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切向黃酒流量計(jì)小流量測(cè)量響應(yīng)特性

發(fā)布時(shí)間:2020-07-29 12:57:05??點(diǎn)擊次數(shù):1378次
摘要:應(yīng)用動(dòng)量定理研究黃酒流量計(jì)的基本工作機(jī)理及儀表系數(shù)模型。通過(guò)數(shù)值仿真和流動(dòng)實(shí)驗(yàn),分析切向黃酒流量計(jì)葉片未轉(zhuǎn)動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)流體在黃酒流量計(jì)的分布情況,闡述切向渦輪計(jì)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)理。基于小流量實(shí)驗(yàn)裝置,考察了黃酒流量計(jì)在單相水及單相油條件下的響應(yīng)特性。黃酒流量計(jì)在純水與純油介質(zhì)中,啟動(dòng)排量分別為0.081m3/d與0.08m3/d,均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通螺旋式黃酒流量計(jì)的0.5m3/d,證明黃酒流量計(jì)在低流量測(cè)量中具有良好的應(yīng)用前景。
引言:
黃酒流量計(jì)廣泛應(yīng)用于小流量測(cè)量中。與軸向式渦輪流量傳感器相比,切向渦輪流量傳感器的啟動(dòng)排量更低,測(cè)量靈敏度更高,動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度更快。隨著國(guó)內(nèi)大部分油田進(jìn)入開(kāi)發(fā)中后期,低產(chǎn)井?dāng)?shù)量逐年增多,大量油井的日產(chǎn)量低于5m3/d,單層產(chǎn)量甚至低于1m3/d。低產(chǎn)液井對(duì)測(cè)井儀器提出了新的要求,傳統(tǒng)螺旋式黃酒流量計(jì)對(duì)低流量的響應(yīng)較差,啟動(dòng)排量較高,難以對(duì)低產(chǎn)井的井下流動(dòng)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。為此,提出采用黃酒流量計(jì)測(cè)量小流量。本文通過(guò)理論推導(dǎo)、數(shù)值仿真及小流量流動(dòng)裝置實(shí)驗(yàn),對(duì)黃酒流量計(jì)測(cè)量機(jī)理和響應(yīng)特性進(jìn)行了研究。
1 黃酒流量計(jì)工作原理:
黃酒流量計(jì)基本構(gòu)造見(jiàn)圖1。被測(cè)流體在流經(jīng)葉輪之前流道會(huì)減縮,流速增加,流體經(jīng)過(guò)葉輪后葉片旋轉(zhuǎn),磁電傳感器記錄葉片轉(zhuǎn)動(dòng)頻率,得到被測(cè)流體相對(duì)應(yīng)的流量。

渦輪在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所受的力矩大致可分:流體對(duì)渦輪的推動(dòng)力矩Tr,機(jī)械摩擦力矩Trm,流體對(duì)渦輪產(chǎn)生的流動(dòng)阻力矩Trf和電磁阻力矩Tre。渦輪運(yùn)動(dòng)方程可以表示為

式中,J為渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ω為渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。渦輪正常工作時(shí),ω可近似看作定值(切向渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)由于驅(qū)動(dòng)力矩隨著位置變化而變化,所以轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω也是變化的,這里將ω看作定值)。
如圖2所示,黃酒流量計(jì)流道收縮后面積為A,從流道流出的流體速度為v1,從渦輪流出的流體速度為v2;v1和v2與渦輪葉片速度方向的夾角為α1和α2,渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為ω,假設(shè)出口處流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的方向平行于葉片方向。

在渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),只有垂直葉片方向的力對(duì)驅(qū)動(dòng)力矩有貢獻(xiàn),因此只考慮垂直葉片方向的驅(qū)動(dòng)力f。

式中,fHz為轉(zhuǎn)動(dòng)頻率;Q為流量。
2 黃酒流量計(jì)流場(chǎng)分布特性仿真分析:
Workbench是ANSYS公司開(kāi)發(fā)的協(xié)同仿真環(huán)境,大大簡(jiǎn)化了仿真過(guò)程中各模塊間的交互操作。通過(guò)幾何建模、網(wǎng)格劃分、計(jì)算求解、后處理等過(guò)程,可以比較準(zhǔn)確地仿真復(fù)雜機(jī)械模型的各個(gè)物理參數(shù)的場(chǎng)分布。
根據(jù)實(shí)際情況采用了二維計(jì)算,并將計(jì)算域劃分為2個(gè)部分:葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)部分和入口出口部分(見(jiàn)圖3)。
在圖3中葉輪部分和入口出口部分均采用四邊形網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)各約2萬(wàn),整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)為4萬(wàn)。入口出口部分為靜止網(wǎng)格采用參考系,葉輪部分為動(dòng)網(wǎng)格,繞圓心轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)采用相對(duì)參考系,參考系轉(zhuǎn)動(dòng)速度與網(wǎng)格轉(zhuǎn)速相同。

黃酒流量計(jì)仿真模型見(jiàn)圖4。圖4中右側(cè)入口和左側(cè)出口均寬20mm,在計(jì)算中分別設(shè)置為速度入口和速度出口,轉(zhuǎn)動(dòng)部分直徑(圖4中D1)為18mm,葉片頂端半徑為8.5mm,轉(zhuǎn)動(dòng)腔上半部分直徑(D3)為20mm,轉(zhuǎn)動(dòng)腔下半部分直徑(D2)為19mm,轉(zhuǎn)動(dòng)腔入口出口寬度均為4mm。

圖5、圖6中速度入口分別為0.08m3/d及1m3/d。如圖5所示,當(dāng)流速較低時(shí),流體在切向渦輪內(nèi)可以近似看成繞角流動(dòng),此時(shí)腔體內(nèi)葉片壓強(qiáng)對(duì)稱(chēng)分布,基本上不產(chǎn)生壓差,無(wú)法驅(qū)動(dòng)渦輪葉片轉(zhuǎn)動(dòng);隨著流速增大,流體在流入靠近入口的腔體時(shí),在腔體內(nèi)產(chǎn)生旋渦,旋渦的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致葉片壁面壓強(qiáng)分布不均勻,從而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)矩,如圖6所示。可以看出對(duì)驅(qū)動(dòng)力矩有貢獻(xiàn)的是靠近入口的腔體,其他腔體基本上不產(chǎn)生壓差。

為了驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性,通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)其驗(yàn)證。切向渦輪采用可視化研究平臺(tái),整個(gè)渦輪的結(jié)構(gòu)都采用亞克力板雕刻組裝而成。如圖7所示,水箱主要提供穩(wěn)定水壓,水平切向渦輪做成開(kāi)口系統(tǒng)并放置在實(shí)驗(yàn)支撐架上,前置閥門(mén)可控制水流,在需要更換切向渦輪的零件時(shí)可關(guān)閉,控制閥門(mén)主要是控制流經(jīng)切向渦輪的流量,流量測(cè)量仍采用傳統(tǒng)可靠的容積時(shí)間法。實(shí)驗(yàn)時(shí)以染色劑作為示蹤劑,以觀察流場(chǎng)的分布情況。


如圖8所示,記錄的是未啟動(dòng)時(shí)切向渦輪內(nèi)的流場(chǎng),水從圖8左側(cè)流入渦輪,從右側(cè)流出,實(shí)驗(yàn)時(shí)水的流速很低(0.05m3/d),腔體1中的流動(dòng)可近似看作不可壓縮無(wú)旋繞角流動(dòng),此時(shí)流體在腔體1中的速度可看成對(duì)稱(chēng)分布,由伯努利方程算得的壓強(qiáng)也是對(duì)稱(chēng)分布,此時(shí)2個(gè)壁面幾乎沒(méi)有壓強(qiáng)差,所以渦輪未啟動(dòng)。
圖9記錄的是切向渦輪正常轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的流場(chǎng),圖9中水從左向右流動(dòng),實(shí)驗(yàn)時(shí)水速較快(1m3/d),渦輪葉片順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。水速變大后,擾動(dòng)變大,不再是無(wú)旋繞角流動(dòng),腔體1中流體形成一個(gè)運(yùn)動(dòng)的旋渦,導(dǎo)致腔內(nèi)壓強(qiáng)分布不再對(duì)稱(chēng),產(chǎn)生壓差,致使渦輪葉片轉(zhuǎn)動(dòng),旋渦在隨葉片運(yùn)動(dòng)到腔體2中時(shí)逐漸耗散消失。數(shù)值仿真的計(jì)算結(jié)果與物理實(shí)驗(yàn)的結(jié)果基本一致。

3 切向渦輪在單相流體中響應(yīng)特性:
為了驗(yàn)證切向渦輪在單相流體中的響應(yīng)情況,在全集流條件下對(duì)其在單相水及單相油介質(zhì)中響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了研究。對(duì)于單相水的渦輪響應(yīng)情況,進(jìn)行了在0~6m3/d流速范圍內(nèi)的渦輪響應(yīng)實(shí)驗(yàn),測(cè)得單相水介質(zhì)中渦輪的啟動(dòng)排量為0.081m3/d,渦輪響應(yīng)情況見(jiàn)圖10。經(jīng)過(guò)擬合后的響應(yīng)關(guān)系為ω=6.49Q-1.446。

采用同樣的方法,對(duì)單相油條件下渦輪響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行研究(見(jiàn)圖11),測(cè)得單相油的啟動(dòng)排量為0.08m3/d。對(duì)單相油的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合,可得單相油的響應(yīng)曲線為ω=6.73Q-6.72。與水對(duì)比而言,油的擬合曲線斜率更大,即隨著流量增加轉(zhuǎn)速增加得略快。
為了深入分析黃酒流量計(jì)在單相低流量條件下的響應(yīng)特點(diǎn),將流量作為橫坐標(biāo),儀表K值即轉(zhuǎn)速/流量作為縱坐標(biāo),繪制單相水(見(jiàn)圖12)和單相油(見(jiàn)圖13)的黃酒流量計(jì)特性曲線。

為了深入分析切向黃酒流量計(jì)在單相低流量條件下的響應(yīng)特點(diǎn),將流量作為橫坐標(biāo),儀表K值即轉(zhuǎn)速/流量作為縱坐標(biāo),繪制單相水(見(jiàn)圖12)和單相油(見(jiàn)圖13)的切向黃酒流量計(jì)特性曲線。


可以看出,渦輪啟動(dòng)后*先進(jìn)入一個(gè)非線性段,在非線性相應(yīng)段,K值隨著流量增加而增大;當(dāng)流量比較大(單相水超過(guò)0.5m3/d,單相油超過(guò)1m3/d)時(shí),渦輪進(jìn)入線性段,在線性響應(yīng)段,K值達(dá)到峰值,有相對(duì)較小的波動(dòng)。
4 結(jié)論:
(1)數(shù)值仿真結(jié)果與物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致,當(dāng)流速低于啟動(dòng)排量,渦輪未啟動(dòng)時(shí),流體沿葉片做繞角運(yùn)動(dòng),葉片兩側(cè)壓力相等,葉片不轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)流速高于啟動(dòng)排量,渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),流體在腔內(nèi)產(chǎn)生旋渦,造成葉片兩邊壓差,從而造成葉片轉(zhuǎn)動(dòng)。
(2)黃酒流量計(jì)在純水與純油介質(zhì)中,啟動(dòng)排量分別為0.081m3/d與0.08m3/d,均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通螺旋式黃酒流量計(jì)0.5m3/d的啟動(dòng)排量,在低流量測(cè)量具有良好的前景。
(3)黃酒流量計(jì)在未達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)前,K值不斷增大,穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)后 K值趨于一條直線,具有良好的線性關(guān)系。

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