利(lì)用渦輪流量(liàng)計 測量了油(yóu)水兩相流動(dòng)時的混合速(su)度，重點研究(jiū)了油相粘度(du)變🏃🏻化和流量(liang)計入口油水(shuǐ)相含宰變化(hua)對測量精度(du)的影響。實驗(yàn)采用了七種(zhǒng)不同的油相(xiàng)粘度(50,160,225,400，700,1100,1450mPa:s),并在含(hán)油率✊0-100%範圍内(nei)記錄了292組不(bú)同油水混合(he)流量下的測(cè)量值.研究結(jié)果表明，當油(you)相粘🥵度爲低(dī)粘☀️值50和160mPas時，渦(wo)輪流量計的(de)測🏒量誤差較(jiào)小，且不受入(ru)口油相含率(lǜ)的影響，絕對(dui)誤差均在+5%以(yi)内.當油相粘(zhan)度💞大于225mPars時，随(suí)着入口🐇油相(xiang)含率的增加(jiā)，誤差逐漸增(zeng)大🙇🏻。當油相粘(zhān)度進一步提(ti)高到1100mPa's以上時(shi)，渦輪流量計(ji)在較低的入(ru)😍口油相含串(chuan)下進入非線(xian)性失效區.此(cǐ)外🛀🏻，實驗數據(jù)還顯示，用渦(wo)輪🔞流量計測(cè)t油水混合流(liú)速🌈時，測量結(jie)果對油水兩(liang)相♊流流型不(bu)敏感..
1引言
　　随(sui)着工業的快(kuài)速發展，能源(yuan)的需求量日(ri)益增加,陸上(shàng)油🔴氣資🔞源日(ri)漸枯竭，促使(shi)各國轉向海(hai)洋石油的開(kai)發。陸上油田(tián)輸油管路采(cǎi)用的傳統的(de)計量技術并(bìng)不完全适合(he)在海洋平台(tai)使👣用，因此促(cu)使工業界和(hé)學術界聯合(hé)開發🔞新型的(de)結構緊湊的(de)多相流量計(ji)。從上個世紀(jì)80年代以來，石(shi)油工業界開(kāi)始關注油氣(qì)水混合物的(de)👈計量，并投入(ru)了可觀的人(ren)力和物力來(lái)開發适用于(yu)石油工業的(de)多相流量計(jì).多相計量研(yán)究的困難來(lai)源于多相流(liu)動過程本身(shen)✌️的複雜性⁉️，相(xiàng)對于單相流(liu)可以直接地(di)計算流速等(deng)參數，多相流(liú)模型的建立(lì)需要考慮的(de)參數要複雜(zá)得多。一般💯來(lái)說，理想的油(you)氣水三相流(liú)量計應該具(ju)有各相5%的計(ji)量👅精度，并要(yao)求非侵入性(xìng)，可靠性，與流(liu)型無關性以(yi)及對于整個(ge)相含率範圍(wéi)的适用性。雖(sui)❌然近年來💰提(tí)出了非常多(duō)的方案，但到(dao)目前爲止還(hái)沒有一⚽種👌商(shang)業化的流量(liang)計能完全達(dá)到這些标準(zhǔn)"。
　　渦輪流量計(ji)是被工業界(jie)普遍采用的(de)用于測量單(dān)相流🌍動🔴的💘速(su)度式流量儀(yí)表。它以動量(liang)守恒爲基礎(chu)，流體📐沖擊📱渦(wō)輪葉片，使渦(wo)輪旋轉。渦輪(lún)的旋轉速度(dù)♋随流量的變(bian)化而變化，最(zui)後從🔞渦輪的(de)轉速求出流(liu)量值。典型的(de)液體渦輪流(liú)量計的特性(xìng)曲線(如圖1所(suǒ)🐕示)可以分成(cheng)❤️兩個主要的(de)區域，即線性(xìng)區和非線性(xìng)區。渦輪流量(liang)計的有效工(gōng)作區❤️間主要(yao)包括其線性(xìng)工作區間以(yi)及部分非線(xiàn)💋性區間。由于(yú)渦輪流量計(jì)🌈在高溫、高壓(yā)等比較☂️嚴酷(ku)的環境下，仍(réng)然具有較高(gao)精度以及穩(wen)定性，同時，相(xiang)對于其他流(liú)量計來說，渦(wo)☁️輪流量計有(yǒu)着較大的量(liàng)程範圍，并具(jù)有對流動瞬(shun)态變化後的(de)快速反應的(de)特點2,因此，一(yi)些研究者嘗(chang)試應用渦輪(lún)流量計來進(jin)🛀行兩相流量(liàng)的測量研究(jiū)✌️。由于測量主(zhǔ)要針對低黏(nian)度的油水兩(liǎng)相流，并且油(yóu)相含率限定(ding)在一個非常(chang)有限的範圍(wéi)内，因此，對于(yu)💃全油相含率(lü)範圍内的變(biàn)化及高粘油(you)相對于渦輪(lun)流量計測量(liang)造成的影響(xiǎng)等，還有待進(jìn)一🏒步的研究(jiū)。
 
　　油水兩相(xiang)流的流量計(jì)，設想采用Gammar射(she)線獲得相含(hán)率，用渦輪流(liu)量計來獲得(dé)混合流速，結(jie)合二者結果(guǒ)得到各相流(liú)量.由于原🔞油(you)粘度分布變(bian)化很大,爲了(le)達到這個目(mù)的，就要獲知(zhi)油相粘👅度變(biàn)化對于渦輪(lun)流量計測量(liang)精度的影♊響(xiang)，從而确定渦(wo)輪流量計的(de)工⭕作條件和(hé)工作範圍。同(tóng)時，本實驗還(hái)在😍低粘度條(tiáo)件下流型對(dui)于渦輪流量(liang)計的工作性(xing)能的影響。
2實(shí)驗系統
2.1實驗(yàn)裝置
　　本實驗(yan)是在中國科(kē)學院力學研(yán)究所的多相(xiàng)流實驗平🤟台(tái)上完成的。圖(tú)2爲實驗裝置(zhi)示意圖。油水(shui)分别由油箱(xiāng)和水箱🎯供應(ying)，經過各自的(de)流量計後，進(jìn)入實驗管線(xiàn)，混合液流經(jīng)實✍️驗段後被(bèi)分離再循環(huán)使用🚩。實驗管(guan)線采用内徑(jing)50mm的透明有🔴機(ji)玻璃管，易于(yu)觀察🏒油水兩(liǎng)相的流動狀(zhuàng)态，管線從入(rù)口到分離器(qì)總長🈲約35m。
　　實驗(yan)管線入口流(liu)量計量，水相(xiàng)采用電磁流(liú)量計，油相采(cai)用腰輪流量(liang)計，油相和水(shui)相經過試驗(yàn)管線後，用LWGY型(xíng)渦輪流量計(jì)對其進行混(hun)合流速的測(ce)量。LWGY型渦輪流(liu)量計公稱通(tōng)徑爲50mm,其測量(liang)流量範圍在(zai)4m'/h~40m'/h,在測量單相(xiang)流體時，其精(jīng)度可達0.25%。流型(xing)識别采用攝(she)像機記錄每(mei)次實驗條件(jiàn)下的流動狀(zhuàng)态，慢鏡📧頭回(hui)放觀察💋流型(xíng)。爲保證實驗(yan)數據的可靠(kao)性，對每個測(cè)量🌂點都🐉在流(liu)量調整後的(de)5min~8min分鍾流動相(xiang)對穩定後再(zai)采集數據和(hé)觀測流型。
 
2.2實(shi)驗工質及實(shí)驗過程
　　實驗(yan)水相爲普通(tōng)自來水，20℃時的(de)粘度爲1.005mPas,油相(xiàng)采用無色、透(tòu)💔明的礦🤟物油(you)，俗稱白油，在(zài)常溫常壓(20C,0.101mPa)下(xia)，我們分别選(xuan)㊙️用其粘度爲(wei)50、160、225、400、700、1100和1450mPars,共七種樣(yang)品。同時，爲便(biàn)于實驗時的(de)流型觀察，在(zài)水中加入了(le)高錳酸鉀(顔(ya)色劑)以便于(yú)識别。實驗工(gong)質溫度控制(zhì)在19℃~21℃,在特定❄️的(de)粘度下，給定(ding)油相流量後(hòu),調整水相流(liú)量，觀察實驗(yàn)段的油㊙️水兩(liang)相流型，記錄(lu)入口處不同(tong)🏃🏻流型的油相(xiang)和水相表觀(guan)流速和實驗(yan)✍️段的混合流(liu)速。表1給出了(le)不同粘🆚度下(xià)的實驗數組(zǔ)。
 
3結果與讨論(lun)
3.1油相粘度和(hé)入口含率的(de)影響
　　首先固(gù)定油相粘度(du)，用電磁流量(liàng)計測量入口(kou)處水相流量(liang)Qw，用腰輪流量(liàng)計測量入口(kou)處油相流量(liàng)QO，分别得到入(rù)口處油相、水(shui)相的體積相(xiang)含率βo和βw.即:
 
式(shì)中QM1爲管道入(ru)口處的混合(hé)流量。
　　同時，在(zai)實驗管段用(yong)渦輪流量計(jì)測量兩相混(hun)合流量(如🐕圖(tu)2所示),Qm2，對比Qm1和(hé)Qm2,可以得到渦(wo)輪流量計的(de)測量誤差(相(xiàng)對誤差):
 
　　圖3至(zhi)圖9給出了在(zai)七種不同粘(zhan)度下，渦輪流(liú)量計的測量(liàng)誤🤩差随入口(kǒu)處油相含率(lü)的變化關系(xì)圖。以實際應(ying)用中可以🏃‍♀️接(jiē)受的誤差+5%作(zuo)爲其有效工(gōng)作區間的判(pàn)斷标準(在圖(tu)中，+5%的區間用(yòng)🐪虛線标出)，并(bing)且在每個圖(tu)标上，用一條(tiao)豎直的虛線(xiàn)，作爲有效工(gōng)作區域的分(fen)界線。圖3給出(chū)了油相粘度(dù)爲50mPa's時相對誤(wu)差随入口處(chù)油相含率變(biàn)化關系圖。可(kě)以看出，在整(zhěng)個油相💃🏻含率(lǜ)的變化範圍(wei)内，誤差可以(yǐ)控制在+5%以内(nei)，隻有個别的(de)點超過了5%的(de)範圍，因此可(ke)以認爲在🔴油(yóu)相粘度爲50mPars時(shi)，渦輪流量計(jì)在任何油相(xiang)👌含率下均處(chù)于🏃🏻‍♂️有效❄️工作(zuo)區間。對于油(you)🔞相粘度爲160mPa's的(de)實驗研究結(jié)果顯示(如圖(tú)4所示),随着油(yóu)相含率🍓βo的增(zeng)加，相對誤差(cha)有逐漸🌂增大(dà)的趨勢，同時(shí)，絕對誤♉差值(zhi)✨也由βo較小,時(shi)的正值，變爲(wei)βo較大㊙️時的負(fù)值。但是大部(bu)分的入口🏃油(yóu)相含率βo的變(biàn)化範圍内，相(xiang)對誤差在+5%以(yǐ)内，這🔴與黏度(dù)爲50mPars時🚩的♋情況(kuàng)大體--緻.
 
　　當油(yóu)相粘度提高(gāo)至225mPa·s時(圖5所示(shi)),觀察到了與(yǔ)圖4相似的曲(qu)🔞線🥵變化趨勢(shì)，不同的是:當(dang)β。的小于70%時，相(xiàng)對誤差在5%以(yi)内，渦輪流量(liàng)計處于🐇有效(xiào)工作區間。然(ran)而，随着β。的增(zeng)加，誤差曲線(xian)下降的幅度(dù)增大，當βo達到(dào)70%時，整體誤差(chà)超過了5%的界(jie)線，達到10%以上(shang)，此時，渦輪流(liu)量計超出了(le)其有效工作(zuò)區間，失效區(qū)開始出現。
 
　　圖(tu)6和圖7分别給(gěi)出了油相粘(zhan)度爲400mPa·s和700mPa·s時相(xiàng)對誤差随🙇‍♀️入(rù)口處油相含(hán)率的變化關(guān)系圖。可以看(kan)出，當βo達到50%~60%時(shi)，誤差出💚現比(bǐ)較陡峭的下(xià)降，其整體誤(wu)差超過5%的界(jiè)線，渦輪流量(liàng)計超出了有(you)效工作區，而(er)且，随着βo的增(zeng)加，絕對⛱️誤差(chà)也由正值變(biàn)成負值。
 
　　爲了(le)進一步研究(jiū)超粘油對于(yu)渦輪流量計(ji)測量精度🈲的(de)影響，我們分(fen)别測量了油(you)相粘度爲1100和(he)1450mPars時渦輪流量(liang)計測量油水(shui)兩相流量時(shí)的工作特性(xing)。圖8和圖9給出(chu)了⁉️實驗結⭐果(guǒ)，可以看出，當(dāng)βo僅爲30%~40%左右時(shí)，誤差便開始(shi)急劇下降。因(yin)此，對于超粘(zhan)油來說，渦輪(lún)流量計的僅(jǐn)能在低含油(yóu)率的情況下(xia)工作，有效工(gōng)作區的範圍(wei)非常狹窄。
 
　　從(cong)上述實驗結(jié)果可以看出(chu)，渦輪流量計(jì)的相對誤🌈差(chà)随着入口㊙️處(chu)油相含率βo的(de)增加有逐漸(jiàn)增大的趨勢(shì)，并且渦輪流(liu)量計的有效(xiao)工作區間也(yě)在逐漸的減(jiǎn)少。對💃🏻于油相(xiang)粘度較大時(shi)的油水流動(dòng)來說，測量誤(wù)差之所以随(sui)着入口處油(yóu)相含率的增(zēng)加逐漸增大(dà)的原因是🏃🏻随(suí)着入口處油(you)相含率的🏃‍♀️增(zēng)加，導緻油🎯水(shui)兩相流的實(shí)際黏度在逐(zhu)漸👈的增大，進(jin)而導緻了渦(wo)輪流量計的(de)有🔴效工作區(qu)逐漸變📧窄。同(tong)時我們還可(ke)以看出，在其(qí)有效工作區(qū)域，在粘度較(jiào)低時，其絕對(dui)誤差大都爲(wèi)正值，即測量(liang)值比真實值(zhi)要大,而在黏(nian)度較大時，其(qi)絕💚對誤差大(dà)都爲負值，即(ji)測量值要🏃‍♀️比(bǐ)真實值小。
3.2流(liu)型的影響
　　爲(wèi)了考察渦輪(lún)流量計計量(liang)精度與流型(xíng)之間的關系(xi)，繪制了粘度(dù)爲50mPa·s時的流型(xing)圖，并且與以(yǐ)前的學者得(de)到的流🔴型圖(tu)🔞進行㊙️了比較(jiào)。實驗中流型(xing)是觀察實驗(yàn)管段得到的(de)🛀，同時采用Lafin和(hé)Oglesby提出的方法(fa)來定義流型(xing)5)。在一定的混(hùn)合流速和輸(shū)入油相含率(lü)下，在水平實(shi)驗管段觀✔️察(chá)到了四種🌈流(liú)型，即:分層☂️流(liu)(SW),雙連續流(DC),油(yóu)含水(W/O)以及水(shui)含油(O/W)。圖10給出(chū)了🌈實驗中得(de)到的流型圖(tu)，其中固定線(xian)爲Lovick和Angeli在2001年得(de)到的流型圖(tu).
　　對于兩個流(liú)型轉化邊界(jiè)可以看出，本(ben)實驗中得到(dao)💚的流型圖和(he)👈Lovick和Angeli得到的流(liú)型圖具有很(hěn)大的一緻性(xìng)。同時，結合粘(zhān)度爲50mPa·s時絕對(duì)誤差随口處(chu)油相含率變(biàn)化關系圖(如(rú)圖3所示),可以(yǐ)看出🍉，每種流(liú)型下的誤差(cha)之間并沒有(yǒu)明顯的區别(bié)，因此可以認(ren)爲，渦輪流量(liàng)🎯計的工作性(xìng)能對流型并(bìng)不是很敏感(gǎn)。
 
4結論
　　應用渦(wō)輪流量計測(cè)量了不同油(you)相粘度下的(de)油水♋兩⁉️相混(hùn)合流量,研究(jiū)了油相粘度(du)和入口相含(han)率對其工🔞作(zuo)性‼️能的💔影響(xiang)，得到了粘度(dù)爲50，160，225,400，700，1100和1450mPa·s等七種(zhǒng)不同粘度下(xià)，測量誤差随(suí)入口處油相(xiàng)含率的變化(huà)曲線圖。通過(guò)實驗發現，黏(nian)度爲50mPa·s和160mPa·s時，在(zai)0~-100%的入口油相(xiàng)含率變化範(fan)圍内，相對誤(wu)差大🈲都在±5%以(yi)内，可認爲渦(wo)輪流量計工(gong)作在有效工(gōng)作區。但當粘(zhān)度大于225mPa·s,随着(zhe)油相相含率(lǜ)的增加，誤🥵差(chà)有逐漸增大(da)的趨勢，渦輪(lun)流量計的線(xian)性工作區間(jiān)♌縮窄，并随着(zhe)油相粘度的(de)進一步增加(jiā)，達到1100mPars時，渦輪(lún)流量計在很(hěn)低的油相含(han)率下即進入(ru)失效區，這表(biao)明油水的混(hùn)合粘度是影(ying)響渦🔱輪流量(liàng)計線性工作(zuò)區間的主要(yao)因素。
　　低粘度(du)下不同流型(xing)時渦輪流量(liàng)計的工作性(xing)能，通過實驗(yan)發現，不同流(liú)型下其誤差(chà)之間并沒有(yǒu)明顯的變化(huà)，因此，可以認(rèn)爲其💛工作性(xìng)能對流型不(bú)敏感。
　　渦輪流(liú)量計可以在(zai)低混合粘度(dù)下用于油水(shui)兩相流👣的流(liu)速測量,高混(hun)合粘度下渦(wo)輪流量計的(de)線性工作區(qū)間縮窄，限制(zhì)🤟了其🔴測速範(fan)圍，在實際應(yīng)用時應加以(yi)✏️注意。

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