摘要(yao):爲了解(jie)決數量(liang)逐年增(zeng)多的低(di)産井流(liu)量測量(liang)問題,設(she)計🥰了一(yi)種精度(du)高渦輪(lun)流量計(ji) 。通過理(li)論分析(xi)與數值(zhi)仿真對(dui) 渦輪流(liu)量計 的(de)三維流(liu)場進行(hang)了分析(xi),并優化(hua)出其最(zui)合理結(jie)構。利用(yong)實驗裝(zhuang)置将精(jing)度高渦(wo)輪流量(liang)計與傳(chuan)統渦輪(lun)💔流量計(ji)的響應(ying)🔴特性進(jin)行了對(dui)比,結果(guo)表明,精(jing)度高🆚渦(wo)輪流量(liang)計在單(dan)相水介(jie)質中，啓(qi)動排量(liang)0.3m³/d,低于傳(chuan)統💰渦輪(lun)流量計(ji)的1.0m³/d,分辨(bian)率也有(you)1.7倍的提(ti)高,可🔱見(jian)精度高(gao)🏃渦輪流(liu)量計🏃🏻‍♂️在(zai)低流量(liang)測量中(zhong)具有良(liang)好的應(ying)用前景(jing)。
　　渦輪流(liu)量計以(yi)其結構(gou)簡單、測(ce)量精度(du)高、重複(fu)性好而(er)廣泛應(ying)用于油(you)田流量(liang)測量領(ling)域。在我(wo)國,随着(zhe)大部分(fen)油田🛀進(jin)入開發(fa)中後👄期(qi),低産井(jing)數量逐(zhu)年增多(duo)。爲了準(zhun)确掌握(wo)這些低(di)産井的(de)❌産量情(qing)況，評估(gu)其可💃開(kai)采價值(zhi),需要準(zhun)确測量(liang)其流量(liang)信息。衆(zhong)所周知(zhi)，隻有流(liu)量大于(yu)啓動排(pai)量,渦輪(lun)流量計(ji)才會給(gei)出響應(ying),所以研(yan)發設計(ji)出一種(zhong)啓動排(pai)量低的(de)精度高(gao)渦輪流(liu)量計,無(wu)疑對于(yu)🐉油田流(liu)量測量(liang)具有重(zhong)要的意(yi)義。自🏃🏻20世(shi)紀30年代(dai)渦輪流(liu)量計發(fa)明後,經(jing)過國内(nei)外無數(shu)🐇科研工(gong)作者的(de)研究和(he)探索,其(qi)基本理(li)論和相(xiang)❓應的模(mo)型都已(yi)非常成(cheng)熟。但是(shi)目前對(dui)于渦輪(lun)流量計(ji)的研究(jiu)主要集(ji)中在大(da)流量條(tiao)件下的(de)使用,低(di)流量條(tiao)🐪件下的(de)啓動和(he)響應特(te)性研究(jiu)較㊙️少,難(nan)以滿足(zu)實際生(sheng)産中對(dui)于低流(liu)量條件(jian)下渦輪(lun)流量㊙️計(ji)的使用(yong)需求。
　　利(li)用目前(qian)流行的(de)有限元(yuan)計算軟(ruan)件AN-SYS對渦(wo)輪流量(liang)計💋流👄場(chang)進行仿(pang)真計算(suan),設計出(chu)一種精(jing)度高渦(wo)輪流量(liang)計,通🤟過(guo)室内實(shi)驗表明(ming)其👉啓動(dong)排量和(he)分辨率(lü)與傳統(tong)渦輪流(liu)量計相(xiang)比都有(you)了大幅(fu)度的☁️提(ti)高。
1理論(lun)分析①
　　渦(wo)輪流量(liang)計作爲(wei)速度式(shi)儀表,以(yi)動量矩(ju)守恒爲(wei)基礎,渦(wo)輪🏃流✂️量(liang)計基本(ben)力矩平(ping)衡方程(cheng)爲[1]:
 
式中(zhong)
Tb一軸與(yu)軸承的(de)粘性摩(mo)擦阻力(li)矩(流動(dong)産生的(de)力矩);
Td一(yi)渦輪流(liu)量計轉(zhuan)動的驅(qu)動力矩(ju);
Th一輪毂(gu)表面的(de)粘性阻(zu)力矩;
Tm一(yi)磁電阻(zu)力矩和(he)軸與軸(zhou)承的機(ji)械摩擦(ca)阻力矩(ju)之和;
T1一(yi)葉片頂(ding)端與傳(chuan)感器外(wai)殼的粘(zhan)性摩擦(ca)阻力矩(ju);
Tw一輪毂(gu)端面粘(zhan)性摩擦(ca)阻力矩(ju);
J一渦輪(lun)的轉動(dong)慣量;
ɷ-渦(wo)輪轉動(dong)的角速(su)度。
　　當流(liu)速較低(di)時,渦輪(lun)流量計(ji)處于靜(jing)止狀态(tai),此時角(jiao)速度ɷ非(fei)常低,接(jie)近于0,Tb和(he)Tw也可以(yi)忽略不(bu)計。在這(zhe)種情況(kuang)下，式(1)可(ke)以簡化(hua)爲:
 
　　由式(shi)(2)可以看(kan)出提高(gao)驅動力(li)矩是降(jiang)低渦輪(lun)流量計(ji)啓☀️動排(pai)量🐇的💛一(yi)-條捷徑(jing)。如圖1所(suo)示，傳統(tong)渦輪流(liu)量計入(ru)口端是(shi)直管💯段(duan)和軸向(xiang)導流片(pian),流體流(liu)經渦輪(lun)葉片之(zhi)前隻有(you)軸向速(su)度🔅,對渦(wo)輪的驅(qu)動力矩(ju)隻是對(dui)渦輪葉(ye)片作用(yong)力的徑(jing)向分力(li)🎯産生的(de)力⁉️矩。因(yin)爲渦輪(lun)葉片螺(luo)旋角爲(wei)45°,如果将(jiang)💯導流片(pian)改爲螺(luo)旋角爲(wei)-45°的☀️螺旋(xuan)導流片(pian)(圖2),當流(liu)體進入(ru)導流片(pian)時會産(chan)生旋轉(zhuan),方向與(yu)渦🐉輪葉(ye)片💛正交(jiao),使🔆得流(liu)體在軸(zhou)向流動(dong)速度不(bu)變的基(ji)礎上增(zeng)加了徑(jing)向的旋(xuan)轉運動(dong)👨‍❤️‍👨,流體的(de)旋💔轉方(fang)向與渦(wo)輪葉片(pian)的轉動(dong)方向一(yi)緻,在相(xiang)同⭐流量(liang)💃條件下(xia),增加了(le)流體對(dui)渦輪葉(ye)片的驅(qu)動力,實(shi)現降低(di)啓動排(pai)量和提(ti)高分辨(bian)率的目(mu)的,整體(ti)結構如(ru)圖🏃🏻3所示(shi)。
 
2仿真研(yan)究
　　Workbench是ANSYS公(gong)司開發(fa)的協同(tong)仿真環(huan)境,是将(jiang)仿真過(guo)程結合(he)在--起的(de)🌍平台，可(ke)以大大(da)簡化仿(pang)真過程(cheng)中各模(mo)塊間的(de)交互操(cao)🐆作。通🐕過(guo)幾㊙️何建(jian)模(圖4)、網(wang)格劃分(fen)、計算求(qiu)解及後(hou)處🛀理等(deng)過🐅程,可(ke)以比較(jiao)準确地(di)仿真複(fu)雜機械(xie)模型的(de)各物理(li)參數場(chang)分布[2-4]。
 
　　利(li)用Turbogid對計(ji)算域進(jin)行網格(ge)劃分,将(jiang)其劃分(fen)爲約10萬(wan)個六面(mian)體網格(ge)。人口、出(chu)口部分(fen)爲.靜止(zhi)網格，,采(cai)用絕對(dui)🔆參考❄️系(xi),葉片部(bu)分爲動(dong)網格,繞(rao)圓心轉(zhuan)動,采用(yong)相對參(can)考系,參(can)考系🌐轉(zhuan)動速度(du)與網格(ge)轉速相(xiang)同。網格(ge)劃分情(qing)況如圖(tu)5所示。
 
　　如(ru)圖6~8所示(shi),流體流(liu)經渦輪(lun)流量計(ji)之前,壓(ya)力較高(gao),速度較(jiao)低，經過(guo)導流片(pian)時産生(sheng)旋轉,速(su)度得到(dao)提升,壓(ya)力降低(di)。當通過(guo)📧導流片(pian)後,壓力(li)、速度基(ji)本不變(bian),依然🔴保(bao)持旋轉(zhuan)狀态,遇(yu)到渦輪(lun)葉片阻(zu)擋後,流(liu)速降低(di),壓力進(jin)一-步減(jian)小，流體(ti)所攜帶(dai)的能量(liang)傳遞💋給(gei)渦輪葉(ye)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻片,對渦(wo)輪葉片(pian)産生較(jiao)大的驅(qu)動力矩(ju),推動其(qi)轉動。
 
　　爲(wei)了得到(dao)導流片(pian)螺旋角(jiao)與渦輪(lun)葉片螺(luo)旋角的(de)匹配,利(li)用ANSYS軟件(jian)對不同(tong)角度導(dao)流片的(de)驅動力(li)矩進行(hang)計算，其(qi)中管道(dao)直徑🚶爲(wei)14mm,渦輪葉(ye)片直徑(jing)爲13.5mm,重疊(die)度爲1.64,葉(ye)片螺旋(xuan)角爲45°,導(dao)流片螺(luo)旋角分(fen)别設爲(wei)-35°、-45°和-55°,來流(liu)條件分(fen)别設爲(wei)0.1、0.2、0.3、0.4m'/d。由于速(su)度較低(di),采用層(ceng)流模型(xing),各不同(tong)👈工況條(tiao)件下渦(wo)輪葉片(pian)受到的(de)驅動力(li)矩情況(kuang)如圖🌈9所(suo)示。導流(liu)片螺旋(xuan)角爲-45°時(shi)渦輪葉(ye)片受力(li)更大,更(geng)容易啓(qi)動。此🈲時(shi)渦輪葉(ye)片螺旋(xuan)角與導(dao)流片螺(luo)旋角恰(qia)😍好成90°,可(ke)充分利(li)用流體(ti)動量使(shi)渦輪葉(ye)🌈片更易(yi)啓動,模(mo)拟結果(guo)與上述(shu)理論分(fen)析相符(fu)。
 
3實驗研(yan)究
　　通過(guo)搭建實(shi)驗平台(tai)(圖10)對計(ji)算結果(guo)進行驗(yan)證。實驗(yan)平台應(ying)🚩具備以(yi)下兩個(ge)功能:在(zai)低流量(liang)下能夠(gou)非常平(ping)穩⭕的運(yun)😄行;具備(bei)精确測(ce)量流量(liang)的功能(neng)。
　　該平台(tai)以單相(xiang)水流爲(wei)介質,循(xun)環流動(dong)通過水(shui)泵實現(xian)🌏;流量的(de)精确控(kong)制主要(yao)通過固(gu)定上遊(you)水位和(he)調㊙️節閥(fa)來實現(xian),流量的(de)測量采(cai)用簡便(bian)可靠的(de)容積時(shi)間法。
 
　　實(shi)驗平台(tai)中上方(fang)爲穩壓(ya)水箱,提(ti)供-一個(ge)穩定的(de)壓力源(yuan),在管道(dao)内阻力(li)不變的(de)情況下(xia),保證管(guan)道内流(liu)速不會(hui)發生變(bian)✉️化,經過(guo)2m長的下(xia)降段,流(liu)人渦輪(lun)流量計(ji),随後流(liu)出實🌈驗(yan)管道,通(tong)過量筒(tong)計量🧑🏽‍🤝‍🧑🏻可(ke)以精确(que)得到管(guan)路内💚的(de)流速。通(tong)過高速(su)攝😘影可(ke)以清晰(xi)的觀察(cha)低速條(tiao)件下渦(wo)輪流量(liang)計的響(xiang)應情況(kuang)。
　　爲了驗(yan)證精度(du)高渦輪(lun)流量計(ji)的響應(ying)情況,實(shi)驗将⭐精(jing)度高渦(wo)輪🏒流量(liang)計與傳(chuan)統渦輪(lun)流量計(ji)在相同(tong)條🔞件下(xia)進行對(dui)比💜。
　　實驗(yan)介，質爲(wei)單相水(shui),流量範(fan)圍0~20m³/d,通過(guo)調節不(bu)同的流(liu)量點來(lai)記錄輸(shu)出頻率(lü),流量點(dian)誤差優(you)于1%,每次(ci)測量時(shi)間爲60s,采(cai)🐕樣間隔(ge)爲5ms,每點(dian)測量3次(ci)取平均(jun)值,測量(liang)數🈲據見(jian)表✌️1。
 
4結論(lun)
4.1理論研(yan)究與數(shu)值仿真(zhen)确定了(le)精度高(gao)渦輪流(liu)量計的(de)合理結(jie)構,即導(dao)流片螺(luo)旋角爲(wei)-45°與渦輪(lun)葉片正(zheng)交時,同(tong)樣來流(liu)條件下(xia)㊙️驅動力(li)矩大。
4.2.在(zai)單相水(shui)條件下(xia),高靈敏(min)渦輪流(liu)量計啓(qi)動排量(liang)0.3m³/d,遠低于(yu)傳統渦(wo)👅輪流量(liang)計的1.0m³/d,分(fen)辨率也(ye)有1.7倍的(de)提高,可(ke)❓以解決(jue)部👨‍❤️‍👨分單(dan)📧井産量(liang)低于1.0m³/d的(de)低産井(jing)的流量(liang)測量🚩問(wen)題。
4.3該流(liu)量計結(jie)構簡單(dan)、調試方(fang)便、不改(gai)變現有(you)儀器結(jie)✉️構,易于(yu)規模推(tui)廣應用(yong)。

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