利用(yòng)渦輪流量(liang)計 測量了(le)油水兩相(xiàng)流動時的(de)混合速度(du)，重點研究(jiū)了油♋相粘(zhān)💋度👌變化和(he)流量計入(rù)口油水相(xiàng)含宰變化(huà)對測量精(jīng)度的影響(xiǎng)。實驗采用(yong)了七種不(bu)同的油相(xiàng)粘度(50,160,225,400，700,1100,1450mPa:s),并在(zai)含油率0-100%範(fan)圍内記錄(lu)了292組不同(tong)油水混合(he)流量下的(de)測量值.研(yán)究🐕結果表(biao)明，當油相(xiàng)粘度爲低(di)粘🧑🏽‍🤝‍🧑🏻值50和160mPas時(shí)，渦輪流量(liang)計的測⭐量(liàng)誤差較小(xiao)，且不受入(ru)口油相含(hán)率的影響(xiang)，絕對誤差(chà)均在+5%以内(nei).當油相粘(zhān)度大于225mPars時(shí)，随着入口(kǒu)♌油相含率(lü)的增加，誤(wù)差逐漸增(zeng)大。當油相(xiang)粘度進一(yi)步提高到(dao)1100mPa's以上時，渦(wo)輪流量計(ji)在較低的(de)入👌口油相(xiang)含串下進(jìn)入非線性(xing)失效區.此(ci)外👣，實驗數(shu)據還顯示(shì)🐆，用渦輪流(liu)量計測t油(you)水混合流(liu)速⚽時，測量(liàng)結果對油(you)水兩相流(liu)流型不敏(mǐn)感..
1引言
　　随(sui)着工業的(de)快速發展(zhan)，能源的需(xu)求量日益(yi)增加,陸🈲上(shang)油🈲氣資源(yuan)日漸枯竭(jié)，促使各國(guo)轉向海洋(yang)石油的開(kāi)發。陸上油(you)田輸油管(guan)路采用的(de)傳統的計(ji)量技術🐅并(bing)不完全适(shì)合在海洋(yang)平台使用(yòng)，因此促使(shǐ)工業界🤟和(hé)學術界聯(lián)合開發新(xin)型的結🏃🏻構(gou)緊湊的多(duo)相流量計(ji)。從上個世(shi)紀80年代以(yǐ)來，石油工(gōng)業界開始(shi)關注油氣(qì)水混合物(wù)🌏的💁計量，并(bìng)投入了可(ke)觀的人力(li)和物力來(lai)開發适用(yong)于石油工(gōng)業的多相(xiàng)流量計.多(duo)相計量研(yan)👅究的困難(nan)來源于㊙️多(duō)相流動過(guò)程本☁️身的(de)複雜性🏃🏻‍♂️，相(xiàng)對于單相(xiàng)流可以直(zhí)接地計算(suan)流速等參(cān)數，多相流(liu)模型的建(jian)立需要考(kao)慮的參數(shù)要複雜得(de)多。一般㊙️來(lai)說，理想的(de)油氣水三(san)相流量計(ji)應該具有(you)各相5%的計(ji)量精度，并(bìng)要求非侵(qin)入性，可🐇靠(kào)🌂性，與流型(xing)無關性以(yǐ)及對于整(zhěng)個相含率(lü)範圍的适(shi)用性。雖然(ran)近年來提(tí)出了非常(cháng)多🧡的方案(an)，但到目前(qian)爲止還沒(mei)有一⛱️種商(shang)業化的流(liú)量計能完(wan)全達到這(zhè)些标準"。
　　渦(wō)輪流量計(jì)是被工業(ye)界普遍采(cǎi)用的用于(yu)測量單相(xiang)流動的速(su)度式流量(liang)儀表。它以(yǐ)動量守恒(héng)爲基礎，流(liú)體❓沖擊渦(wo)輪葉片，使(shi)渦輪旋轉(zhuan)。渦輪的旋(xuan)轉速度随(sui)流量的變(bian)化而變化(huà)，最後從渦(wo)輪的轉速(sù)求出流量(liàng)值。典型的(de)液體渦♌輪(lún)流量計的(de)特性曲🥵線(xiàn)(如圖1所示(shì))可以分成(chéng)兩個主要(yao)的區域，即(jí)線性區和(hé)非線性區(qu)。渦輪流量(liang)計的有效(xiào)工作區間(jian)主要包括(kuò)其線性工(gong)作區間🌏以(yǐ)及部分非(fei)線性區間(jiān)。由于渦輪(lún)流量計在(zai)高溫、高壓(yā)等比較嚴(yan)酷的環境(jing)下，仍然具(ju)有較高精(jing)度以及穩(wen)定性，同時(shi)，相對于❓其(qi)他流量計(ji)來🥰說，渦輪(lun)流量計有(you)着較大的(de)量程範圍(wei)，并具有對(dui)流動瞬态(tài)變化後的(de)快速反應(ying)的💛特點2,因(yin)此，一些研(yan)究者嘗試(shi)應用渦輪(lún)流量計來(lái)進行兩相(xiàng)流量的測(cè)量研究。由(you)于測量主(zhu)要針對低(di)黏度的油(yóu)水兩相流(liú)，并且油♈相(xiàng)含率限定(ding)在一個🐉非(fēi)常有限的(de)範圍内，因(yīn)此，對🔱于☀️全(quán)油相含率(lü)範圍内的(de)變化及高(gāo)粘油相對(duì)于渦輪流(liú)量計測量(liang)❤️造成的影(yǐng)響等，還有(you)待進一♉步(bù)的研究。
 
　　油水(shuǐ)兩相流的(de)流量計，設(she)想采用Gammar射(she)線獲得相(xiang)含率，用渦(wo)輪流量計(jì)來獲得混(hùn)合流速，結(jié)合二者結(jié)果得到各(ge)相流量.由(yóu)于原油粘(zhan)度分布變(bian)化很大,爲(wèi)了達到這(zhè)個目的，就(jiu)要獲知油(you)相粘度變(biàn)化對于渦(wo)輪流量計(jì)測量精度(du)的影響，從(cóng)而确定渦(wō)輪流🛀🏻量計(jì)的工🤩作條(tiáo)件和工作(zuò)範圍。同時(shi)，本實驗還(hái)在🧑🏽‍🤝‍🧑🏻低粘度(du)條件下流(liu)型對于渦(wo)輪流量計(jì)的工作性(xing)能的影響(xiǎng)。
2實驗系統(tǒng)
2.1實驗裝置(zhi)
　　本實驗是(shì)在中國科(ke)學院力學(xué)研究所的(de)多相流實(shi)🐇驗平♊台🙇🏻上(shàng)完♋成的。圖(tu)2爲實驗裝(zhuāng)置示意圖(tu)。油水分别(bie)由油箱和(hé)😘水箱供應(yīng)，經過各自(zi)的流量計(ji)後，進入實(shí)驗管線，混(hùn)合液流經(jīng)實驗段後(hou)被分離🏃🏻‍♂️再(zai)循環使用(yòng)。實驗管線(xiàn)🧡采用内徑(jìng)50mm的透明有(yǒu)機玻璃管(guǎn)，易于觀察(cha)油水兩相(xiang)的流動狀(zhuàng)态，管☂️線從(cóng)入口到分(fèn)離器總長(zhang)🔞約35m。
　　實驗管(guǎn)線入口流(liú)量計量，水(shuǐ)相采用電(diàn)磁流量計(jì)，油相采用(yong)腰💋輪‼️流量(liang)計，油相和(he)水相經過(guò)試驗管線(xian)後，用LWGY型渦(wo)輪流量計(ji)對其進🌈行(háng)混合流速(sù)的測量。LWGY型(xing)渦輪流量(liàng)計公稱通(tōng)徑爲50mm,其測(ce)量流量範(fan)❤️圍在4m'/h~40m'/h,在測(cè)量單相流(liu)體時，其精(jīng)度可達0.25%。流(liú)型識别采(cai)用攝像機(ji)記🌈錄每次(cì)實驗條件(jian)下的流動(dong)狀态，慢鏡(jìng)頭回放觀(guan)察💋流型。爲(wei)保證😄實驗(yàn)數據的可(kě)靠性，對每(měi)個測量點(dian)都在流量(liang)調整後的(de)5min~8min分鍾流動(dong)相對穩定(dìng)後再采集(ji)數據❗和觀(guān)測流型。
 
2.2實(shi)驗工質及(ji)實驗過程(chéng)
　　實驗水相(xiàng)爲普通自(zì)來水，20℃時的(de)粘度爲1.005mPas,油(you)相采用無(wú)⛷️色、透🔆明的(de)礦物油，俗(su)稱白油，在(zài)常溫常壓(ya)(20C,0.101mPa)下，我們分(fèn)别選用其(qi)粘度爲50、160、225、400、700、1100和(he)1450mPars,共七種樣(yàng)品。同時，爲(wèi)便于實驗(yàn)時的流型(xíng)觀察，在水(shui)中加入了(le)高錳酸鉀(jiǎ)(顔色劑)以(yǐ)便于識别(bié)。實驗工質(zhi)溫度控制(zhi)在19℃~21℃,在特定(ding)的粘度下(xià)㊙️，給定油相(xiàng)流👈量後,調(diao)整水相流(liu)量，觀察實(shí)驗段的油(you)水兩相流(liu)型，記錄入(ru)口處不同(tóng)流型的油(you)相和水相(xiàng)表觀流速(sù)和實驗段(duan)的混🏃合流(liu)速。表🤞1給出(chū)了不同粘(zhan)⛷️度下的實(shi)驗數組。
 
3結(jié)果與讨論(lùn)
3.1油相粘度(du)和入口含(hán)率的影響(xiang)
　　首先固定(dìng)油相粘度(dù)，用電磁流(liú)量計測量(liàng)入口處水(shuǐ)👣相✊流量Qw，用(yòng)腰輪流量(liàng)計測量入(rù)口處油相(xiàng)流量QO，分别(bié)🚩得到🐇入口(kǒu)處油相、水(shui)相的體積(jī)相含率βo和(hé)βw.即:
 
式中QM1爲(wèi)管道入口(kou)處的混合(he)流量。
　　同時(shi)，在實驗管(guan)段用渦輪(lún)流量計測(cè)量兩相混(hùn)合流量💘(如(ru)圖㊙️2所示),Qm2，對(dui)比Qm1和Qm2,可以(yi)得到渦輪(lun)流量計的(de)測量🐇誤差(cha)(相對誤差(chà)):
 
　　圖3至圖9給(gei)出了在七(qi)種不同粘(zhan)度下，渦輪(lún)流量計的(de)測量誤💰差(chà)🎯随入口處(chu)油相含率(lü)的變化關(guan)系圖。以實(shi)際應用中(zhōng)可以接受(shou)的誤差+5%作(zuò)爲其有效(xiào)工作區間(jian)的判斷标(biao)準(在圖中(zhong)，+5%的區間用(yong)虛線标出(chu))，并且在每(mei)個圖标上(shang)，用一條豎(shù)直的虛線(xiàn)，作爲有效(xiào)工作區域(yu)的分界線(xiàn)。圖3給出了(le)油相粘度(dù)爲50mPa's時相對(duì)誤差随入(rù)口處油相(xiang)含率變化(huà)關系圖。可(kě)⚽以看出，在(zài)整個油相(xiàng)含率的變(bian)化範圍内(nei)，誤差👌可以(yi)控制在+5%以(yi)内，隻有個(gè)别的點超(chāo)過了5%的範(fan)圍，因此可(ke)以認爲在(zài)😘油相粘度(du)爲50mPars時，渦輪(lun)流量計在(zai)任何油相(xiàng)含率下均(jun)處于💁有效(xiao)工作區間(jiān)。對于油相(xiàng)粘度爲160mPa's的(de)實驗研究(jiū)結果顯示(shi)(如圖4所示(shì)),随着油相(xiang)含率βo的增(zēng)加，相對誤(wù)差有逐漸(jian)增大的趨(qū)勢，同時，絕(jue)對誤差值(zhi)也由βo較小(xiǎo),時的正值(zhí)❤️，變爲βo較大(da)時的負值(zhí)。但是大部(bu)分的入口(kǒu)油相含率(lǜ)♉βo的變化範(fàn)圍内，相對(dui)誤差在+5%以(yi)内，這與黏(nián)度爲50mPars時的(de)情況大體(tǐ)--緻.
 
　　當油相(xiàng)粘度提高(gāo)至225mPa·s時(圖5所(suo)示),觀察到(dào)了與圖4相(xiang)似的❓曲線(xian)變化趨勢(shì)，不同的是(shi):當β。的小于(yu)70%時，相對誤(wù)差在5%以内(nei)，渦輪流量(liang)計✊處于有(yǒu)效工作區(qū)間。然而，随(suí)着β。的增加(jia)，誤差曲線(xiàn)下降的幅(fu)度增大，當(dang)βo達到70%時，整(zhěng)體誤差超(chao)過了5%的界(jiè)線，達到10%以(yǐ)上，此時，渦(wō)輪流量計(jì)超出了其(qi)有效工作(zuò)區間，失效(xiao)區開始出(chu)現。
 
　　圖6和圖(tu)7分别給出(chu)了油相粘(zhān)度爲400mPa·s和700mPa·s時(shi)相對誤差(cha)随入口處(chu)油㊙️相含率(lǜ)的變化關(guan)系圖。可以(yi)看出，當βo達(dá)到50%~60%時，誤🏃🏻‍♂️差(chà)出現比較(jiào)陡峭的下(xia)降，其整體(tǐ)誤差超過(guò)5%的界線，渦(wo)輪流量♍計(jì)超出了有(you)效工作區(qū)，而且，随着(zhe)βo的增加，絕(jue)對🏃🏻‍♂️誤差也(ye)由正值變(bian)成📧負值。
 
　　爲(wei)了進一步(bù)研究超粘(zhan)油對于渦(wō)輪流量計(jì)測量精度(dù)的💰影響，我(wo)們分别測(cè)量了油相(xiàng)粘度爲1100和(he)1450mPars時渦輪流(liu)量☁️計測量(liàng)油水兩相(xiang)流量時的(de)工作特性(xing)。圖8和圖🔱9給(gei)出了實驗(yàn)結果，可以(yi)看出，當βo僅(jǐn)爲30%~40%左㊙️右時(shí)，誤差便開(kai)始急劇下(xià)降。因此，對(dui)于超粘油(yóu)來說，渦輪(lun)流量計的(de)僅能在低(di)含油率的(de)情況下工(gōng)作，有效工(gōng)作區的範(fàn)圍非常狹(xia)窄。
 
　　從上述(shù)實驗結果(guǒ)可以看出(chū)，渦輪流量(liang)計的相對(dui)誤差☁️随✏️着(zhe)入口處油(yóu)相含率βo的(de)增加有逐(zhú)漸增大的(de)趨💯勢，并且(qie)渦輪流量(liàng)計的有效(xiao)工作區間(jian)也在逐漸(jian)的🏃🏻‍♂️減少。對(duì)👨‍❤️‍👨于油相粘(zhan)度較💜大時(shi)的💔油水流(liú)動來說，測(ce)量誤差之(zhī)所以随着(zhe)入口處油(yóu)相👣含率的(de)增加逐漸(jiàn)增大的原(yuan)因是随着(zhe)入口處油(you)相含率的(de)🏃增加，導緻(zhi)油水兩相(xiang)流的實際(jì)黏度在逐(zhu)漸的增大(dà)，進而導緻(zhì)了渦輪流(liú)量計的有(yǒu)效工作🔞區(qu)逐漸變窄(zhǎi)。同時我們(men)還🌈可以看(kan)出，在其有(you)效工作區(qū)域，在粘度(dù)較☀️低時，其(qí)絕🌏對誤差(cha)大都爲正(zheng)值，即測量(liàng)值✊比真實(shi)值要大,而(er)在🏃🏻‍♂️黏度較(jiao)大時，其絕(jué)🤞對誤差🙇‍♀️大(dà)都爲負值(zhi)，即測量值(zhi)要‼️比真實(shi)值小。
3.2流型(xing)的影響
　　爲(wèi)了考察渦(wō)輪流量計(jì)計量精度(dù)與流型之(zhi)間的關系(xi)，繪制了📱粘(zhān)♊度爲50mPa·s時的(de)流型圖，并(bing)且與以前(qian)的學者得(dé)到的流型(xíng)圖進行了(le)比較。實驗(yan)中流型是(shi)觀察實驗(yàn)管段得到(dào)的，同時采(cǎi)用Lafin和Oglesby提出(chu)的方法來(lái)定義流型(xing)5)。在一定✉️的(de)混合流速(su)和輸入油(you)相含率下(xià)，在水平實(shí)驗管段觀(guān)察到了四(si)種流型，即(ji):分層流(SW),雙(shuāng)連續流(DC),油(yóu)含水(W/O)以及(ji)水含油(O/W)。圖(tu)10給出了實(shi)驗中得到(dao)的流型圖(tú)，其中固📞定(ding)線爲Lovick和Angeli在(zài)2001年🧑🏾‍🤝‍🧑🏼得到的(de)流型圖.
　　對(duì)于兩個流(liu)型轉化邊(bian)界可以看(kan)出，本實驗(yan)中得到的(de)流型圖🙇‍♀️和(hé)Lovick和Angeli得到的(de)流型圖具(jù)有很大的(de)一緻性。同(tóng)時⛷️，結合🌈粘(zhān)度爲50mPa·s時絕(jue)對誤差随(sui)口處油相(xiang)含率變化(huà)關系圖(如(ru)圖3所示),可(ke)💚以看出🤞，每(měi)種流型下(xia)的誤差之(zhi)間并沒有(you)明顯的區(qū)别，因此🏒可(kě)以認爲，渦(wo)輪流量🈲計(jì)的工作性(xìng)能對流型(xing)并不是很(hěn)敏感。
 
4結論(lun)
　　應用渦輪(lún)流量計測(ce)量了不同(tong)油相粘度(dù)下的油水(shuǐ)兩♌相混🈲合(hé)♋流量,研究(jiu)了油相粘(zhān)度和入口(kou)相含率對(duì)🏃🏻其工作性(xìng)能的影響(xiang)，得到了粘(zhān)度爲50，160，225,400，700，1100和1450mPa·s等(deng)七種不同(tong)粘度下，測(ce)量誤差随(suí)入📞口處油(you)相含率的(de)變化曲線(xiàn)圖。通過實(shi)驗發現，黏(nian)度爲50mPa·s和160mPa·s時(shi)，在0~-100%的入口(kou)油相含率(lǜ)👣變化範圍(wei)内，相對誤(wù)差大都在(zài)±5%以内，可認(rèn)爲渦輪流(liú)量計工作(zuo)在🔆有效工(gōng)作區。但當(dāng)粘度大于(yú)225mPa·s,随着油相(xiàng)相含率的(de)增加，誤差(cha)有逐漸增(zēng)大的趨勢(shi)，渦輪流量(liàng)計的線性(xing)工作區間(jiān)縮窄，并随(suí)着油相♻️粘(zhān)度的進一(yi)步增加，達(dá)✔️到1100mPars時，渦輪(lún)流量計在(zài)很低的油(yóu)相含率下(xià)即進入失(shī)效區，這表(biao)明油水的(de)混合粘度(du)是影響渦(wo)輪流量計(ji)線性工作(zuo)區間🏃的主(zhǔ)要因素。
　　低(di)粘度下不(bu)同流型時(shí)渦輪流量(liàng)計的工作(zuò)性能，通過(guò)實🌈驗發現(xiàn)，不同流型(xing)下其誤差(cha)之間并沒(méi)有明顯的(de)變化，因♌此(ci)，可以認爲(wei)其工作性(xing)能對流型(xíng)不敏感⛷️。
　　渦(wo)輪流量計(jì)可以在低(di)混合粘度(dù)下用于油(yóu)水兩相流(liú)的🥰流速測(cè)量,高混合(hé)粘度下渦(wo)輪流量計(jì)的線性💋工(gōng)作區間🈲縮(suo)窄，限制了(le)其🔅測速範(fan)圍，在實際(ji)應用時應(ying)加以注意(yì)。

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