摘要:本文闡述了井下渦輪流量計(jì)的工作特性、理論模型,分析了影響渦輪流量計(jì)起動(dòng)排量的各種因素并且總結(jié)了流體的溫度及密度對渦輪流量計(jì)測量精度的影響,對渦輪流量計(jì)的改善提高有一定的指導(dǎo)作用。
在油田監(jiān)測中，渦輪流量計(jì)因其體積小、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜被廣泛的應(yīng)用。但由于受起動(dòng)排量、流體的溫度、粘度等各種因素的影響,使得渦流量計(jì)在實(shí)際應(yīng)用過程中有偏差,給現(xiàn)場生產(chǎn)帶來了很大的困難,因此有必要對影響渦輪流量計(jì)測量精度的各種因素進(jìn)行分析、總結(jié),使之能更好的為油田生產(chǎn)服務(wù)。
1工作原理
渦輪流量計(jì)是速度式流量測量儀表,它是以動(dòng)量矩守恒原理為基礎(chǔ),通過測量置于被測流體內(nèi)的渦輪的旋轉(zhuǎn)速度n來測量流量Q的大小。渦輪流量計(jì)的特性方程式為:
式中:c為渦輪流量計(jì)流量與轉(zhuǎn)速之間的轉(zhuǎn)換系數(shù);a為與流量計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)、流體性質(zhì)以及流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)的系數(shù)。
2影響因素分析
2.1起動(dòng)排量影響因素分析
如圖1所示:流量計(jì)的工作區(qū)間為QA-QB段,即特性方程線性工作區(qū)。而在流量Qa以下時(shí)，流量與轉(zhuǎn)速不成線性關(guān)系，在一定小的流量下，無信號輸出。因此,在測量過程中,如何降低始動(dòng)流量,提高靈.敏度,減小死區(qū),展寬線性工作區(qū),成為解決小流量測量的關(guān)鍵問題。
對渦輪流量計(jì)的理論模型作如下分析。葉片的旋轉(zhuǎn)如圖2所示。
設(shè)渦輪流量計(jì)內(nèi)流體流向與渦輪葉片成θ傾斜.角,若密度ρ為的流體以速度V沖擊葉片時(shí),將朝上產(chǎn)生與ρVtanθ成正比的力,此外,由于渦輪以角速度旋轉(zhuǎn),故圖中實(shí)際的渦輪驅(qū)動(dòng)力為:
式中:r為渦輪平均旋轉(zhuǎn)半徑
因?yàn)?渦輪驅(qū)動(dòng)力矩Tr與F:成正比,V與Q/s(S為流路面積)成正比,故將這些關(guān)系代入式(2)得:
渦輪在正常狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)時(shí),渦輪驅(qū)動(dòng)力矩Tr等于軸承摩擦等產(chǎn)生的機(jī)械反抗力矩Tm和由流動(dòng)阻力產(chǎn)生的反抗力矩Trf之和,即
從理論可以知道,決定渦輪始動(dòng)流量(即渦輪流量計(jì)的最小靈敏度Qmin)的主要因素,渦輪起動(dòng)時(shí),角速度小,故可以忽略阻力產(chǎn)生的反抗力矩Trf因而式(5)可寫為:
其最小靈敏度Qmin是式(6)右邊第一項(xiàng)和第二項(xiàng)相等時(shí)的流量。即得
而機(jī)械反抗力矩Trm包括渦輪軸與軸承間的摩擦力矩Tr1和電磁反作用力矩Tr2口,即
從式(7)可知,對測量介質(zhì)一定,管徑一定的流體,密度ρ為定值,c3,C4分別為比例常數(shù),橫截面為定值。因此,影響Qmin變化的只有Tm(Tr1,Tr2)。
在流量計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝設(shè)計(jì)時(shí),根據(jù)理論分析,可以采取以下措施作為優(yōu)化設(shè)計(jì)。
①渦輪采用質(zhì)輕的材料,減小渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,使其對流速變化的響應(yīng)性好,渦輪軸與軸承間采用軸尖支撐,軸承采用瑪瑙,減小旋轉(zhuǎn)阻力。
②磁電轉(zhuǎn)換器由光纖接受器取代,消除電磁反作用力矩。同時(shí)提高電磁流量計(jì)的抗干擾能力。
2.2溫度因素的影響
根據(jù)上表做出油對K值得響應(yīng)特性曲線，如圖3所示，冷油(16度)對K值的響應(yīng)特性,即y=11869x-41857;熱油(60度)對K值的響應(yīng)特性,即y=107.42x-2438。
由此可見，溫度的變化對渦輪流量計(jì)K有影響,主要是由于金屬材料熱脹冷縮,幾何尺寸的變化，會(huì)引起渦輪轉(zhuǎn)速的變化,K值也會(huì)隨之改變。
2.3流體密度因素的影響
渦輪啟動(dòng)時(shí),要克服較大的機(jī)械靜摩擦力,因此需要較大始動(dòng)流量。渦輪以一定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)起來以后,需要機(jī)械動(dòng)摩擦力和流體流動(dòng)阻力,轉(zhuǎn)動(dòng)閡值Qmin與ρ0.5成反比,流體密度越大,Qmin越小。這種情況對于密度變化小的液體來說,影響不大,Qmin可視為常數(shù)。但對于多相流體來說,由于溫度、壓力和分相含率的變化,引起P變化,從而影響Qmin.
實(shí)驗(yàn)在以水和空氣為介質(zhì)的流動(dòng)模擬裝置中進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)中在氣體流量固定的前提下,逐漸增大水的流量,測量渦輪的響應(yīng)值。增大氣體的流量,重復(fù)上述操作,得到了下面的渦輪響應(yīng)圖版,其中流量為氣液的合流量。圖中氣體流量為零時(shí),流體的密度最大,測得的響應(yīng)曲線各流量響應(yīng)值最大。由于氣流量增大時(shí),測得流體密度和粘度都變小，所以隨著流體密度的減小，增大。
通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,我們可以得出如下的結(jié)論:
①渦輪流量計(jì)在測量多相流的流量時(shí),在總流量保持不變的情況下,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。
②渦輪流量計(jì)的始動(dòng)流量隨多相流體密度的增大而減小。.
3結(jié)論
通過理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,可以得出如下結(jié)論:
3.1渦輪采用質(zhì)輕的材料,使其對流速變化的響應(yīng)性好,同時(shí)盡量采取措施減少摩擦阻力矩及電磁反作用力矩,通過這些措施可以降低渦輪的起動(dòng)排量。.
3.2溫度的變化會(huì)引起渦輪K值的變化,建議考慮使用對溫度不敏感的材料作為渦輪制造材料。
3.3不同密度下的渦輪K值隨密度增加而增大,因此三相流下要獲得正確的流量還需進(jìn)行密度校
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