摘要：對(duì)渦輪流量傳感器進(jìn)行了理論分析,給出了渦輪流量計(jì)儀表常數(shù)的計(jì)算方法，討論了獲得較大固有儀表常數(shù)K。時(shí)渦輪傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)(如葉片數(shù)、渦輪半徑、口徑等)的優(yōu)化組合問題，通過多相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出K。與流動(dòng)密度之間的實(shí)驗(yàn)關(guān)系，由此給出用渦輪流量計(jì)測(cè)量多相流的半理論半經(jīng)驗(yàn)公式，并在油井多相流量測(cè)量中得到了實(shí)際應(yīng)用,符合較好。
1引言
工業(yè)生產(chǎn)過程參數(shù)(如溫度、壓力等)檢測(cè)中,以流量和各相持率測(cè)量最為復(fù)雜,是較難測(cè)量的兩個(gè)參數(shù),因而，引起了工程技術(shù)人員的興趣。隨著工業(yè)的發(fā)展,被測(cè)對(duì)象不再限于單相,而要對(duì)多相流、混合狀態(tài)的流量進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量多相流的技術(shù)難度要比單相流體的精確測(cè)量大得多,知道單相流體的密度、粘度及測(cè)量裝置的幾何結(jié)構(gòu),便可以對(duì)單相流進(jìn)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(duì)多相流進(jìn)行測(cè)量得話,就很方便。但遺憾的是,多相流體的特性遠(yuǎn)比單相流體的特性復(fù)雜得多,如各組分之間不能均勻混合、混合流體的異常性、流型轉(zhuǎn)變,相對(duì)速度、流體性質(zhì)、管道結(jié)構(gòu)、流動(dòng)方向等因素將導(dǎo)致渦輪流量傳感器響應(yīng)特性的改變。
渦輪流量傳感器和顯示儀表組成的渦輪流量計(jì)以良好的重復(fù)性、寬廣的線性工作區(qū)和精度高而受到用戶的歡迎。渦輪流量計(jì)在測(cè)量單相時(shí)，工作穩(wěn)定性較好，但在多相流動(dòng)時(shí)，由于各相的速度、粘度、局部持率等因:素,影響渦輪轉(zhuǎn)速。按常規(guī),同一流量所對(duì)應(yīng)的渦輪轉(zhuǎn)速保持不變,即儀器常數(shù)不變。但在多相流動(dòng)時(shí),即使在總流量保持不變的情況下，混合流體的密度發(fā)生變化,也會(huì)引起渦輪轉(zhuǎn)速的很大變化。由于在多相流動(dòng)中,渦輪響應(yīng)特性發(fā)生了變化，目前面臨的問題是渦輪流量傳感器是否能成功地應(yīng)用于多相流的測(cè)量及如何設(shè)計(jì)用于多相流測(cè)量的渦輪流量傳感器。就此問題,這里,首先對(duì)渦輪傳感器進(jìn)行了理論分析,然后給出三相流動(dòng)中渦輪流量計(jì)的實(shí)驗(yàn)響應(yīng)特性,最后總結(jié)出用渦輪流量計(jì)測(cè)量多相流流量的半理論半經(jīng)驗(yàn)公式。
2渦輪流量計(jì)測(cè)量原理
2.1流量計(jì)的響應(yīng)方程
渦輪流量計(jì)通過渦輪轉(zhuǎn)數(shù)反映被測(cè)流量的大小，渦輪轉(zhuǎn)N與流量Q之間的關(guān)系可以表示為:
N=K(Q--q)(1)
式中K一儀表常
q一啟動(dòng)流量,通過標(biāo)定獲得
2.2渦輪流量計(jì)固有儀表常數(shù)的理論計(jì)算
渦輪流量計(jì)固有儀表常數(shù)K0主要與渦輪傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。(圖1),K0可按下式計(jì)算中:
式(2)可見,對(duì)確定的渦輪流量傳感器，易知口徑D大,K0值小;葉片數(shù)n大,K0值大等。如果要獲得較大的儀表常數(shù),就要對(duì)渦輪傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),從圖(2)可以看出,葉片高度h增加,K。增大;導(dǎo)程角增大,K0增大。對(duì)于φ19的過環(huán)空大排量渦輪流量計(jì)而言,由.上式計(jì)算得K0=74.567rpm/m3/d,而水中標(biāo)定的Kw=78.89rpm/m3/d,表1給出不同口徑和不同導(dǎo)程角下渦輪流量計(jì)固有儀表常數(shù)的計(jì)算值。
3渦輪流量計(jì)在多相流中的響應(yīng)實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)在以空氣柴油和水為介質(zhì)的三相流動(dòng)模擬裝置中進(jìn)行,透明的井簡內(nèi)徑為125mm,流體全部集流后進(jìn)入流量計(jì)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),總流量相等,但流動(dòng)密度不等的實(shí)驗(yàn),K0值變化較大;流動(dòng)密度相等,總流量不等的實(shí)驗(yàn),K0值變化較小(圖3)。多相流動(dòng)中渦輪儀器常數(shù)校正因子Ck與流動(dòng)密度ρn之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系為Ck=ρ0.5。
4多相流流量測(cè)量
由于機(jī)械加工及安裝工藝等方面的原因,按渦輪流量計(jì)固有儀表常數(shù)設(shè)計(jì)的渦輪,必須在水中標(biāo)定后才能使用，設(shè)水中標(biāo)定的渦輪儀表常數(shù)為Kw,則通過上述理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，歸納總結(jié)出渦輪流量計(jì)在多相流動(dòng)中的響應(yīng)方程為:
Q=N/K+q.(3)
K=Kw+K0(ρn0.5-1)(4)
式中Kw---為水中標(biāo)定的儀表常數(shù)
如果用全集流型渦輪流量計(jì)測(cè)得渦輪轉(zhuǎn)數(shù)N,在標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量裝置上通過標(biāo)定獲得Kw和q,結(jié)合輔助參數(shù)ρn就可以用公式(3)計(jì)算出多相流總量。用(3)式在油.井的油、氣、水多相流流量測(cè)量中得到了實(shí)際應(yīng)用,計(jì)算誤差在5%以內(nèi)。
5結(jié)論
通過理論計(jì)算和多相流實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出了渦輪流量計(jì)儀器常數(shù)在多相流動(dòng)中的實(shí)驗(yàn)關(guān)系,結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn),給出了用渦輪流量計(jì)測(cè)量多相流總流量的半經(jīng)驗(yàn)半理論關(guān)系式，實(shí)際應(yīng)用證明該方法可行。
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