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应用涡轮流量计测量油水两相混合流量

发布时间:2017-11-04
 

应用涡轮流量计测量油水两相流混合流量,重点研究油相粘度和入口相含率对测量精度的影响。通过试验给出了测量误差随油相粘度和入口相含率变化的试验曲线图。结果表明:油相粘度和入口相含率对测量误差有显著的影响,特别是油相粘度较高时。
随着工业快速发展,能源需求量越来越大,而陆上油气资源的日益紧缺,促使各国转向海洋石油的开发。但陆上油田采用的传统计量技术并不完全适合于海洋平台使用,这促使工业界和学术界联合开发新型的结构紧凑的多相流量计。目前国内的研究大都集中于气液两相流的测量,且集中于流动中分散相的测量,而对油水混合流量的测量研究较少。
涡轮流量计是被工业界普遍采用的用于测量单相流动的速度式流量仪表。由于在高温、高压等比较严酷的环境下,仍然具有较高精度以及稳定性;与其他流量计相比,具有较大的测量范围;对流动的瞬态变化具有快速反应的特点,因此,应用涡轮流量计测量两相流有着良好的前景。本次试验主要考察用涡轮流量计测量油水两相流时,油相粘度对测量精度的影响。
1、试验系统
1.1试验装置
本试验在中国科学院力学研究所多相流动实验平台上完成。图1为试验装置示意图。油和水分别由油箱和水箱供应,经过各自的流量计后,进入试验管线,混合液流经试验段后被分离再循环使用。试验管线采用内径50mm的透明有机玻璃管,这有利于观察油水两相的流动状态,管线从入口到分离器长约35m。
流量计量:水相采用电磁流量计,油相采用腰轮流量计,油相和水相经过试验管线后,用LWGY型涡轮流量计对其混合流进行测量。LWGY型涡轮流量计的公称通径为50mm,测量流量范围在1~15m3/h,在测量单相流体时,其精度可达0.25%。流型识别系采用高速摄像机记录每次试验条件下的流动状态,慢镜头回放观察流型。为保证试验数据的准确可靠,对每个测量点,都在调整流量后的5-8min,流动相对稳定后再采集数据和观测流型。
1.2试验工质及试验过程
试验水相为自来水,20℃时的粘度为1.005mPa·s。油相采用无色、透明的矿物油,俗称白油,在常温常压(20℃,0.101mPa)下,分别选用粘度为50、160、225、400、700、1100和1450mPa·s的七种样品。同时,为便于观察试验流型,在水中加入高锰酸钾(着色剂)。试验工质温度控制在19~2l℃,在特定粘度下,给定油相流量后,调整水相流量,通过可视化手段观察试验段的油水两相流型,记录入口处不同流型的油相和水相表观流量和试验段的混合流量。表1给出了不同粘度下的试验数据。
2、结果与讨论
2.1全油时试验结果
本试验首先在油相粘度分别为50、160、225、700、1450mPa·S时,用涡轮流量计测量完成了全油时单相流量的测量,结果如图2所示。
本文以工程中能接受的±5%相对误差作为其有效工作区间的判断标准(在图中,±5%的区间用虚线标出),作为有效工作区域的分界线。从图中可以看出,当粘度为50mPa·s时,其测量误差大都在±5%以内,但当粘度继续增大时,其测量误差明显偏离了±5%的区间。因此,用其测量单相高粘油时,需要对结果进行修正。

2.2油水两相流时油相粘度和入口含率的影响
测量油水两相流时,固定油相粘度,用电磁流量计测量入口处水相流量Qw,腰轮流量计测量入口处油相流量Qo,进而得到入口处油相、水相的体积相含率βo和βw。即:

式中QM1为管道入口处的混合流量。
同时,在试验管段用涡轮流量计测量两相混合流量QM2,对比QM1和QM2,可得到涡轮流量计的测量误差(相对误差):

图3给出了七种不同粘度情况下,测量误差随入口处油相含率变化关系图。以±5%相对误差作为其有效工作区间的判断标准(在图中,±5%的区间用虚线标出),作为有效工作区域的分界线。由油相粘度为50mPa·s时相对误差随入口处油相含率变化关系图可以看出,在整个油相含率变化范围内,误差可以控制在±5%以内,只有个别的几个点超过5%的范围,因此可认为油相粘度为50mPa·s时,涡轮流量计在任何油相含率下均处于有效工作区间。对于油相粘度为160mPa·s的试验研究结果显示,随着油相含率βo的增加,相对误差有逐渐增大的趋势,同时,绝对误差值也由βo较小时的正值,变为βo较大时的负值。但在大部分入口油相含率βo的变化范围内,相对误差在±5%以内,这与粘度为50mPa·s时的情况大体一致。

当油相粘度提高至225mPa·s时,观察到了与粘度为160mPa·s时相似的曲线变化趋势,不同的是:当βo小于70%时,相对误差在5%以内,涡轮流量计处于有效工作区间。然而,随着βo的增加,误差曲线下降的幅度增大,当βo达到70%时,整体误差超过了5%的界线,达到10%以上,此时,失效区开始出现。
由油相粘度为400mPa·s和700mPa·s时变化关系,可以看出,当βo达到50%~60%时,测量误差呈大幅度增大的趋势,超过5%的界线,涡轮流量计超出了有效工作区,而且,随着βo的增加,绝对误差也由正值变成负值。
为进一步研究超粘油对于涡轮流量计测量精度的影响,观察油相粘度为1100和1450mPa·s时的涡轮流量计测量油水两相流量的工作特性。由图3可以看出,当βo仅为30%~40%时,误差便开始急剧增大。因此,对于超粘油来说,涡轮流量计仅能在低含油率的情况下工作,有效工作区的范围非常狭窄。
由上述试验结果可知,对于油相粘度较大的油水流动,涡轮流量计的测量误差随着入口处油相含率βo的增加有逐渐增大的趋势,其有效工作区在逐渐减少。可以看出,流体的粘度对于涡轮流量计的计量精度有着重要的影响,当粘度大于一定值时,计量产生的误差将会很大,即流量计偏离线性区。为了对其说明,笔者计算了粘度400mPa·s时的油水有效粘度:将油水两相混合物看作均相的单相流体,应用均相模型压降计算公式,分别对水相连续流动的混合物粘度μ1和油相连续流动的混合物粘度μ2采用下式计算:

在使用上述公式计算混合物粘度时,首先要确定混合流的流型。试验中流动的流型利用可视化观察试验管段得到,同时采用Laflin和Oglesby提出的方法定义流型。在一定的混合流速和输入油相含率下,水平试验管段观察到了四种流型,即:分层流(SW),双连续流(DC),油含水(Dw/o)以及水含油(Do/w)。为此,在油相粘度为400mPa·s时,给出了相对误差随入口相含率变化图(见图4),以及混合流动的流型图(见图 5)。

对比图4和图5可知,当水相为连续流动即流型为Do/w时,由式(4)计算有效粘度的范围在1.02~2.35mPa·s之间,其测量误差大都在±5%之间;而当油相为连续流动时,由式(5)计算有效粘度的范围在283~370mPa·s之间,其测量误差大都超过10%,有的甚至达到了21%。同时还可看出,在其有效工作区域,粘度较低时,绝对误差大都为正值,即测量值大于真实值,而在粘度较大时,绝对误差大都为负值,即测量值小于真实值。
3、结论
本文应用涡轮流量计测量了不同油相粘度下的油水两相混合流量,研究了油相粘度和入口相含率对其工作性能的影响,绘制了50,160,225,400,700,1100和1450mPa·s七种粘度情况下,测量误差随入口处油含率的变化曲线图。通过试验发现,粘度为50和160mPa·s时,在0~100%的入口油相含率变化范围内,相对误差大都在±5%以内,可认为涡轮流量计工作在有效工作区。但粘度达到225mPa·s,随着油含率的增加,误差有逐渐增大的趋势,并在入口处油相含率达到70%时,涡轮流量计进入失效区。随着油相粘度的进一步增加,涡轮流量计在更低的油相含率下进入失效区,同时绝对误差逐渐由正值变为负值。