利用渦輪流量計測量了油水兩相流動時的混合速度，重點研究了油相粘度變化和流量計入口油水相含宰變化對測量精度的影響。實驗采用了七種不同的油相粘度(50,160,225,400，700,1100,1450mPa:s),并在含油率0-100%范圍內(nèi)記錄了292組不同油水混合流量下的測量值.研究結(jié)果表明，當(dāng)油相粘度為低粘值50和160mPas時，渦輪流量計的測量誤差較小，且不受入口油相含率的影響，絕對誤差均在+5%以內(nèi).當(dāng)油相粘度大于225mPars時，隨著入口油相含率的增加，誤差逐漸增大。當(dāng)油相粘度進一步提高到1100mPa's以上時，渦輪流量計在較低的入口油相含串下進入非線性失效區(qū).此外，實驗數(shù)據(jù)還顯示，用渦輪流量計測t油水混合流速時，測量結(jié)果對油水兩相流流型不敏感..
1引言
隨著工業(yè)的快速發(fā)展，能源的需求量日益增加,陸上油氣資源日漸枯竭，促使各國轉(zhuǎn)向海洋石油的開發(fā)。陸上油田輸油管路采用的傳統(tǒng)的計量技術(shù)并不完全適合在海洋平臺使用，因此促使工業(yè)界和學(xué)術(shù)界聯(lián)合開發(fā)新型的結(jié)構(gòu)緊湊的多相流量計。從上個世紀(jì)80年代以來，石油工業(yè)界開始關(guān)注油氣水混合物的計量，并投入了可觀的人力和物力來開發(fā)適用于石油工業(yè)的多相流量計.多相計量研究的困難來源于多相流動過程本身的復(fù)雜性，相對于單相流可以直接地計算流速等參數(shù)，多相流模型的建立需要考慮的參數(shù)要復(fù)雜得多。一般來說，理想的油氣水三相流量計應(yīng)該具有各相5%的計量精度，并要求非侵入性，可靠性，與流型無關(guān)性以及對于整個相含率范圍的適用性。雖然近年來提出了非常多的方案，但到目前為止還沒有一種商業(yè)化的流量計能完全達到這些標(biāo)準(zhǔn)"。
渦輪流量計是被工業(yè)界普遍采用的用于測量單相流動的速度式流量儀表。它以動量守恒為基礎(chǔ)，流體沖擊渦輪葉片，使渦輪旋轉(zhuǎn)。渦輪的旋轉(zhuǎn)速度隨流量的變化而變化，最后從渦輪的轉(zhuǎn)速求出流量值。典型的液體渦輪流量計的特性曲線(如圖1所示)可以分成兩個主要的區(qū)域，即線性區(qū)和非線性區(qū)。渦輪流量計的有效工作區(qū)間主要包括其線性工作區(qū)間以及部分非線性區(qū)間。由于渦輪流量計在高溫、高壓等比較嚴(yán)酷的環(huán)境下，仍然具有較高精度以及穩(wěn)定性，同時，相對于其他流量計來說，渦輪流量計有著較大的量程范圍，并具有對流動瞬態(tài)變化后的快速反應(yīng)的特點2,因此，一些研究者嘗試應(yīng)用渦輪流量計來進行兩相流量的測量研究。由于測量主要針對低黏度的油水兩相流，并且油相含率限定在一個非常有限的范圍內(nèi)，因此，對于全油相含率范圍內(nèi)的變化及高粘油相對于渦輪流量計測量造成的影響等，還有待進一步的研究。
油水兩相流的流量計，設(shè)想采用Gammar射線獲得相含率，用渦輪流量計來獲得混合流速，結(jié)合二者結(jié)果得到各相流量.由于原油粘度分布變化很大,為了達到這個目的，就要獲知油相粘度變化對于渦輪流量計測量精度的影響，從而確定渦輪流量計的工作條件和工作范圍。同時，本實驗還在低粘度條件下流型對于渦輪流量計的工作性能的影響。
2實驗系統(tǒng)
2.1實驗裝置
本實驗是在中國科學(xué)院力學(xué)研究所的多相流實驗平臺上完成的。圖2為實驗裝置示意圖。油水分別由油箱和水箱供應(yīng)，經(jīng)過各自的流量計后，進入實驗管線，混合液流經(jīng)實驗段后被分離再循環(huán)使用。實驗管線采用內(nèi)徑50mm的透明有機玻璃管，易于觀察油水兩相的流動狀態(tài)，管線從入口到分離器總長約35m。
實驗管線入口流量計量，水相采用電磁流量計，油相采用腰輪流量計，油相和水相經(jīng)過試驗管線后，用LWGY型渦輪流量計對其進行混合流速的測量。LWGY型渦輪流量計公稱通徑為50mm,其測量流量范圍在4m'/h~40m'/h,在測量單相流體時，其精度可達0.25%。流型識別采用攝像機記錄每次實驗條件下的流動狀態(tài)，慢鏡頭回放觀察流型。為保證實驗數(shù)據(jù)的可靠性，對每個測量點都在流量調(diào)整后的5min~8min分鐘流動相對穩(wěn)定后再采集數(shù)據(jù)和觀測流型。
2.2實驗工質(zhì)及實驗過程
實驗水相為普通自來水，20℃時的粘度為1.005mPas,油相采用無色、透明的礦物油，俗稱白油，在常溫常壓(20C,0.101mPa)下，我們分別選用其粘度為50、160、225、400、700、1100和1450mPars,共七種樣品。同時，為便于實驗時的流型觀察，在水中加入了高錳酸鉀(顏色劑)以便于識別。實驗工質(zhì)溫度控制在19℃~21℃,在特定的粘度下，給定油相流量后,調(diào)整水相流量，觀察實驗段的油水兩相流型，記錄入口處不同流型的油相和水相表觀流速和實驗段的混合流速。表1給出了不同粘度下的實驗數(shù)組。
3結(jié)果與討論
3.1油相粘度和入口含率的影響
首先固定油相粘度，用電磁流量計測量入口處水相流量Qw，用腰輪流量計測量入口處油相流量QO，分別得到入口處油相、水相的體積相含率βo和βw.即:
式中QM1為管道入口處的混合流量。
同時，在實驗管段用渦輪流量計測量兩相混合流量(如圖2所示),Qm2，對比Qm1和Qm2,可以得到渦輪流量計的測量誤差(相對誤差):
圖3至圖9給出了在七種不同粘度下，渦輪流量計的測量誤差隨入口處油相含率的變化關(guān)系圖。以實際應(yīng)用中可以接受的誤差+5%作為其有效工作區(qū)間的判斷標(biāo)準(zhǔn)(在圖中，+5%的區(qū)間用虛線標(biāo)出)，并且在每個圖標(biāo)上，用一條豎直的虛線，作為有效工作區(qū)域的分界線。圖3給出了油相粘度為50mPa's時相對誤差隨入口處油相含率變化關(guān)系圖。可以看出，在整個油相含率的變化范圍內(nèi)，誤差可以控制在+5%以內(nèi)，只有個別的點超過了5%的范圍，因此可以認為在油相粘度為50mPars時，渦輪流量計在任何油相含率下均處于有效工作區(qū)間。對于油相粘度為160mPa's的實驗研究結(jié)果顯示(如圖4所示),隨著油相含率βo的增加，相對誤差有逐漸增大的趨勢，同時，絕對誤差值也由βo較小,時的正值，變?yōu)棣耾較大時的負值。但是大部分的入口油相含率βo的變化范圍內(nèi)，相對誤差在+5%以內(nèi)，這與黏度為50mPars時的情況大體--致.
當(dāng)油相粘度提高至225mPa·s時(圖5所示),觀察到了與圖4相似的曲線變化趨勢，不同的是:當(dāng)β。的小于70%時，相對誤差在5%以內(nèi)，渦輪流量計處于有效工作區(qū)間。然而，隨著β。的增加，誤差曲線下降的幅度增大，當(dāng)βo達到70%時，整體誤差超過了5%的界線，達到10%以上，此時，渦輪流量計超出了其有效工作區(qū)間，失效區(qū)開始出現(xiàn)。
圖6和圖7分別給出了油相粘度為400mPa·s和700mPa·s時相對誤差隨入口處油相含率的變化關(guān)系圖。可以看出，當(dāng)βo達到50%~60%時，誤差出現(xiàn)比較陡峭的下降，其整體誤差超過5%的界線，渦輪流量計超出了有效工作區(qū)，而且，隨著βo的增加，絕對誤差也由正值變成負值。
為了進一步研究超粘油對于渦輪流量計測量精度的影響，我們分別測量了油相粘度為1100和1450mPars時渦輪流量計測量油水兩相流量時的工作特性。圖8和圖9給出了實驗結(jié)果，可以看出，當(dāng)βo僅為30%~40%左右時，誤差便開始急劇下降。因此，對于超粘油來說，渦輪流量計的僅能在低含油率的情況下工作，有效工作區(qū)的范圍非常狹窄。
從上述實驗結(jié)果可以看出，渦輪流量計的相對誤差隨著入口處油相含率βo的增加有逐漸增大的趨勢，并且渦輪流量計的有效工作區(qū)間也在逐漸的減少。對于油相粘度較大時的油水流動來說，測量誤差之所以隨著入口處油相含率的增加逐漸增大的原因是隨著入口處油相含率的增加，導(dǎo)致油水兩相流的實際黏度在逐漸的增大，進而導(dǎo)致了渦輪流量計的有效工作區(qū)逐漸變窄。同時我們還可以看出，在其有效工作區(qū)域，在粘度較低時，其絕對誤差大都為正值，即測量值比真實值要大,而在黏度較大時，其絕對誤差大都為負值，即測量值要比真實值小。
3.2流型的影響
為了考察渦輪流量計計量精度與流型之間的關(guān)系，繪制了粘度為50mPa·s時的流型圖，并且與以前的學(xué)者得到的流型圖進行了比較。實驗中流型是觀察實驗管段得到的，同時采用Lafin和Oglesby提出的方法來定義流型5)。在一定的混合流速和輸入油相含率下，在水平實驗管段觀察到了四種流型，即:分層流(SW),雙連續(xù)流(DC),油含水(W/O)以及水含油(O/W)。圖10給出了實驗中得到的流型圖，其中固定線為Lovick和Angeli在2001年得到的流型圖.
對于兩個流型轉(zhuǎn)化邊界可以看出，本實驗中得到的流型圖和Lovick和Angeli得到的流型圖具有很大的一致性。同時，結(jié)合粘度為50mPa·s時絕對誤差隨口處油相含率變化關(guān)系圖(如圖3所示),可以看出，每種流型下的誤差之間并沒有明顯的區(qū)別，因此可以認為，渦輪流量計的工作性能對流型并不是很敏感。
4結(jié)論
應(yīng)用渦輪流量計測量了不同油相粘度下的油水兩相混合流量,研究了油相粘度和入口相含率對其工作性能的影響，得到了粘度為50，160，225,400，700，1100和1450mPa·s等七種不同粘度下，測量誤差隨入口處油相含率的變化曲線圖。通過實驗發(fā)現(xiàn)，黏度為50mPa·s和160mPa·s時，在0~-100%的入口油相含率變化范圍內(nèi)，相對誤差大都在±5%以內(nèi)，可認為渦輪流量計工作在有效工作區(qū)。但當(dāng)粘度大于225mPa·s,隨著油相相含率的增加，誤差有逐漸增大的趨勢，渦輪流量計的線性工作區(qū)間縮窄，并隨著油相粘度的進一步增加，達到1100mPars時，渦輪流量計在很低的油相含率下即進入失效區(qū)，這表明油水的混合粘度是影響渦輪流量計線性工作區(qū)間的主要因素。
低粘度下不同流型時渦輪流量計的工作性能，通過實驗發(fā)現(xiàn)，不同流型下其誤差之間并沒有明顯的變化，因此，可以認為其工作性能對流型不敏感。
渦輪流量計可以在低混合粘度下用于油水兩相流的流速測量,高混合粘度下渦輪流量計的線性工作區(qū)間縮窄，限制了其測速范圍，在實際應(yīng)用時應(yīng)加以注意。
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