(de)運行;具備精确(que)測量流量的功(gong)能。
該平台以單(dān)相水流爲介質(zhì),循環流動通過(guò)水泵實🐅現;流量(liang)的精确控制主(zhu)要通過固定上(shàng)遊水位和調⛹🏻♀️節(jie)閥來實現,流⚽量(liàng)的測量采用簡(jiǎn)便可靠的容積(ji)時♉間法。
實驗平(píng)台中上方爲穩(wen)壓水箱,提供-一(yī)個穩定的壓力(li)🚶源,在管道💘内阻(zu)力不變的情況(kuang)下,保證管道内(nei)流速不會發♊生(shēng)變化,經📧過2m長的(de)下降段,流人渦(wo)輪流量計,随後(hòu)流出實驗管道(dào),通過量筒計量(liang)可以精确得到(dào)管路内的流速(sù)。通過高速攝影(ying)可以清⁉️晰的觀(guan)察低速條件下(xià)⚽渦輪流量計的(de)響應情況。
爲了(le)驗證精度高渦(wō)輪流量計的響(xiǎng)應情況,實驗将(jiāng)精度高渦輪流(liu)量計與傳統渦(wo)輪流量計在相(xiàng)同條件下進行(háng)對比。
實驗介，質(zhi)爲單相水,流量(liàng)範圍0~20m³/d,通過調節(jiē)不同的流量點(diǎn)來記錄輸出頻(pín)率,流量點誤差(cha)優于1%,每次測量(liàng)🏒時間爲60s,采樣間(jian)🏃♀️隔爲5ms,每點測量(liang)3次取平均值,測(cè)量數據見表1。
4結(jie)論
4.1理論研究與(yu)數值仿真确定(dìng)了精度高渦輪(lun)流量計的合理(lǐ)結⭐構,即導流片(pian)螺旋角爲-45°與渦(wō)輪葉片正交時(shí),同樣來流條件(jiàn)下驅動力矩大(dà)。
4.2.在單相水條件(jian)下,高靈敏渦輪(lún)流量計啓動排(pái)量0.3m³/d,遠低❌于傳統(tǒng)渦輪流量計的(de)1.0m³/d,分辨率也有1.7倍(bei)的提高,可以解(jiě)決部分單井産(chan)量低🐆于1.0m³/d的低産(chan)井的流量測量(liàng)問題。
4.3該流量計(ji)結構簡單、調試(shi)方便、不改變現(xian)有儀器結💞構,易(yì)于規⁉️模推廣應(ying)用。
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