利(li)用渦輪流量(liang)計 測量了油(yóu)水兩相流動(dong)時的混合速(su)度，重點研究(jiū)了油相粘💰度(du)變化和流量(liàng)計入口油水(shui)相含宰變化(huà)對測量精度(du)❓的影響。實驗(yan)采⛹🏻‍♀️用了七種(zhong)不同的油相(xiang)粘度(50,160,225,400，700,1100,1450mPa:s),并在含(hán)油率0-100%範圍内(nèi)記錄了292組不(bú)同油水混合(he)流量下的測(cè)量值.研究結(jie)果表明，當油(yóu)相粘🔴度爲低(dī)粘值50和160mPas時，渦(wo)輪流量計的(de)測量誤差較(jiào)小🈲，且不受入(ru)口油相含率(lǜ)的🤩影響，絕對(duì)誤差均在+5%以(yi)内.當油相粘(zhān)度大于225mPars時，随(sui)着入口油相(xiàng)含率的增加(jiā)，誤差逐漸增(zeng)大。當油相粘(zhan)度進一步提(tí)高到1100mPa's以上時(shi)，渦輪流量計(ji)在🧑🏾‍🤝‍🧑🏼較低的入(rù)口油相含串(chuan)下進入🔞非線(xian)性失效區.此(cǐ)外，實驗數據(jù)還顯示，用渦(wō)輪☁️流量計測(ce)t油水混合流(liu)速時，測量結(jié)果對油水兩(liǎng)相流流型不(bu)敏感..
1引言
　　随(sui)着工業的快(kuài)速發展，能源(yuán)的需求量日(ri)益增加,陸上(shàng)油氣資👅源日(rì)漸枯竭，促使(shǐ)各國轉向海(hai)洋石油的開(kāi)發。陸上🛀油田(tian)輸油🔴管路采(cǎi)用的傳統的(de)計量技術并(bing)不完全适合(he)在海洋平台(tái)使用，因此促(cu)使工業界和(he)學術界聯合(he)開發新型的(de)結構緊湊的(de)多相流量🧡計(ji)。從上個世✌️紀(jì)80年代以來㊙️，石(shí)油工業界開(kāi)始關注油氣(qì)水混合物的(de)🔞計量，并投入(ru)了可觀的人(rén)力和物力✂️來(lai)開發适🐪用于(yu)石油工業♍的(de)多相流量計(jì).多相計量研(yán)究的困難來(lái)源于多相流(liú)動過程本身(shēn)的複雜性，相(xiàng)對于單相流(liú)可以直接地(di)計算流速等(děng)參數，多相流(liu)模型的建立(li)需要考慮的(de)參數要複雜(za)得多。一般來(lai)說，理想的油(yóu)氣水三相流(liú)量計應該具(ju)有各相5%的🥰計(ji)量㊙️精度，并要(yao)求非侵入🈲性(xing)，可靠性，與流(liu)型無關性🚶‍♀️以(yi)及對于整個(gè)相含率範圍(wéi)的适用性。雖(suī)🐉然近年來提(tí)出了非常多(duō)的方案，但到(dao)目前爲止還(hai)沒有一種商(shāng)業化的流量(liang)計能完全達(dá)到這些标準(zhǔn)"。
　　渦輪流量計(ji)是被工業界(jie)普遍采用的(de)用于測量單(dan)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼相流動的⭐速(su)度式流量儀(yí)表。它以動量(liang)守恒爲基礎(chu)，流體⁉️沖擊渦(wo)輪葉片，使渦(wo)輪旋轉。渦輪(lún)的旋轉速度(du)❄️随流量的變(bian)化而變化，最(zuì)後從😘渦輪的(de)轉速求出流(liu)量值。典型的(de)液體渦輪流(liú)量計的特性(xing)曲線(如圖1所(suo)示)可以分成(chéng)兩個主要的(de)區域，即線性(xìng)區和非線性(xing)區。渦輪流量(liàng)計的有效工(gōng)作區間主要(yào)包括其線性(xing)工作區間以(yi)及部🌐分非線(xian)性區間。由于(yú)渦輪流量計(jì)在高溫、高壓(yā)等比較🏃‍♀️嚴酷(kù)的環境下，仍(reng)然具有較高(gao)精度以及穩(wěn)定性，同時，相(xiang)對于💘其他流(liu)量計來說，渦(wō)輪流量計有(you)着較大的量(liang)☂️程範圍，并具(jù)有對流動瞬(shùn)态變化後的(de)快速反應的(de)特點2,因此，一(yī)些研究者嘗(cháng)試應🔞用渦輪(lún)流量計來進(jìn)行兩♈相流量(liàng)的測量研究(jiu)。由于測量主(zhu)要針對低黏(nian)度的油水兩(liǎng)相流，并且油(yóu)相含率限定(dìng)在一個非常(chang)有限的範圍(wei)内，因此，對于(yú)🚶‍♀️全油相含率(lǜ)範圍内✨的變(biàn)化及高粘油(yóu)相對于渦輪(lun)流量計測量(liang)造成的影響(xiǎng)等，還有待進(jìn)一步的研究(jiu)。
 
　　油水兩相(xiàng)流的流量計(jì)，設想采用Gammar射(she)線獲得相含(han)率🈲，用🏒渦輪流(liú)量計來獲得(de)混合流速，結(jie)合二者結果(guo)得到各相流(liu)🤞量.由于原油(yóu)粘度分布變(bian)化很大,爲了(le)達到這個目(mu)的，就要獲知(zhi)油相粘度變(biàn)化對于渦輪(lun)流量計測量(liang)精度的影響(xiang)，從而确定渦(wō)輪流量計的(de)工㊙️作條件和(he)工作範圍。同(tóng)時，本實驗還(hai)在低粘度條(tiao)件下流型對(duì)于渦輪流量(liang)計的工作性(xing)能的影響。
2實(shi)驗系統
2.1實驗(yan)裝置
　　本實驗(yan)是在中國科(ke)學院力學研(yan)究所的多相(xiang)流實驗平台(tái)上完成的。圖(tu)2爲實驗裝置(zhi)示意圖。油水(shui)分别💚由油🏃箱(xiang)和水箱供應(ying)，經過☎️各自的(de)流量計後，進(jìn)入實驗管線(xian)，混合液🛀🏻流經(jing)實驗段後被(bèi)分離再循環(huán)使用。實驗管(guǎn)線采用内徑(jìng)50mm的透明有✌️機(ji)玻璃管，易于(yu)觀察油水兩(liang)相的流動狀(zhuàng)态，管線從入(rù)口到分離器(qi)總長約35m。
　　實驗(yan)管線入口流(liu)量計量，水相(xiàng)采用電磁流(liu)量計，油相采(cǎi)用腰輪流量(liang)計，油相和水(shui)相經過試驗(yàn)管線後，用LWGY型(xíng)🈲渦輪流量計(ji)對其進行混(hun)合流速的測(cè)量。LWGY型渦輪流(liú)量計公稱通(tong)徑爲🏃50mm,其測量(liang)流量範🌐圍在(zài)4m'/h~40m'/h,在測量單相(xiang)流體時，其精(jīng)度可達0.25%。流型(xíng)識别采用攝(shè)像機記錄每(měi)次實驗條件(jiàn)下的流動狀(zhuang)态，慢鏡頭回(huí)放觀察🌈流型(xing)。爲保證❗實🐆驗(yan)數據的可靠(kào)性，對每個測(cè)量點都在流(liu)量調整後的(de)5min~8min分鍾流動相(xiang)對穩定後再(zài)采集數據和(he)觀測流型。
 
2.2實(shí)驗工質及實(shí)驗過程
　　實驗(yàn)水相爲普通(tong)自來水，20℃時的(de)粘度爲1.005mPas,油相(xiang)采用無色、透(tòu)明✉️的礦物油(yóu)，俗稱白油，在(zai)常溫常壓(20C,0.101mPa)下(xià)，我們分别選(xuan)用其粘度爲(wèi)50、160、225、400、700、1100和1450mPars,共七種樣(yang)品。同時，爲便(bian)于實驗時的(de)流型觀察，在(zai)水中加入了(le)高錳酸鉀(顔(ya)色劑)以便于(yú)識别。實驗工(gong)質溫度控制(zhi)🥰在19℃~21℃,在特定的(de)粘度下，給定(dìng)油相流量後(hòu),調整水相流(liú)量，觀察實驗(yan)段的油⁉️水兩(liang)相流型，記錄(lù)入口處不同(tong)流型的油相(xiàng)和水相表觀(guān)流速和實驗(yàn)段的混🤞合流(liu)速。表1給出了(le)不同粘度下(xià)的實驗數組(zǔ)。
 
3結果與讨論(lun)
3.1油相粘度和(he)入口含率的(de)影響
　　首先固(gu)定油相粘度(dù)，用電磁流量(liang)計測量入口(kǒu)處水相流💞量(liàng)Qw，用腰輪流量(liàng)計測量入口(kǒu)處油相流量(liàng)QO，分别得到入(ru)口處油相、水(shuǐ)相的體積相(xiang)含率βo和βw.即:
 
式(shi)中QM1爲管道入(rù)口處的混合(he)流量。
　　同時，在(zai)實驗管段用(yòng)渦輪流量計(jì)測量兩相混(hun)合流量(如圖(tu)2所示),Qm2，對比Qm1和(hé)Qm2,可以得到渦(wo)輪流量計的(de)測量誤差(相(xiàng)對誤差):
 
　　圖3至(zhi)圖9給出了在(zai)七種不同粘(zhan)度下，渦輪流(liú)量計的測☂️量(liàng)誤差随入口(kou)處油相含率(lǜ)的變化關系(xì)圖。以實際應(ying)用中可以接(jie)受的誤差+5%作(zuo)爲其有效工(gong)作區間的判(pan)斷标準(在圖(tú)中，+5%的區間用(yong)虛線标出)，并(bing)且在每🏃🏻個圖(tu)标上，用一條(tiáo)豎直的虛線(xiàn)，作爲有效工(gong)作區域😄的分(fen)界線。圖3給出(chū)了油相粘度(du)爲50mPa's時相對誤(wù)差随入口處(chù)油相含🌈率變(bian)化關系圖。可(ke)以看出，在整(zheng)個📐油相含率(lǜ)的變化範圍(wei)内，誤差🧑🏽‍🤝‍🧑🏻可以(yi)控制在+5%以内(nèi)，隻有個别的(de)點超過了5%的(de)範🌂圍，因此可(kě)以認爲在油(yóu)相粘度💔爲50mPars時(shi)，渦輪流量計(jì)在任👉何油相(xiang)💋含率下均處(chu)于🏒有效工作(zuo)區間。對于油(you)相粘度爲160mPa's的(de)實驗研究結(jie)果顯示♉(如圖(tu)4所示),随着油(yóu)相含率βo的增(zeng)加，相對誤差(chà)有逐漸增大(dà)的趨勢，同時(shí)，絕對誤差值(zhí)也由βo較小,時(shí)的正值，變爲(wei)βo較大時的負(fù)值。但是大部(bù)分的入🏃‍♂️口油(you)相含率βo的變(bian)化範圍内，相(xiàng)對誤差在+5%以(yi)内，這與黏度(du)爲50mPars時的情況(kuang)大體--緻.
 
　　當油(you)相粘度提高(gao)至225mPa·s時(圖5所示(shì)),觀察到了與(yu)圖4相似👄的曲(qǔ)線變💁化⭐趨勢(shì)，不同的是:當(dang)β。的小于70%時，相(xiàng)對誤差在5%以(yi)内，渦輪流量(liang)計處于有效(xiao)工作區間。然(ran)而，随着☎️β。的增(zēng)加，誤差曲💰線(xiàn)下降的幅度(dù)增大，當βo達到(dao)70%時，整體誤差(chà)超過了5%的界(jie)線，達到10%以上(shang)，此時，渦輪流(liu)量計超✂️出了(le)其有效💃🏻工作(zuo)區間，失效區(qū)開始出現。
 
　　圖(tú)6和圖7分别給(gěi)出了油相粘(zhān)度爲400mPa·s和700mPa·s時相(xiang)對誤差随入(ru)口處油🏃🏻相含(hán)率的變化關(guān)系圖。可以看(kan)出，當βo達到50%~60%時(shí)，誤差出現比(bi)較陡峭的下(xia)降，其整體誤(wù)差超過5%的界(jie)線，渦⭕輪流量(liàng)計超出😍了有(you)效工作區，而(ér)且，随着βo的增(zeng)加，絕對誤差(cha)也由正值變(biàn)成負值。
 
　　爲了(le)進一步研究(jiū)超粘油對于(yu)渦輪流量計(jì)測量精度的(de)影響🈲，我們分(fen)别測量了油(yóu)相粘度爲1100和(he)1450mPars時渦輪流量(liàng)計測😄量油☀️水(shuǐ)兩相流量時(shi)的工作特性(xing)。圖8和圖9給出(chū)了實驗結果(guǒ)，可以看出，當(dang)βo僅爲30%~40%左右時(shi)，誤差便開始(shi)急劇下降。因(yin)此💰，對于超粘(zhan)✔️油來說，渦💋輪(lún)流量計的僅(jin)能在低含油(you)率的情況下(xia)工作，有效工(gōng)作區的範圍(wei)非常狹窄。
 
　　從(cóng)上述實驗結(jié)果可以看出(chu)，渦輪流量計(jì)的相對誤差(chà)💃🏻随着入口📞處(chù)油相含率βo的(de)增加有逐漸(jian)增大的趨🌈勢(shì)，并且渦輪流(liu)量計的有效(xiào)工作區間也(ye)在逐漸的減(jiǎn)少。對🔱于油相(xiàng)粘度較大時(shí)的油水流動(dong)來說，測量誤(wù)差之所以随(sui)着入口處油(you)相含率的增(zēng)加逐漸增大(da)的原因是🔅随(suí)着入口處油(you)相含率的增(zēng)加，導緻油水(shui)兩相流的😄實(shi)際黏度在逐(zhu)漸的增大，進(jin)而導㊙️緻了👅渦(wō)輪流量計的(de)有🌏效工作區(qu)逐漸變窄。同(tóng)時我們還可(kě)以看出，在其(qi)有效工作區(qu)域，在粘度較(jiao)低時，其絕對(dui)誤差大都爲(wei)正值，即測量(liàng)值♻️比真實值(zhi)要大,而在💯黏(nian)度較大時，其(qí)絕對誤差大(dà)都爲負值，即(ji)👄測量值要比(bǐ)真實值小👣。
3.2流(liú)型的影響
　　爲(wei)了考察渦輪(lun)流量計計量(liàng)精度與流型(xíng)之間的關系(xì)🔴，繪❄️制⭐了粘度(dù)爲50mPa·s時的流型(xíng)圖，并且與以(yi)前的學者得(dé)到的流型圖(tú)進行了比較(jiao)。實驗中流型(xing)是觀察實驗(yan)管段得到的(de)，同時采用Lafin和(he)Oglesby提出的方法(fǎ)來定義流型(xíng)5)。在一定的混(hun)合流速和輸(shū)入油相含率(lǜ)下，在水平實(shí)驗管段觀察(cha)到了四種流(liú)型，即:分層👅流(liú)(SW),雙連續流💛(DC),油(yóu)含水(W/O)以及水(shui)含油(O/W)。圖10給出(chu)了☎️實驗中得(dé)到的流型圖(tu)，其中固定線(xian)爲Lovick和Angeli在2001年得(de)到的流型圖(tú).
　　對于兩個流(liu)型轉化邊界(jie)可以看出，本(běn)實驗中得到(dào)的流㊙️型圖和(hé)Lovick和Angeli得到的流(liu)型圖具有很(hen)大的一緻性(xing)。同時，結合粘(zhan)度爲50mPa·s時絕對(duì)誤差随口處(chù)油相含率變(bian)化關系🔱圖(如(rú)圖3所示),可以(yi)看出，每種流(liú)型下的誤差(chà)之間并沒有(yǒu)明顯的區别(bié)，因此可以認(rèn)爲，渦輪流量(liàng)計的工作性(xìng)🛀能對流型并(bìng)不是很敏感(gan)。
 
4結論
　　應用渦(wo)輪流量計測(cè)量了不同油(yóu)相粘度下的(de)油水🌈兩相👌混(hùn)合流量,研究(jiū)了油相粘度(du)和入口相含(han)率對🤩其工💯作(zuò)性💞能的影響(xiǎng)，得到🌈了粘度(dù)爲50，160，225,400，700，1100和1450mPa·s等七種(zhong)不同粘度下(xià)，測量誤差随(suí)入💋口處油🚩相(xiang)含率的變化(huà)曲線圖。通過(guo)實驗發現，黏(nián)度爲50mPa·s和160mPa·s時，在(zài)0~-100%的入口油相(xiang)含率🔆變化範(fan)圍内，相對誤(wu)差大都在±5%以(yǐ)内，可認爲渦(wō)輪流量計工(gong)作在有效工(gong)作區。但當粘(zhān)度大于225mPa·s,随着(zhe)油相相含率(lǜ)的增加，誤差(chà)有逐漸增大(da)的🐕趨勢，渦輪(lún)流量計的線(xiàn)性工作區間(jiān)💃縮窄，并随着(zhe)油相✍️粘度的(de)進一步增加(jia)，達🤞到1100mPars時，渦輪(lun)流🌂量計在很(hen)低的油相含(hán)率下💔即進入(rù)失效區，這表(biao)明油水的混(hun)合粘度是影(ying)響渦📞輪流量(liang)計線☁️性工作(zuò)區間🌂的主要(yào)因素。
　　低粘度(dù)下不同流型(xing)時渦輪流量(liàng)計的工作性(xing)能，通過💃實驗(yan)發現，不同流(liu)型下其誤差(cha)之間并沒有(yǒu)明顯✉️的變化(hua)，因此，可以認(ren)爲其工作性(xing)能對流型不(bu)敏感。
　　渦輪流(liú)量計可以在(zai)低混合粘度(du)下用于油水(shui)兩相流的流(liu)速測量,高混(hùn)合粘度下渦(wō)輪流量計的(de)線性工作區(qu)間縮窄，限制(zhì)了其⭕測速範(fàn)圍，在實際應(yīng)用時👄應加以(yǐ)注意。

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