利用(yong)渦輪流量(liàng)計 測量了(le)油水兩相(xiàng)流動時的(de)混合速度(dù)，重點研究(jiū)了油相粘(zhān)度變化和(he)流量計入(ru)口油水相(xiang)含宰變化(hua)對測量👌精(jīng)度♉的影😘響(xiǎng)。實驗采用(yòng)了七種不(bu)同的油相(xiàng)粘度(50,160,225,400，700,1100,1450mPa:s),并在(zai)含油率0-100%範(fàn)圍内記錄(lù)了292組不同(tóng)油水混合(hé)流量下的(de)測量值.研(yan)究結果表(biao)明，當油相(xiang)粘度爲低(dī)粘值50和160mPas時(shi)，渦輪流量(liang)計的測量(liàng)誤差較小(xiǎo)，且不受入(rù)口油相含(hán)率的影💛響(xiang)，絕對誤差(chà)均在+5%以内(nei).當油相粘(zhan)度大于225mPars時(shí)，随着入口(kǒu)油相含率(lü)的增加👉，誤(wù)差逐漸增(zeng)大。當油相(xiang)粘度進一(yi)步🈲提高到(dào)1100mPa's以上時，渦(wō)輪流量計(ji)在較低的(de)入口油相(xiàng)含串下進(jìn)入非線性(xing)失效區.此(cǐ)外💃🏻，實驗數(shù)據還顯示(shì)，用渦輪流(liu)量計測t油(you)水混合流(liu)速時，測量(liang)結果對油(you)水兩相流(liú)流型不敏(min)感..
1引言
　　随(sui)着工業的(de)快速發展(zhǎn)，能源的需(xū)求量日益(yì)增加,陸☎️上(shàng)油氣資源(yuán)🌈日漸枯竭(jie)，促使各國(guó)轉向海洋(yáng)石油的開(kai)發✂️。陸上油(yóu)田輸油管(guǎn)路采用的(de)傳統的計(ji)量技術并(bìng)不完全适(shì)合在海洋(yang)平台使♉用(yòng)，因此促使(shi)工業界和(hé)學術界聯(lian)合開發新(xin)型的結♌構(gòu)緊湊的多(duō)相流量計(jì)。從上個世(shì)㊙️紀80年代以(yi)來，石油工(gōng)業界開始(shi)關注油氣(qì)水混合物(wu)的計量，并(bing)投入了可(kě)觀的人力(lì)和✏️物力來(lái)開發适用(yong)于石油工(gōng)業的多相(xiàng)流量計.多(duō)相計量研(yán)究的困難(nán)來源于多(duo)相流動過(guo)程本身的(de)複雜性，相(xiang)對于單㊙️相(xiang)流可以直(zhi)🐆接地計算(suàn)流速等參(can)數，多相流(liu)模型的建(jiàn)立需👨‍❤️‍👨要考(kǎo)慮🔆的參數(shu)要複雜📱得(dé)多。一般來(lái)說，理想的(de)油氣水三(san)相流量計(jì)應該具有(yǒu)各相5%的計(jì)量精度，并(bìng)要求非侵(qin)入⁉️性，可靠(kào)性，與流型(xing)無關性以(yǐ)及對于整(zheng)個相含率(lü)範圍的适(shi)用性。雖然(rán)近年來提(ti)出了非常(cháng)多的方案(àn)，但到目前(qián)爲㊙️止還沒(méi)有一🆚種😄商(shang)業化的流(liu)量計能完(wan)全達到🐕這(zhe)些标準"。
　　渦(wo)輪流量計(jì)是被工業(yè)界普遍采(cai)用的用于(yu)測量單相(xiang)流動的速(su)💁度式流量(liàng)儀表。它以(yǐ)動量守恒(héng)爲基礎，流(liu)體🆚沖擊渦(wō)輪葉片，使(shǐ)渦輪旋轉(zhuan)。渦輪的旋(xuán)轉速度随(sui)流量🈲的變(bian)化而變化(huà)⭐，最後從渦(wo)輪的轉速(su)求出流量(liàng)值。典型的(de)液體渦輪(lun)流量計的(de)特性曲🥵線(xiàn)(如圖1所🌈示(shì))可以分成(cheng)兩個主要(yao)的區域，即(jí)線性區和(hé)非線性💃區(qu)。渦輪流量(liang)計的有效(xiao)工作區間(jiān)主要包括(kuo)其線性工(gōng)作區間以(yi)及部分非(fēi)線性區間(jiān)。由于渦輪(lún)流量計在(zai)高溫、高壓(ya)等比較🌈嚴(yán)酷的環境(jing)下，仍然具(jù)有較高精(jing)度以及穩(wěn)定性，同時(shí)，相對于其(qi)他流量計(ji)來說，渦🌏輪(lun)流量計有(yǒu)着較大的(de)量程範圍(wei)，并具有對(duì)流動瞬🔞态(tài)變化後的(de)💜快速反應(yīng)的♌特點2,因(yin)此，一些研(yán)究者嘗🈚試(shì)應用渦輪(lun)流量計來(lai)進行兩相(xiàng)👌流量的測(ce)量研究。由(yóu)于測量主(zhu)要針對低(di)黏度的油(yóu)水兩相🌈流(liú)，并且油相(xiàng)含率限定(dìng)在一個非(fēi)常有限的(de)範圍内，因(yīn)此，對于🔞全(quán)油相含率(lü)範圍内的(de)變化及🚶‍♀️高(gāo)粘油相對(dui)于渦輪流(liu)量計測量(liang)造成的影(ying)響等，還有(you)待進一💃🏻步(bu)的研究。
 
　　油水(shui)兩相流的(de)流量計，設(shè)想采用Gammar射(shè)線獲得相(xiang)含率，用渦(wo)輪流量計(ji)來獲得混(hun)合流速，結(jie)合二者結(jié)果得到各(ge)相流量.由(yóu)于原油粘(zhān)度分布變(bian)化很大,爲(wèi)了達👌到這(zhè)個🛀目的，就(jiù)要獲知油(yóu)相粘度變(biàn)化🌈對于渦(wō)輪流量計(jì)測量精度(dù)的影響，從(cong)而确🏃🏻定渦(wō)輪流量計(ji)的工作條(tiao)件和工作(zuo)範圍。同時(shi)，本實驗還(hai)在低粘度(du)條件🐉下流(liu)型對于渦(wo)🚶‍♀️輪流量計(ji)的工作性(xing)能的影響(xiǎng)♍。
2實驗系統(tǒng)
2.1實驗裝置(zhi)
　　本實驗是(shì)在中國科(kē)學院力學(xue)研究所的(de)多相流實(shí)驗平台🏃‍♂️上(shàng)完🏃‍♀️成的。圖(tu)2爲實驗裝(zhuang)置示意圖(tu)。油水分别(bie)由油箱和(he)水箱供應(yīng)🌈，經過各自(zì)的流量計(jì)後，進入實(shi)驗管線，混(hun)合液流經(jing)實驗段後(hou)👈被分離再(zài)循環使用(yong)。實驗管線(xian)采用内徑(jìng)50mm的透明有(you)機玻璃管(guǎn)，易于觀察(chá)🤞油水兩相(xiàng)的流動狀(zhuàng)态，管線從(cóng)入口到分(fen)離器總長(zhang)約35m。
　　實驗管(guǎn)線入口流(liú)量計量，水(shuǐ)相采用電(diàn)磁流量計(ji)，油相采🧑🏽‍🤝‍🧑🏻用(yong)腰輪流量(liang)計，油相和(hé)水相經過(guò)試驗管線(xiàn)後✉️，用LWGY型渦(wō)輪流量計(jì)對❌其進行(háng)混合流速(su)的測量。LWGY型(xíng)渦輪流量(liàng)計公稱通(tōng)徑爲50mm,其測(cè)量流量範(fàn)🤩圍在4m'/h~40m'/h,在測(ce)量單相流(liú)體時，其精(jīng)度🎯可達0.25%。流(liú)型識别采(cǎi)用攝像機(ji)記錄每次(cì)實驗條件(jian)下的流動(dòng)狀态，慢鏡(jing)⛱️頭回放觀(guān)察🔞流型。爲(wèi)保證實驗(yàn)數據的可(ke)靠性，對每(měi)個測量點(diǎn)都在流量(liang)調整後的(de)5min~8min分鍾流動(dòng)相對穩定(dìng)後再采集(ji)數據和觀(guan)測流型。
 
2.2實(shi)驗工質及(jí)實驗過程(chéng)
　　實驗水相(xiang)爲普通自(zì)來水，20℃時的(de)粘度爲1.005mPas,油(yóu)相采用無(wu)色、透明💛的(de)礦物油，俗(su)稱白油，在(zai)常溫常壓(yā)(20C,0.101mPa)下，我們分(fen)别選用其(qí)粘度爲50、160、225、400、700、1100和(hé)1450mPars,共七✊種樣(yàng)品。同時，爲(wèi)便于實驗(yan)時的流🏃型(xing)觀察，在水(shuǐ)中🧑🏾‍🤝‍🧑🏼加入了(le)高錳酸鉀(jia)(顔色劑)以(yi)便于識别(bié)。實驗工質(zhi)溫度控制(zhi)在19℃~21℃,在特定(ding)的粘度下(xia)🌐，給定油相(xiang)流🙇🏻量後,調(diao)整水☁️相流(liu)量，觀察實(shí)驗段的油(you)🔞水兩相流(liu)型，記錄入(rù)口處不同(tong)🈚流型的油(yóu)相和水相(xiang)表觀流速(sù)和實驗段(duàn)的混合流(liú)速。表1給出(chu)了不同粘(zhan)度下的實(shí)驗數組。
 
3結(jie)果與讨論(lùn)
3.1油相粘度(dù)和入口含(han)率的影響(xiang)
　　首先固定(ding)油相粘度(du)，用電磁流(liú)量計測量(liang)入口處水(shui)相流量☀️Qw，用(yòng)腰輪流量(liàng)計測量入(ru)口處油相(xiang)流量QO，分别(bié)得到入口(kou)處油相、水(shuǐ)相的🔞體積(ji)相含率βo和(hé)βw.即:
 
式中QM1爲(wèi)管道入口(kou)處的混合(he)流量。
　　同時(shí)，在實驗管(guan)段用渦輪(lún)流量計測(cè)量兩相混(hùn)合流量(如(ru)圖2所示💰),Qm2，對(duì)比Qm1和Qm2,可以(yǐ)得到渦輪(lun)流量計的(de)測量誤差(chà)❌(相對誤差(cha)):
 
　　圖3至圖9給(gei)出了在七(qī)種不同粘(zhān)度下，渦輪(lun)流量計的(de)測量誤差(chà)随入口處(chu)油相含率(lü)的變化關(guan)系圖。以實(shí)際應㊙️用中(zhong)可以接受(shou)的誤差+5%作(zuò)爲其有效(xiao)工作區間(jian)的判斷标(biāo)準(在圖中(zhōng)，+5%的區間用(yòng)虛線标出(chu))，并且在每(měi)個圖标上(shang)，用一條豎(shù)直的虛線(xian)♉，作爲有效(xiao)💋工作區域(yù)的分界線(xiàn)。圖3給出了(le)油相粘度(du)爲50mPa's時相對(dui)誤差随入(rù)口處油相(xiàng)含率變化(hua)關系圖。可(ke)以看出，在(zai)整個油相(xiang)含率的變(bian)♈化範圍内(nèi)，誤差❓可以(yǐ)控制在+5%以(yi)内，隻有個(ge)别的點超(chao)過了5%的範(fàn)圍，因此可(ke)以認爲在(zai)油相粘度(dù)爲50mPars時，渦輪(lun)流量計在(zài)任⁉️何油相(xiang)含率下均(jun)處于有效(xiào)工作區間(jian)。對于油相(xiang)粘度爲160mPa's的(de)實驗研究(jiu)結果顯示(shi)(如圖4所示(shì)),随着油相(xiàng)含率βo的增(zēng)加，相對誤(wu)差有逐漸(jiàn)增大的趨(qu)勢，同時，絕(jue)對誤差值(zhi)也由βo較小(xiǎo),時的正值(zhi)，變爲βo較大(da)時的負值(zhi)。但是大部(bù)分的入口(kou)油相含率(lü)βo的變化範(fàn)圍内，相對(duì)誤差在+5%以(yi)内，這🔞與黏(nián)度爲50mPars時🤟的(de)情況大體(ti)--緻.
 
　　當油相(xiang)粘度提高(gao)至225mPa·s時(圖5所(suo)示),觀察到(dao)了與圖4相(xiàng)似的曲線(xiàn)變化🧑🏽‍🤝‍🧑🏻趨勢(shì)，不同的是(shi):當β。的小于(yú)70%時，相對誤(wu)差在5%以‼️内(nèi)，渦輪流量(liang)計處于有(you)效工作區(qu)間。然而，随(sui)着β。的增加(jia)，誤差曲線(xian)下降的幅(fú)度增大，當(dang)βo達到70%時，整(zhěng)體誤差超(chāo)過㊙️了5%的界(jiè)線，達到10%以(yǐ)上，此時，渦(wō)輪流量計(ji)超💁出了其(qí)有效工作(zuò)區間，失效(xiao)區開始出(chu)現。
 
　　圖6和圖(tu)7分别給出(chu)了油相粘(zhān)度爲400mPa·s和700mPa·s時(shi)相對誤差(cha)随入口處(chù)油⭐相含率(lǜ)的變化關(guan)系圖。可以(yi)看出，當βo達(dá)到50%~60%時，誤差(cha)出現比較(jiao)陡峭的下(xià)降，其整體(ti)誤差超過(guo)5%的界線，渦(wō)輪流量計(jì)超出了有(you)效🧑🏾‍🤝‍🧑🏼工作區(qū)，而且，随着(zhe)βo的增加，絕(jué)對誤差也(ye)由正值變(biàn)成負值。
 
　　爲(wei)了進一步(bù)研究超粘(zhan)油對于渦(wo)輪流量計(ji)測量精度(dù)的影響😍，我(wǒ)們分别測(cè)量了油相(xiang)粘度爲1100和(he)1450mPars時渦輪✉️流(liu)量計測量(liàng)油水兩相(xiàng)流量時的(de)工作特性(xing)。圖8和圖9給(gei)出了❓實驗(yàn)結果，可以(yǐ)看出，當💋βo僅(jǐn)爲30%~40%左右時(shí)，誤差便開(kai)始急劇下(xia)降。因此，對(duì)于超粘油(you)來說，渦🈲輪(lún)流量計的(de)僅能在低(dī)含油率的(de)情況下工(gōng)作，有效工(gong)作區的😘範(fan)圍非常狹(xiá)窄。
 
　　從上述(shù)實驗結果(guǒ)可以看出(chū)，渦輪流量(liang)計的相對(duì)誤差随着(zhe)入口處油(you)相含率βo的(de)增加有逐(zhú)漸增大的(de)趨勢，并且(qiě)渦🌈輪流量(liang)計的有效(xiào)工作區間(jian)也在逐漸(jiàn)的減少。對(dui)🚶于油相粘(zhān)度較大時(shí)的油水流(liú)動來說，測(ce)量🔞誤差之(zhi)所以随着(zhe)入口處油(yóu)相含率的(de)增加逐漸(jiàn)增大的原(yuan)因是随着(zhe)入口處油(yóu)相含率的(de)增加，導緻(zhi)油水兩相(xiàng)流的實☁️際(jì)黏度在逐(zhu)漸的增大(da)，進而導緻(zhì)了渦輪流(liu)量計的有(you)效工作區(qu)逐漸變窄(zhai)。同時我們(men)還可以看(kàn)出，在其有(yǒu)效💯工作區(qu)域，在粘度(du)🔅較低時，其(qí)絕對誤差(chà)大都爲正(zhèng)值，即測量(liàng)值比真實(shí)值要大㊙️,而(er)在黏度較(jiao)大時，其絕(jue)👉對誤差🎯大(da)都爲負值(zhi)，即💯測量值(zhí)要比真實(shi)值小。
3.2流型(xing)的影響
　　爲(wèi)了考察渦(wo)輪流量計(ji)計量精度(dù)與流型之(zhī)間的關系(xi)，繪制了粘(zhan)度爲50mPa·s時的(de)流型圖，并(bìng)且與以前(qian)的學者得(dé)到的流型(xing)圖進行了(le)比較。實驗(yàn)中流型是(shi)觀察實驗(yan)管段得到(dào)的，同時采(cai)用Lafin和Oglesby提出(chū)的方🐕法來(lai)定義流型(xíng)5)。在一定🐉的(de)混合流🤞速(sù)和輸入油(yóu)相含率下(xia)，在水平📧實(shi)驗管段觀(guān)察到了四(si)種流型，即(ji):分層流(SW),雙(shuang)連續流(DC),油(you)含水(W/O)以及(jí)水✊含油(O/W)。圖(tu)10給出了實(shí)驗中得到(dào)的流型🤞圖(tu)，其中固✨定(dìng)線爲Lovick和Angeli在(zai)2001年😘得到的(de)流型圖.
　　對(duì)于兩個流(liú)型轉化邊(biān)界可以看(kàn)出，本實驗(yàn)中得到的(de)流型圖💋和(hé)Lovick和Angeli得到的(de)流型圖具(jù)有很大的(de)一緻性。同(tong)時，結合粘(zhān)度爲50mPa·s時絕(jue)對誤差随(sui)口處油相(xiang)含率變🛀化(huà)關系圖(如(ru)圖3所示),可(kě)以看出🌈，每(měi)種流型下(xia)的誤差之(zhī)間并沒有(you)明顯的區(qu)别，因此可(ke)以認爲👅，渦(wo)輪流量計(ji)的工作性(xing)能對流型(xing)并♌不是很(hen)敏感。
 
4結論(lùn)
　　應用渦輪(lún)流量計測(cè)量了不同(tóng)油相粘度(dù)下的油水(shuǐ)兩相混合(he)流量,研究(jiu)了油相粘(zhān)度和入口(kǒu)相含率對(duì)其工作性(xìng)能的影響(xiang)，得到了粘(zhān)度爲50，160，225,400，700，1100和1450mPa·s等(deng)七種不同(tong)粘度下，測(ce)量誤🔴差随(suí)入口處油(yóu)相含率💁的(de)變化曲線(xiàn)圖。通過實(shi)驗發現，黏(nian)度爲50mPa·s和160mPa·s時(shí)，在0~-100%的入口(kou)油相含率(lü)變化範圍(wei)内，相對誤(wù)差大都在(zài)±5%以内，可💚認(rèn)爲渦輪流(liu)💯量計工作(zuo)在有效工(gong)作區。但當(dang)粘度大于(yu)225mPa·s,随着油相(xiàng)相含率的(de)增加，誤差(chà)有逐漸增(zēng)大的趨勢(shi)，渦輪流量(liang)計的線性(xing)工作區間(jian)🔞縮窄，并随(sui)着油相粘(zhān)度的進一(yī)步增加，達(dá)到1100mPars時，渦輪(lun)流量計在(zài)很低的油(yóu)相含🤩率下(xia)即進入失(shī)效區，這表(biao)明油水的(de)混合粘度(du)😘是影響渦(wo)🔴輪流量計(jì)線性工作(zuò)區間的主(zhu)要因素。
　　低(dī)粘度下不(bú)同流型時(shí)渦輪流量(liang)計的工作(zuò)性能，通過(guo)✊實驗發現(xian)，不同流型(xing)下其誤差(chà)之間并沒(méi)有明顯的(de)變化，因此(ci)，可以認爲(wèi)其工作性(xìng)能對流型(xíng)不敏感。
　　渦(wō)輪流量計(ji)可以在低(di)混合粘度(du)下用于油(yóu)水兩相流(liu)的✉️流🤟速測(cè)量,高混合(hé)粘度下渦(wo)輪流量計(ji)的線性工(gōng)作區間縮(suo)窄，限制了(le)其測速範(fan)圍，在實際(ji)應用時😍應(yīng)加以注意(yi)。

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