摘要:為了使渦輪流量傳感器能保證在氣體、黏性介質(zhì)和小流量等流體條件下有測量性能，目前科技工作者對泥漿渦輪流量計結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與改進做了大量的研究工作,但主要研究集中于傳感器葉輪、軸承、非磁電信號檢出器等部件的改進與優(yōu)化方面。由于渦輪流量計內(nèi)部幾何參數(shù)較多，各參數(shù)對流量計精度影響.的機理也各不相同,并且各參數(shù)之間存在一定的交互作用,所以本文從各參數(shù)的交互作用出發(fā),對渦輪流量.計結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化,研究各參數(shù)對其性能的影響,并利用CFD(計算流體動力學(xué))進行仿真,探究各參數(shù)的作用機理,得到一組組合。仿真結(jié)果表明,儀表系數(shù)線性度誤差由原來的5.23%降低到4.69%,流量計測量精度顯著提高。
渦輪流量計是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的流量計量儀表。當被測流體流過渦輪流量計內(nèi)部的葉輪時，流體沖擊葉輪，葉輪發(fā)生旋轉(zhuǎn)。流量不同時,流體通過同一截面的流速就不同,對葉輪的沖擊力也不同,造成葉輪的轉(zhuǎn)速也不同。通過標定,用測量葉輪轉(zhuǎn)速的方法來測量流體介質(zhì)的流量。這種流量測量方式具有精度高、重復(fù)性好、量程范圍寬、輸出脈沖信號抗干擾性強的優(yōu)勢,在航空航天燃料計量、天然氣計量、油品計量和貿(mào)易結(jié)算、工業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控等領(lǐng)域廣泛采用”,但在計量黏度較高的流體時,其線性度降低,結(jié)果誤差較大。為了計量高黏度流體而不得不采用渦輪流量計時,必須對具體的介質(zhì)進行專門設(shè)計。為了計量固井泥漿。
1泥漿渦輪流量計的幾何參數(shù)計算
渦輪流量計的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
當流體通過渦輪流量計時,流體動能使葉輪旋轉(zhuǎn),流體流速越快,動能越大，葉輪轉(zhuǎn)速也越高。因此,測出葉輪轉(zhuǎn)數(shù)或轉(zhuǎn)速,就可測量流過管道的流量。傳感器將流量Q轉(zhuǎn)換成葉輪轉(zhuǎn)速ɷ,信號檢出器把轉(zhuǎn)速ɷ轉(zhuǎn)換成脈沖信號頻率ƒ,送入二次儀表進行顯示和計數(shù)。單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)和累積脈沖數(shù)分別反映了瞬時流量和累積流量。由于渦輪流量計的轉(zhuǎn)速以頻率信號輸出,所以可制成數(shù)字儀表,也便于與數(shù)控裝置相配合。
通過流量計的流量和葉輪引起的頻率關(guān)系為:
式中;qv表示瞬時體積流量;ƒ表示脈沖頻率;k表示儀表系數(shù)。
對于結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的渦輪流量計,在其穩(wěn)定運行后,不同的流量對應(yīng)唯--不同的轉(zhuǎn)速和頻率ƒ。因此,影響流量計精度的主要因素為儀表系數(shù),其表達式為:
式中:z表示葉片數(shù);θ表示葉片傾角;r表示葉輪半徑;A表示過流面積;ρ表示液體密度;qv表示瞬時體積流量;Tm表示摩擦力矩;Trf表示流動阻力矩。
儀表常數(shù)特性曲線如圖2所示。從圖2可以看出,儀表常數(shù)的線性范圍與標定系數(shù)K。的關(guān)系直接影響著流量計的精度。
流量計設(shè)計的初始參數(shù)如下:流量計公稱內(nèi)徑為.101.6mm,流量范圍0~3m³/min,工作壓力40MPa,鉆井液密度1.2~1.3kg/m³,黏度50~60cSt。
渦輪流量計材料選用0Cr18Ni9不銹鋼,考慮到工作壓力為40MPa,設(shè)計壓力p≤0.4[σ]'φ,按厚壁圓筒進行計算,根據(jù)中徑公式和第一強度理論得出相應(yīng)的筒體厚度為:
其中，D,表示圓筒內(nèi)徑,mm;pc表示計算壓力，MPa;[σ]表示設(shè)計溫度下圓筒材料的許用應(yīng)力,MPa;φ表示焊接接頭系數(shù)。
為了方便選取渦輪流量計參數(shù),同時考慮到渦輪流量計的國家標準,選取公稱外徑為101.6mm的渦輪流量計,其余參數(shù)按經(jīng)典取值表進行取值[5-1,其中葉片頂端間隙與管道半徑之比t=2.0097,葉輪輪轂半徑與葉輪葉片頂端半徑之比q=0.495,葉片均方根平均半徑位置的安裝角b=42.38°,葉片頂端處葉柵具有的實度s=1.254。
渦流流量計葉輪部分結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3、圖4所示,其中Rk為葉輪輪轂半徑,mm;L為葉輪輪轂長度,mm;Rt為葉輪葉片頂端半徑,mm;R0為流量計管道半徑,mm;R1為葉輪旋轉(zhuǎn)軸半徑,mm。
流量計口徑大小不同,葉片數(shù)量也應(yīng)不同。小口徑的流量計(D≤100mm),葉輪葉片數(shù)量通常為3~8片;大口徑的流量計(D>100mm;),葉輪葉片數(shù)則通常為10片以上5。根據(jù)流量計設(shè)計準則得出的參數(shù)如表1所示。
根據(jù)以上參數(shù)建立流量葉輪與導(dǎo)葉的三維模型如圖5所示。
2泥漿渦輪的仿真分析
2.1網(wǎng)格劃分
將三維模型導(dǎo)人ANSYSICEM中，在ICEMCFD中將葉輪流域和導(dǎo)流件流域部分采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格進行劃分,前、后直管段流域均采用結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格進行劃分。如圖6所示,其網(wǎng)格質(zhì)量的最小值為0.34,大于0.3,滿足網(wǎng)格質(zhì)量要求。
2.2邊界條件
第一,仿真介質(zhì)為實際狀況下的油，其運動黏度為50cSt,密度為1.3kg/m3,流量范圍為20~200m3/h,流量點分別取為:2、4、8、14m3/h和20m3/h。
第二,人口采用速度人口,通過具體的流量值、流體密度和傳感器管道口徑便可以計算出傳感器的人口速度。
第三,出口采用壓力出口,設(shè)置為一個標準大氣壓。第四,管壁,上、下導(dǎo)流體和葉輪表面均采用無滑移壁面邊界條件
第五,為更好地模擬渦輪流量計在復(fù)雜流場狀況下的運行規(guī)律,選用RSM湍流模型2.3模型仿真儀表系數(shù)
模型測量流量點與儀表系數(shù)關(guān)系如表2和圖7所示;
從圖7可知，渦輪流量計線性度誤差為5.23%,且在小流量處的儀表系數(shù)變化很大,在大流量時較為平穩(wěn)。
2.4幾何參數(shù)對儀表系數(shù)的敏感性分析
渦輪流量計葉輪部分幾何結(jié)構(gòu)對測量精度影響很大。。本文選擇模型流量計葉輪部分的幾何參數(shù)(葉輪葉片頂端半徑、葉輪輪轂半徑、葉輪輪轂長度、葉片導(dǎo)程),通過單因素試驗設(shè)計,即改變某--幾何參數(shù)的結(jié)構(gòu)尺寸的同時保持其余各參數(shù)不變,選取2、4、8、14m'/h和20m/h五個流量點進行仿真,以渦輪流量計儀表系數(shù)的線性度誤差作為判斷依據(jù)分析上述葉輪四個幾何特征的敏感情況。仿真結(jié)果如圖8至圖11所示。
仿真結(jié)果顯示,在單--改變某幾何參數(shù)的情況下,均存在最優(yōu)值,使得儀表系數(shù)線性度誤差達到最小。
3泥漿渦輪流量計的優(yōu)化設(shè)計
采用Box-Behnken中心組合設(shè)計方法，以葉輪葉片頂端半徑、葉輪輪轂半徑、葉輪輪轂長度、葉片導(dǎo)程這四個因素為自變量,流量計線性度誤差為響應(yīng)值,設(shè)計四因素三水平29個試驗點的響應(yīng)面優(yōu)化試驗。因素水平見表3。
使用DesignExpert軟件在表3中變量的高低水平范圍內(nèi)尋優(yōu),取其中1個最優(yōu)組合如表4所示,對其進行CFD計算,并與響應(yīng)面回歸方程的預(yù)測值和原始流量計儀進行比較[10]。，優(yōu)化前后流量計參數(shù)如表5所示，優(yōu)化前后的結(jié)果如圖12所示。
從仿真數(shù)據(jù)得到,優(yōu)化后的流量計模型,其儀表系數(shù)線性度誤差由原來的5.23%降低到4.69%,擬合公式的預(yù)測值也與CFD計算值非常接近,為2.18%,這表示響應(yīng)面法可以很好地用于渦輪流量計結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。從圖12可以看出,優(yōu)化后的流量計雖然在小流量處時儀表系數(shù)變化還是很大，但是在測量8~20m³/h流量時，其儀表系數(shù)變化較原始流量計更為平穩(wěn),且線性度誤差為0.447%。這表明該流量計在測量流量為8~20m³/h時,該種流體時精度很高。
從圖13可以看出,原始流量計模型受流體密度和高黏度的影響,速度分布不太均勻,且后導(dǎo)流件部分存在速度增大較為嚴重的情況,不利于流量計測量的提高。從圖14可以看出,優(yōu)化后的流量計整體速度分布更加均勻,后導(dǎo)流件部分沒有速度增大較為嚴重的情況出現(xiàn),這表明優(yōu)化后的流量計模型提高了流量計的測量精度。
4結(jié)論
本文針對固井中的特殊工況,采用渦輪流量計計算公式，,對公稱直徑為101.6mm、葉片數(shù)為10的渦輪流量計的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了重新設(shè)計,得到--組更適用于固井泥漿計量的結(jié)構(gòu)參數(shù)。同時,利用CFD軟件分析了流量計內(nèi)流場特征,分析了不同葉輪幾何參數(shù)對儀表系數(shù)的敏感性。仿真結(jié)果表明,在一定范圍內(nèi),各幾何參數(shù)分別存在一個優(yōu)值,使儀表線性度誤差最小。最后,采用Box--Behnken中心組合設(shè)計方法對渦輪流量計進行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化,在各參數(shù)的高低水平范圍內(nèi)尋優(yōu),最終得到一個組合,優(yōu)化后的流量計在固井泥漿計量中測量精度顯著提高,儀表系數(shù)變化更加平穩(wěn),其線性度誤差明顯降低,速度分布也更加均勻。
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