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涡轮流量计仪器常数在多相流动中的实验关系

发布时间:2017-12-26
 

摘要:对涡轮流量传感器进行了理论分析,给出了涡轮流量计仪表常数的计算方法,讨论了获得较大固有仪表常数K。时涡轮传感器结构参数(如叶片数、涡轮半径、口径等)的优化组合问题,通过多相流动实验,总结出K0与流动密度之间的实验关系,由此给出用涡轮流量计测量多相流的半理论半经验公式,并在油井多相流量测量中得到了实际应用,符合较好。
1、引言
工业生产过程参数(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。随着工业的发展,被测对象不再限于单相,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得多,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得话,就很方便。但遗憾的是,多相流体的特性远比单相流体的特性复杂得多,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。
涡轮流量传感器和显示仪表组成的涡轮流量计以良好的重复性、宽广的线性工作区和高精度而受到用户的欢迎。涡轮流量计在测量单相时,工作稳定性较好,但在多相流动时,由于各相的速度、粘度、局部持率等因素,影响涡轮转速。按常规,同一流量所对应的涡轮转速保持不变,即仪器常数不变,但在多相流动时,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。由于在多相流动中,涡轮响应特性发生了变化,目前面临的问题是涡轮流量传感器是否能成功地应用于多相流的测量及如何设计用于多相流测量的涡轮流量传感器。就此问题,这里,首先对涡轮传感器进行了理论分析,然后给出三相流动中涡轮流量计的实验响应特性,最后总结出用涡轮流量计测量多相流流量的半理论半经验公式。
2、涡轮流量计测量原理
2.1流量计的响应方程
涡轮流量计通过涡轮转数反映被测流量的大小,涡轮转数N与流量Q之间的关系可以表示为:
N=K(Q-q)   (1)
式中K—仪表常数
q—启动流量,通过标定获得
2.2涡轮流量计固有仪表常数的理论计算
涡轮流量计固有仪表常数K。主要与涡轮传感器结构参数有关。(图1),K。可按下式计算:

(2)可见,对确定的涡轮流量传感器,易知口径D大,K。值小;叶片数n大,K。值大等。如果要获得较大的仪表常数,就一要对涡轮传感器的结构参数进行优化设计,从图(2)可以看出,叶片高度h增加,K。增大;导程角增大,K。增大。对于φ19的过环空大排量涡轮流量计而言,由上式计算得K。=74.567rpm/m³/d,而水中标定的Kw=78.89rpm/m³/d,表1给出不同口径和不同导程角下涡轮流量计固有仪表常数的计算值。

3、涡轮流量计在多相流中的响应实验
实验在以空气、柴油和水为介质的三相流动模拟装置中进行,透明的井筒内径为125mm,流体全部集流后进入流量计。实验发现,总流量相等,但流动密度不等的实验,K。值变化较大;流动密度相等,总流量不等的实验,K。值变化较小(图3)。多相流动中涡轮仪器常数校正因子Ck与流动密度ρn之间的统计关系为Ck=ρn0.5。

4、多相流流量测量
由于机械加工及安装工艺等方面的原因,按涡轮流量计固有仪表常数设计的涡轮,必须在水中标定后才能使用,设水中标定的涡轮仪表常数为Kw,则通过上述理论计算和实验,归纳总结出涡轮流量计在多相流动中的响应方程为:

式中
Kw---为水中标定的仪表常数
如果用全集流型涡轮流量计测得涡轮转数N,在标准计量装置上通过标定获得Kw和q,结合辅助参数ρn,就可以用公式(3)计算出多相流总量。用(3)式在油井的油、气、水多相流流量测量中得到了实际应用,计算误差在5%以内。
5、结论
通过理论计算和多相流实验,总结出了涡轮流量计仪器常数在多相流动中的实验关系,结合理论和实验,给出了用涡轮流量计测量多相流总流量的半经验半理论关系式,实际应用证明该方法可行。