利(li)用渦輪(lun)流量計(ji) 測量了(le)油水兩(liang)相流動(dong)時的混(hun)合速度(du)，重點研(yan)究了油(you)相粘度(du)變化和(he)流量計(ji)入口油(you)水相含(han)宰變化(hua)對測量(liang)精度的(de)影響。實(shi)驗采用(yong)了七種(zhong)不同的(de)油相粘(zhan)度(50,160,225,400，700,1100,1450mPa:s),并在(zai)含油率(lü)🌈0-100%範圍内(nei)記錄了(le)📐292組不同(tong)油水混(hun)合流量(liang)下的測(ce)量值.研(yan)究結果(guo)表明💞，當(dang)油相粘(zhan)度爲低(di)粘✔️值50和(he)160mPas時，渦輪(lun)流量計(ji)的測量(liang)誤差較(jiao)小，且不(bu)受入口(kou)油相含(han)率的影(ying)❤️響，絕對(dui)誤差均(jun)🥵在+5%以内(nei).當油相(xiang)粘度大(da)于225mPars時，随(sui)着入口(kou)🈲油相含(han)率的增(zeng)加📧，誤差(cha)逐漸增(zeng)大。當油(you)相粘度(du)進一步(bu)🍉提高到(dao)1100mPa's以上時(shi)，渦輪流(liu)量計在(zai)❌較低的(de)入🈚口油(you)相含串(chuan)🈲下進入(ru)非線性(xing)失效區(qu).此外，實(shi)驗數據(ju)還顯示(shi)，用渦輪(lun)流量計(ji)測t油水(shui)混合流(liu)速時，測(ce)量結果(guo)對油水(shui)兩相流(liu)流型不(bu)敏感..
1引(yin)言
　　随着(zhe)工業的(de)快速發(fa)展，能源(yuan)的需求(qiu)量日益(yi)增加,陸(lu)🐅上油⭐氣(qi)🈲資源日(ri)漸枯竭(jie)，促使各(ge)國轉向(xiang)海洋石(shi)油的🏃🏻‍♂️開(kai)發。陸上(shang)油田輸(shu)油管路(lu)采用的(de)傳統的(de)計量技(ji)術并不(bu)完全适(shi)合在海(hai)洋平台(tai)使用，因(yin)此促使(shi)工業界(jie)和學術(shu)界聯合(he)開發新(xin)型的結(jie)🈚構緊湊(cou)的多相(xiang)流量⭐計(ji)。從上個(ge)世🏃‍♂️紀80年(nian)代以來(lai)，石油工(gong)業界✌️開(kai)始關注(zhu)油氣水(shui)混合物(wu)的計量(liang)，并投入(ru)了♻️可觀(guan)的人力(li)和物力(li)來開發(fa)适用于(yu)石油工(gong)業的多(duo)相流量(liang)計.多相(xiang)計量研(yan)究的困(kun)難來源(yuan)于♍多相(xiang)流動過(guo)程本身(shen)的複雜(za)性，相對(dui)于單相(xiang)流可以(yi)直接地(di)計算流(liu)速等參(can)數，多相(xiang)流模型(xing)的建立(li)需㊙️要考(kao)慮📧的參(can)數要複(fu)雜得多(duo)。一般來(lai)說，理想(xiang)的油氣(qi)水三相(xiang)流量計(ji)應該具(ju)有各相(xiang)5%的計量(liang)精度，并(bing)要求非(fei)侵入性(xing)，可靠性(xing)，與流型(xing)無關性(xing)🌈以及對(dui)于整個(ge)相含率(lü)範圍的(de)适用性(xing)。雖然近(jin)年來提(ti)出了非(fei)常多☔的(de)方案，但(dan)到目前(qian)爲止還(hai)沒有一(yi)🍉種商業(ye)化的流(liu)量計能(neng)完全達(da)到這些(xie)标準"。
　　渦(wo)輪流量(liang)計是被(bei)工業界(jie)普遍采(cai)用的用(yong)于測量(liang)單🥵相流(liu)動的速(su)度式流(liu)量儀表(biao)。它以動(dong)量守恒(heng)爲基礎(chu)🥰，流體☔沖(chong)擊渦輪(lun)葉片，使(shi)渦輪旋(xuan)轉。渦輪(lun)的旋轉(zhuan)速度随(sui)流量🈲的(de)變化📞而(er)變化🧡，最(zui)後從渦(wo)輪的轉(zhuan)速求出(chu)流量值(zhi)。典型❄️的(de)液體渦(wo)輪流量(liang)計的特(te)性曲線(xian)(如圖1所(suo)示)可以(yi)分成兩(liang)個主要(yao)的區域(yu)，即線性(xing)區和非(fei)線性🏒區(qu)。渦輪流(liu)量計的(de)有效工(gong)作區間(jian)主要包(bao)括其✔️線(xian)性🔞工作(zuo)區間以(yi)及部⁉️分(fen)非線性(xing)區間。由(you)于渦輪(lun)流量計(ji)在高溫(wen)、高壓等(deng)比較嚴(yan)酷的環(huan)境下，仍(reng)🌈然具有(you)較高🥵精(jing)度以及(ji)穩定性(xing)，同時，相(xiang)對于其(qi)他流量(liang)計來說(shuo)，渦輪流(liu)量計有(you)着較大(da)的量程(cheng)範圍，并(bing)具有🌍對(dui)流動瞬(shun)态變化(hua)後的快(kuai)速反應(ying)的特點(dian)2,因此，一(yi)些研究(jiu)者嘗試(shi)應用渦(wo)輪流量(liang)計來進(jin)行兩相(xiang)流量的(de)測量研(yan)究🏒。由于(yu)測量主(zhu)要針對(dui)低黏度(du)的油水(shui)兩💃🏻相📐流(liu)，并且油(you)相含率(lü)限定在(zai)一個非(fei)常有限(xian)的範圍(wei)内，因此(ci)，對于全(quan)油相含(han)率範圍(wei)内的變(bian)化及高(gao)粘油相(xiang)對于渦(wo)輪流量(liang)計測量(liang)造成的(de)影響⚽等(deng)，還有待(dai)進一😄步(bu)的研究(jiu)👣。
 
　　油(you)水兩相(xiang)流的流(liu)量計，設(she)想采用(yong)Gammar射線獲(huo)得相含(han)率，用渦(wo)🔅輪🏃‍♀️流量(liang)計來獲(huo)得混合(he)流速，結(jie)合二者(zhe)結果得(de)到各相(xiang)流量.由(you)🏃于原油(you)粘度分(fen)布變化(hua)很大,爲(wei)了達到(dao)這個目(mu)的，就🔅要(yao)獲知油(you)相粘🔱度(du)變化對(dui)于渦輪(lun)流量計(ji)測量精(jing)度的影(ying)響，從而(er)确定渦(wo)輪流量(liang)計的工(gong)作條件(jian)和工作(zuo)範圍。同(tong)時🙇🏻，本實(shi)驗還在(zai)低粘度(du)條件下(xia)流型對(dui)于渦✍️輪(lun)流量計(ji)的工✍️作(zuo)性能的(de)影響。
2實(shi)驗系統(tong)
2.1實驗裝(zhuang)置
　　本實(shi)驗是在(zai)中國科(ke)學院力(li)學研究(jiu)所的多(duo)相流實(shi)驗平🐉台(tai)上完成(cheng)的。圖2爲(wei)實驗裝(zhuang)置示意(yi)圖。油水(shui)分别由(you)油箱和(he)水箱😍供(gong)應，經過(guo)各自的(de)流量計(ji)後，進入(ru)實驗管(guan)線，混合(he)液流經(jing)實驗段(duan)後被分(fen)離再循(xun)環使用(yong)。實驗管(guan)線采用(yong)内徑50mm的(de)透明有(you)機玻璃(li)管，易于(yu)觀察油(you)水兩相(xiang)的🚶流動(dong)狀态，管(guan)線從入(ru)口到分(fen)離器總(zong)長約35m。
　　實(shi)驗管線(xian)入口流(liu)量計量(liang)，水相采(cai)用電磁(ci)流量計(ji)，油相采(cai)用腰輪(lun)流量計(ji)，油相和(he)水相經(jing)過試驗(yan)管線後(hou)，用LWGY型渦(wo)輪流量(liang)計對其(qi)進行混(hun)合流速(su)的測量(liang)。LWGY型渦輪(lun)流量計(ji)公稱通(tong)徑爲50mm,其(qi)測量流(liu)量範圍(wei)在4m'/h~40m'/h,在測(ce)量單相(xiang)流體時(shi)，其精度(du)可達0.25%。流(liu)型識别(bie)采用攝(she)像機記(ji)錄每次(ci)實驗條(tiao)件下的(de)流動狀(zhuang)态，慢鏡(jing)頭回放(fang)觀察流(liu)型。爲保(bao)證實驗(yan)數據的(de)可靠🏃性(xing)，對每個(ge)測量點(dian)都在流(liu)量調整(zheng)後的5min~8min分(fen)鍾流動(dong)相對穩(wen)定後再(zai)采集數(shu)據和觀(guan)測流型(xing)。
 
2.2實驗工(gong)質及實(shi)驗過程(cheng)
　　實驗水(shui)相爲普(pu)通自來(lai)水，20℃時的(de)粘度爲(wei)1.005mPas,油相采(cai)用無色(se)👈、透♋明的(de)礦物油(you)，俗稱白(bai)油，在常(chang)溫常壓(ya)(20C,0.101mPa)下，我們(men)分别選(xuan)⁉️用其粘(zhan)度爲50、160、225、400、700、1100和(he)⭐1450mPars,共七😄種(zhong)樣品。同(tong)時，爲便(bian)于實驗(yan)時的流(liu)🎯型觀察(cha)，在水中(zhong)加入了(le)高錳酸(suan)鉀(顔色(se)劑)以便(bian)于識别(bie)。實驗工(gong)質⛹🏻‍♀️溫度(du)控制在(zai)19℃~21℃,在特定(ding)♉的粘度(du)下♋，給定(ding)油相流(liu)量後,調(diao)整水相(xiang)流量，觀(guan)察實驗(yan)段的油(you)水兩相(xiang)流型，記(ji)錄入口(kou)處不同(tong)流型的(de)油相和(he)☀️水相表(biao)觀流速(su)和實驗(yan)段的混(hun)合流速(su)。表1給出(chu)了不同(tong)粘度下(xia)的實驗(yan)數組。
 
3結(jie)果與讨(tao)論
3.1油相(xiang)粘度和(he)入口含(han)率的影(ying)響
　　首先(xian)固定油(you)相粘度(du)，用電磁(ci)流量計(ji)測量入(ru)口處水(shui)相流量(liang)Qw，用腰🏃🏻輪(lun)流量計(ji)測量入(ru)口處油(you)相流量(liang)QO，分别得(de)到入口(kou)⚽處油相(xiang)、水相的(de)💯體積相(xiang)含率βo和(he)βw.即:
 
式中(zhong)QM1爲管道(dao)入口處(chu)的混合(he)流量。
　　同(tong)時，在實(shi)驗管段(duan)用渦輪(lun)流量計(ji)測量兩(liang)相混合(he)流量(如(ru)📐圖㊙️2所示(shi)⛷️),Qm2，對比Qm1和(he)Qm2,可以得(de)到渦輪(lun)流量計(ji)的測量(liang)誤差(相(xiang)對誤差(cha)🔱):
 
　　圖3至圖(tu)9給出了(le)在七種(zhong)不同粘(zhan)度下，渦(wo)輪流量(liang)計的測(ce)量🤟誤差(cha)随入口(kou)處油相(xiang)含率的(de)變化關(guan)系圖。以(yi)實💰際應(ying)用中可(ke)以接受(shou)的誤差(cha)+5%作爲其(qi)有效工(gong)作區間(jian)💯的判斷(duan)标準(在(zai)圖中，+5%的(de)區間用(yong)虛線标(biao)出)，并且(qie)在每個(ge)圖标上(shang)🌍，用一條(tiao)豎直的(de)虛線，作(zuo)爲有效(xiao)工作區(qu)域🏒的分(fen)界線。圖(tu)3給出了(le)油相粘(zhan)度爲50mPa's時(shi)相🤩對誤(wu)差随入(ru)口處油(you)相含率(lü)變化關(guan)系圖。可(ke)㊙️以看出(chu)，在整個(ge)油相含(han)率的變(bian)😘化範圍(wei)内，誤差(cha)可以控(kong)制在+5%以(yi)内，隻有(you)個别的(de)點超過(guo)了5%的範(fan)圍，因此(ci)可以認(ren)爲在油(you)相粘度(du)爲50mPars時，渦(wo)輪流量(liang)計在任(ren)何油相(xiang)含率下(xia)均處于(yu)有效⚽工(gong)作區間(jian)。對于油(you)相粘度(du)爲160mPa's的實(shi)驗研究(jiu)結果顯(xian)示(如圖(tu)4所示),随(sui)着油相(xiang)含率βo的(de)增加，相(xiang)對誤差(cha)有逐漸(jian)💯增大的(de)趨勢，同(tong)時，絕對(dui)誤差值(zhi)也由βo較(jiao)小,時的(de)正值，變(bian)爲βo較大(da)時的負(fu)值。但是(shi)大部分(fen)的入口(kou)油相含(han)率βo的變(bian)化範圍(wei)内，相對(dui)誤差在(zai)+5%以内，這(zhe)與黏度(du)爲50mPars時的(de)情況大(da)體--緻.
 
　　當(dang)油相粘(zhan)度提高(gao)至225mPa·s時(圖(tu)5所示),觀(guan)察到了(le)與圖4相(xiang)似的曲(qu)☂️線🌐變♍化(hua)趨勢，不(bu)同的是(shi):當β。的小(xiao)于70%時，相(xiang)對誤差(cha)在5%以内(nei)，渦輪流(liu)🔆量計處(chu)于有效(xiao)工作區(qu)間。然而(er)，随着β。的(de)增加，誤(wu)差曲線(xian)下降的(de)幅度增(zeng)大，當🌈βo達(da)到70%時，整(zheng)體誤差(cha)超過了(le)5%的界線(xian)，達到10%以(yi)上，此時(shi)，渦輪⛹🏻‍♀️流(liu)量計超(chao)出了其(qi)有效工(gong)作區間(jian)，失效區(qu)開始出(chu)現。
 
　　圖6和(he)圖7分别(bie)給出了(le)油相粘(zhan)度爲400mPa·s和(he)700mPa·s時相對(dui)誤差随(sui)入口🛀處(chu)油相含(han)率的變(bian)化關系(xi)圖。可以(yi)看出，當(dang)βo達到50%~60%時(shi)，誤差出(chu)🐅現比㊙️較(jiao)陡峭的(de)下降，其(qi)整體誤(wu)差超過(guo)5%的😄界線(xian)，渦輪流(liu)量計超(chao)出了有(you)效工作(zuo)區，而且(qie)，随着βo的(de)增加，絕(jue)對誤差(cha)也由正(zheng)值變成(cheng)負值。
 
　　爲(wei)了進一(yi)步研究(jiu)超粘油(you)對于渦(wo)輪流量(liang)計測量(liang)精🔱度的(de)影響，我(wo)☔們分别(bie)測量了(le)油相粘(zhan)度爲1100和(he)1450mPars時渦輪(lun)流量💘計(ji)測🐆量油(you)🐪水兩相(xiang)流❓量時(shi)的工作(zuo)特性。圖(tu)8和圖9給(gei)出了實(shi)驗結果(guo)，可以看(kan)出，當βo僅(jin)爲30%~40%左右(you)時，誤差(cha)便開始(shi)急劇下(xia)降。因此(ci)，對于超(chao)粘油來(lai)說，渦輪(lun)流量計(ji)的僅能(neng)在低含(han)油率的(de)情況下(xia)工作，有(you)效工作(zuo)區的範(fan)圍非常(chang)狹窄。
 
　　從(cong)上述實(shi)驗結果(guo)可以看(kan)出，渦輪(lun)流量計(ji)的相對(dui)誤差🚶随(sui)着入口(kou)💞處油相(xiang)含率βo的(de)增加有(you)逐漸增(zeng)大的趨(qu)👣勢，并❄️且(qie)渦輪流(liu)量計的(de)有❓效工(gong)作區間(jian)也在逐(zhu)漸的減(jian)少。對于(yu)油相粘(zhan)度較💯大(da)時的油(you)水流🐆動(dong)來說，測(ce)量誤差(cha)之所以(yi)随着入(ru)口處油(you)相含率(lü)的增加(jia)逐漸增(zeng)大的原(yuan)因是随(sui)着入口(kou)處油相(xiang)含率的(de)增加，導(dao)緻油水(shui)兩相流(liu)的實際(ji)黏度在(zai)逐漸的(de)增大，進(jin)而導緻(zhi)了渦輪(lun)流量計(ji)的有效(xiao)工作💜區(qu)逐漸變(bian)🍉窄。同時(shi)我們還(hai)可以看(kan)出，在其(qi)有效工(gong)作區域(yu)，在粘度(du)較低時(shi)，其絕對(dui)誤差大(da)都爲正(zheng)值，即🚶測(ce)量值比(bi)真實值(zhi)要大,而(er)在🥵黏度(du)較大時(shi)，其絕對(dui)誤差大(da)都爲負(fu)值，即測(ce)量值要(yao)比真實(shi)值小。
3.2流(liu)型的影(ying)響
　　爲了(le)考察渦(wo)輪流量(liang)計計量(liang)精度與(yu)流型之(zhi)間的關(guan)系🈲，繪👄制(zhi)了粘度(du)爲50mPa·s時的(de)流型圖(tu)，并且與(yu)以前的(de)學者得(de)到🔞的流(liu)型圖進(jin)行了比(bi)較。實驗(yan)中流型(xing)是觀察(cha)實驗管(guan)段得到(dao)的，同時(shi)采⁉️用Lafin和(he)Oglesby提出的(de)方法來(lai)定義流(liu)🚶型5)。在一(yi)定的混(hun)合流速(su)和輸入(ru)油相含(han)率下，在(zai)水平♋實(shi)驗管段(duan)觀察到(dao)了四種(zhong)流型，即(ji):分層流(liu)(SW),雙連續(xu)流(DC),油含(han)水(W/O)以及(ji)🏃🏻水💔含油(you)(O/W)。圖10給出(chu)了實驗(yan)中得到(dao)的流型(xing)💋圖，其中(zhong)固定線(xian)爲Lovick和Angeli在(zai)2001年得到(dao)的流型(xing)圖.
　　對于(yu)兩個流(liu)型轉化(hua)邊界可(ke)以看出(chu)，本實驗(yan)中得到(dao)的流型(xing)㊙️圖和🙇🏻Lovick和(he)Angeli得到的(de)流型圖(tu)具有很(hen)大的一(yi)緻性。同(tong)時，結合(he)粘度⛷️爲(wei)50mPa·s時絕對(dui)🌈誤差随(sui)口處油(you)相含率(lü)變化關(guan)系圖(如(ru)圖3所示(shi)),可以看(kan)出，每種(zhong)流型下(xia)的誤差(cha)之間并(bing)沒有明(ming)顯的區(qu)别，因此(ci)可以認(ren)爲，渦輪(lun)流量📞計(ji)的工作(zuo)性能對(dui)流型并(bing)不是很(hen)敏感。
 
4結(jie)論
　　應用(yong)渦輪流(liu)量計測(ce)量了不(bu)同油相(xiang)粘度下(xia)的油水(shui)兩相混(hun)合流量(liang),研究了(le)油相粘(zhan)度和入(ru)口相含(han)率對☎️其(qi)工作性(xing)能的❗影(ying)響，得到(dao)了粘度(du)爲50，160，225,400，700，1100和1450mPa·s等(deng)七種不(bu)同粘度(du)下，測量(liang)誤差随(sui)入口處(chu)油相含(han)率的變(bian)化曲線(xian)圖。通過(guo)實驗發(fa)現，黏度(du)爲50mPa·s和160mPa·s時(shi)，在0~-100%的入(ru)口油相(xiang)含率🐇變(bian)化範圍(wei)内🐪，相對(dui)誤差大(da)都在±5%以(yi)内，可認(ren)爲渦輪(lun)流🌈量計(ji)工作在(zai)有📞效工(gong)作區。但(dan)當粘度(du)大于225mPa·s,随(sui)着油相(xiang)相含率(lü)的增加(jia)，誤💚差有(you)逐漸增(zeng)大的趨(qu)勢，渦輪(lun)流量計(ji)♊的線性(xing)工作區(qu)間縮窄(zhai)，并随着(zhe)油相粘(zhan)度的進(jin)一步增(zeng)加，達到(dao)1100mPars時，渦輪(lun)流量計(ji)在很低(di)的油相(xiang)含💋率下(xia)即進入(ru)失效區(qu)，這表明(ming)油水的(de)混合粘(zhan)度是影(ying)響渦輪(lun)流量計(ji)線性工(gong)作區間(jian)的😘主要(yao)因素。
　　低(di)粘度下(xia)不同流(liu)型時渦(wo)輪流量(liang)計的工(gong)作性能(neng)，通過實(shi)驗發✨現(xian)❓，不同流(liu)型下其(qi)誤差之(zhi)間并沒(mei)有明顯(xian)的變化(hua)，因此，可(ke)以認🔞爲(wei)其工作(zuo)性能對(dui)流型不(bu)敏感。
　　渦(wo)輪流量(liang)計可以(yi)在低混(hun)合粘度(du)下用于(yu)油水兩(liang)相流的(de)流速測(ce)💋量,高混(hun)合粘度(du)下渦輪(lun)流量計(ji)的線性(xing)工作區(qu)間🏃🏻‍♂️縮窄(zhai)，限制了(le)其測速(su)範圍，在(zai)實際應(ying)用時應(ying)加以注(zhu)意。

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