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多相流测量中涡轮流量计的影响因素分析

发布时间:2017-09-22 10:08:37
 

摘要:阐述了涡轮流量计的工作原理和动态特性,建立了涡轮流量计的多相流测量模型,并在多相流模拟装置中进行了实验验证,得出了流体密度是涡轮流量计在测量多相流的流量时的影响因子,并且讨论了流体密度影响多相流的流量测量的规律。
在油田生产过程参数(如温度、压力等)检测中,以流量和各相持率测量最为复杂,是较难测量的两个参数,因而,引起了工程技术人员的兴趣。随着油田的发展,被测对象不再局限于单相流,而要对多相流、混合状态的流量进行测量。测量多相流的技术难度要比单相流体的精确测量大的多,知道单相流体的密度、粘度及测量装置的几何结构,便可以对单相流进行定量分析。如果能利用多相流中每一相的上述各物理量对多相流进行测量的话,就很方便。但很遗憾的是,多相流体的特性远比单相流体的特性复杂的多,如各组分之间不能均匀混合、混合流体的异常性、流型转变,相对速度、流体性质、管道结构、流动方向等因素将导致涡轮流量传感器响应特性的改变。
在单相流的条件下,涡轮的转速和流经它的体积流量成一单值线性函数,在油水两相流中,只要流量超过始动流量, 在允许的误差范围内,涡轮的响应和体积流量也是成线性函数。但在多相流动中,即使在总流量保持不变的情况下,混合流体的密度发生变化,也会引起涡轮转速的很大变化。本文就此问题,通过对涡轮流量计的工作原理和特性分析,阐述了在测量多相流时的流量影响因子,并进行了实验验证。
1、工作原理及数学模型建立
涡轮流量计是一种速度式仪表,它是以动量矩守恒原理为基础的,流体冲击涡轮叶片,使涡轮旋转,涡轮的旋转速度随流量的变化而变化,最后从涡轮的转数求出流量值,通过磁电转换装置(或机械输出装置)将涡轮转速变化成电脉冲,送入二次仪表进行计算和显示,由单位时间电脉冲数和累计电脉冲数反映出瞬时流量和累计流量(见图1)。

所以,由动量矩定理可知,涡轮的运动微分方程为:

2、涡轮流量计的特性分析
由式(5)和式(6)可见: 当流体的粘度增大时, 涡轮的转动角速度变小;当流体密度变大时, 涡轮的转动角速度也随之增大。在流体速度较小(相当于层流状态)时, 涡轮的频率响应非线性, 且受流体性质变化影响较大;当流体速度较高(相当于湍流状态)时,式Cf变小, 涡轮响应近似线性, 仪器常数K基本上不受流体粘度变化影响。
涡轮启动时, 要克服较大的机械静摩擦力, 因此需要较大始动流量。涡轮以一定的速度转动起来以后, 需要机械动摩擦力和流体流动阻力, 转动阈值成反比, 流体密度越大,qvmin越小。这种情况对于密度变化小的液体来说,影响不大,qvmin可视为常数。但对于多相流体来说, 由于温度、压力和分相含率的变化, 引起ρ变化, 从而影响qvmin。
3、实验结果分析
实验在以水和空气为介质的流动模拟装置中进行, 实验中在气体流量固定的前提下, 逐渐增大水的流量, 测量涡轮的响应值。增大气体的流量, 重复上述操作, 得到了下面的涡轮响应图版, 其中流量为气液的合流量。图中气体流量为零时, 流体的密度最大, 测得的响应曲线各流量响应值最大。由于气流量增大时, 测得流体密度和粘度都变小, 由式(5)和式(6)推得涡轮的转动角速度也随之变小, 所以随着流体密度的减小, qvmin增大。

4、结论
通过实验验证, 我们可以得出如下的结论:
4.1涡轮流量计在测量多相流的流量时, 在总流量保持不变的情况下, 流体的密度发生变化也会引起涡轮转速的很大变化。
4.2涡轮流量计的始动流量随多相流体密度的增大而减小。
从以上得出的结论可知, 涡轮流量计在测量多相流体的流量的时候, 流体的密度是影响测量精度的主要因素。