切向高溫導熱油流量計小流量測量響應特性
點(diǎn)擊次數：1622 發(fā)布時(shí)間：2021-01-19 14:37:52
摘要：應用動(dòng)量定理研究高溫導熱油流量計的基本工作機理及儀表系數模型。通過(guò)數值仿真和流動(dòng)實(shí)驗，分析切向高溫導熱油流量計葉片未轉動(dòng)及轉動(dòng)時(shí)流體在高溫導熱油流量計的分布情況，闡述切向渦輪計葉片轉動(dòng)機理?；谛×髁繉?shí)驗裝置，考察了高溫導熱油流量計在單相水及單相油條件下的響應特性。高溫導熱油流量計在純水與純油介質(zhì)中，啟動(dòng)排量分別為0.081m3/d與0.08m3/d，均遠遠低于普通螺旋式高溫導熱油流量計的0.5m3/d，證明高溫導熱油流量計在低流量測量中具有良好的應用前景。
引言：
高溫導熱油流量計廣泛應用于小流量測量中。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，測量靈敏度更高，動(dòng)態(tài)響應速度更快。隨著(zhù)國內大部分油田進(jìn)入開(kāi)發(fā)中后期，低產(chǎn)井數量逐年增多，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)液井對測井儀器提出了新的要求，傳統螺旋式高溫導熱油流量計對低流量的響應較差，啟動(dòng)排量較高，難以對低產(chǎn)井的井下流動(dòng)進(jìn)行有效監測。為此，提出采用高溫導熱油流量計測量小流量。本文通過(guò)理論推導、數值仿真及小流量流動(dòng)裝置實(shí)驗，對高溫導熱油流量計測量機理和響應特性進(jìn)行了研究。
1 高溫導熱油流量計工作原理：
高溫導熱油流量計基本構造見(jiàn)圖1。被測流體在流經(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，磁電傳感器記錄葉片轉動(dòng)頻率，得到被測流體相對應的流量。
渦輪在轉動(dòng)時(shí)所受的力矩大致可分：流體對渦輪的推動(dòng)力矩Ｔｒ，機械摩擦力矩Ｔｒｍ，流體對渦輪產(chǎn)生的流動(dòng)阻力矩Ｔｒｆ和電磁阻力矩Ｔｒｅ。渦輪運動(dòng)方程可以表示為
式中，Ｊ為渦輪轉動(dòng)慣量；ω為渦輪轉動(dòng)角速度。渦輪正常工作時(shí)，ω可近似看作定值（切向渦輪轉動(dòng)時(shí)由于驅動(dòng)力矩隨著(zhù)位置變化而變化，所以轉動(dòng)角速度ω也是變化的，這里將ω看作定值）。
如圖2所示，高溫導熱油流量計流道收縮后面積為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，渦輪的轉動(dòng)角速度為ω，假設出口處流體相對運動(dòng)速度的方向平行于葉片方向。
在渦輪轉動(dòng)時(shí)，只有垂直葉片方向的力對驅動(dòng)力矩有貢獻，因此只考慮垂直葉片方向的驅動(dòng)力ｆ。
式中，ｆＨｚ為轉動(dòng)頻率；Ｑ為流量。
2 高溫導熱油流量計流場(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、計算求解、后處理等過(guò)程，可以比較準確地仿真復雜機械模型的各個(gè)物理參數的場(chǎng)分布。
根據實(shí)際情況采用了二維計算，并將計算域劃分為2個(gè)部分：葉輪轉動(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)格數各約2萬(wàn)，整個(gè)計算域網(wǎng)格數為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，繞圓心轉動(dòng)，同時(shí)采用相對參考系，參考系轉動(dòng)速度與網(wǎng)格轉速相同。
高溫導熱油流量計仿真模型見(jiàn)圖4。圖4中右側入口和左側出口均寬20ｍｍ，在計算中分別設置為速度入口和速度出口，轉動(dòng)部分直徑（圖4中Ｄ1）為18ｍｍ，葉片頂端半徑為8.5ｍｍ，轉動(dòng)腔上半部分直徑（Ｄ3）為20ｍｍ，轉動(dòng)腔下半部分直徑（Ｄ2）為19ｍｍ，轉動(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，當流速較低時(shí)，流體在切向渦輪內可以近似看成繞角流動(dòng)，此時(shí)腔體內葉片壓強對稱(chēng)分布，基本上不產(chǎn)生壓差，無(wú)法驅動(dòng)渦輪葉片轉動(dòng)；隨著(zhù)流速增大，流體在流入靠近入口的腔體時(shí)，在腔體內產(chǎn)生旋渦，旋渦的運動(dòng)導致葉片壁面壓強分布不均勻，從而產(chǎn)生驅動(dòng)矩，如圖6所示?？梢钥闯鰧︱寗?dòng)力矩有貢獻的是靠近入口的腔體，其他腔體基本上不產(chǎn)生壓差。
為了驗證仿真的準確性，通過(guò)室內實(shí)驗對其驗證。切向渦輪采用可視化研究平臺，整個(gè)渦輪的結構都采用亞克力板雕刻組裝而成。如圖7所示，水箱主要提供穩定水壓，水平切向渦輪做成開(kāi)口系統并放置在實(shí)驗支撐架上，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，流量測量仍采用傳統可靠的容積時(shí)間法。實(shí)驗時(shí)以染色劑作為示蹤劑，以觀(guān)察流場(chǎng)的分布情況。
如圖8所示，記錄的是未啟動(dòng)時(shí)切向渦輪內的流場(chǎng)，水從圖8左側流入渦輪，從右側流出，實(shí)驗時(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中的速度可看成對稱(chēng)分布，由伯努利方程算得的壓強也是對稱(chēng)分布，此時(shí)2個(gè)壁面幾乎沒(méi)有壓強差，所以渦輪未啟動(dòng)。
圖9記錄的是切向渦輪正常轉動(dòng)時(shí)的流場(chǎng)，圖9中水從左向右流動(dòng)，實(shí)驗時(shí)水速較快（1m3/d），渦輪葉片順時(shí)針轉動(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)運動(dòng)的旋渦，導致腔內壓強分布不再對稱(chēng)，產(chǎn)生壓差，致使渦輪葉片轉動(dòng)，旋渦在隨葉片運動(dòng)到腔體2中時(shí)逐漸耗散消失。數值仿真的計算結果與物理實(shí)驗的結果基本一致。
3 切向渦輪在單相流體中響應特性：
為了驗證切向渦輪在單相流體中的響應情況，在全集流條件下對其在單相水及單相油介質(zhì)中響應規律進(jìn)行了研究。對于單相水的渦輪響應情況，進(jìn)行了在0～6m3/d流速范圍內的渦輪響應實(shí)驗，測得單相水介質(zhì)中渦輪的啟動(dòng)排量為0.081m3/d，渦輪響應情況見(jiàn)圖10。經(jīng)過(guò)擬合后的響應關(guān)系為ω＝6.49Ｑ－1.446。
采用同樣的方法，對單相油條件下渦輪響應規律進(jìn)行研究（見(jiàn)圖11），測得單相油的啟動(dòng)排量為0.08m3/d。對單相油的實(shí)驗結果進(jìn)行擬合，可得單相油的響應曲線(xiàn)為ω＝6.73Ｑ－6.72。與水對比而言，油的擬合曲線(xiàn)斜率更大，即隨著(zhù)流量增加轉速增加得略快。
為了深入分析高溫導熱油流量計在單相低流量條件下的響應特點(diǎn)，將流量作為橫坐標，儀表Ｋ值即轉速／流量作為縱坐標，繪制單相水（見(jiàn)圖12）和單相油（見(jiàn)圖13）的高溫導熱油流量計特性曲線(xiàn)。
為了深入分析切向高溫導熱油流量計在單相低流量條件下的響應特點(diǎn)，將流量作為橫坐標，儀表K值即轉速／流量作為縱坐標，繪制單相水（見(jiàn)圖12）和單相油（見(jiàn)圖13）的切向高溫導熱油流量計特性曲線(xiàn)。
可以看出，渦輪啟動(dòng)后首先進(jìn)入一個(gè)非線(xiàn)性段，在非線(xiàn)性相應段，Ｋ值隨著(zhù)流量增加而增大；當流量比較大（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(xiàn)性段，在線(xiàn)性響應段，Ｋ值達到峰值，有相對較小的波動(dòng)。
4 結論：
（1）數值仿真結果與物理實(shí)驗結果基本一致，當流速低于啟動(dòng)排量，渦輪未啟動(dòng)時(shí)，流體沿葉片做繞角運動(dòng)，葉片兩側壓力相等，葉片不轉動(dòng)；當流速高于啟動(dòng)排量，渦輪轉動(dòng)時(shí)，流體在腔內產(chǎn)生旋渦，造成葉片兩邊壓差，從而造成葉片轉動(dòng)。
（2）高溫導熱油流量計在純水與純油介質(zhì)中，啟動(dòng)排量分別為0.081m3/d與0.08m3/d，均遠遠低于普通螺旋式高溫導熱油流量計0.5m3/d的啟動(dòng)排量，在低流量測量具有良好的前景。
（3）高溫導熱油流量計在未達到穩定轉動(dòng)前，Ｋ值不斷增大，穩定轉動(dòng)后 K值趨于一條直線(xiàn)，具有良好的線(xiàn)性關(guān)系。
引言：
高溫導熱油流量計廣泛應用于小流量測量中。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，測量靈敏度更高，動(dòng)態(tài)響應速度更快。隨著(zhù)國內大部分油田進(jìn)入開(kāi)發(fā)中后期，低產(chǎn)井數量逐年增多，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)液井對測井儀器提出了新的要求，傳統螺旋式高溫導熱油流量計對低流量的響應較差，啟動(dòng)排量較高，難以對低產(chǎn)井的井下流動(dòng)進(jìn)行有效監測。為此，提出采用高溫導熱油流量計測量小流量。本文通過(guò)理論推導、數值仿真及小流量流動(dòng)裝置實(shí)驗，對高溫導熱油流量計測量機理和響應特性進(jìn)行了研究。
1 高溫導熱油流量計工作原理：
高溫導熱油流量計基本構造見(jiàn)圖1。被測流體在流經(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，磁電傳感器記錄葉片轉動(dòng)頻率，得到被測流體相對應的流量。
渦輪在轉動(dòng)時(shí)所受的力矩大致可分：流體對渦輪的推動(dòng)力矩Ｔｒ，機械摩擦力矩Ｔｒｍ，流體對渦輪產(chǎn)生的流動(dòng)阻力矩Ｔｒｆ和電磁阻力矩Ｔｒｅ。渦輪運動(dòng)方程可以表示為
式中，Ｊ為渦輪轉動(dòng)慣量；ω為渦輪轉動(dòng)角速度。渦輪正常工作時(shí)，ω可近似看作定值（切向渦輪轉動(dòng)時(shí)由于驅動(dòng)力矩隨著(zhù)位置變化而變化，所以轉動(dòng)角速度ω也是變化的，這里將ω看作定值）。
如圖2所示，高溫導熱油流量計流道收縮后面積為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，渦輪的轉動(dòng)角速度為ω，假設出口處流體相對運動(dòng)速度的方向平行于葉片方向。
在渦輪轉動(dòng)時(shí)，只有垂直葉片方向的力對驅動(dòng)力矩有貢獻，因此只考慮垂直葉片方向的驅動(dòng)力ｆ。
式中，ｆＨｚ為轉動(dòng)頻率；Ｑ為流量。
2 高溫導熱油流量計流場(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、計算求解、后處理等過(guò)程，可以比較準確地仿真復雜機械模型的各個(gè)物理參數的場(chǎng)分布。
根據實(shí)際情況采用了二維計算，并將計算域劃分為2個(gè)部分：葉輪轉動(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)格數各約2萬(wàn)，整個(gè)計算域網(wǎng)格數為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，繞圓心轉動(dòng)，同時(shí)采用相對參考系，參考系轉動(dòng)速度與網(wǎng)格轉速相同。
高溫導熱油流量計仿真模型見(jiàn)圖4。圖4中右側入口和左側出口均寬20ｍｍ，在計算中分別設置為速度入口和速度出口，轉動(dòng)部分直徑（圖4中Ｄ1）為18ｍｍ，葉片頂端半徑為8.5ｍｍ，轉動(dòng)腔上半部分直徑（Ｄ3）為20ｍｍ，轉動(dòng)腔下半部分直徑（Ｄ2）為19ｍｍ，轉動(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，當流速較低時(shí)，流體在切向渦輪內可以近似看成繞角流動(dòng)，此時(shí)腔體內葉片壓強對稱(chēng)分布，基本上不產(chǎn)生壓差，無(wú)法驅動(dòng)渦輪葉片轉動(dòng)；隨著(zhù)流速增大，流體在流入靠近入口的腔體時(shí)，在腔體內產(chǎn)生旋渦，旋渦的運動(dòng)導致葉片壁面壓強分布不均勻，從而產(chǎn)生驅動(dòng)矩，如圖6所示?？梢钥闯鰧︱寗?dòng)力矩有貢獻的是靠近入口的腔體，其他腔體基本上不產(chǎn)生壓差。
為了驗證仿真的準確性，通過(guò)室內實(shí)驗對其驗證。切向渦輪采用可視化研究平臺，整個(gè)渦輪的結構都采用亞克力板雕刻組裝而成。如圖7所示，水箱主要提供穩定水壓，水平切向渦輪做成開(kāi)口系統并放置在實(shí)驗支撐架上，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，流量測量仍采用傳統可靠的容積時(shí)間法。實(shí)驗時(shí)以染色劑作為示蹤劑，以觀(guān)察流場(chǎng)的分布情況。
如圖8所示，記錄的是未啟動(dòng)時(shí)切向渦輪內的流場(chǎng)，水從圖8左側流入渦輪，從右側流出，實(shí)驗時(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中的速度可看成對稱(chēng)分布，由伯努利方程算得的壓強也是對稱(chēng)分布，此時(shí)2個(gè)壁面幾乎沒(méi)有壓強差，所以渦輪未啟動(dòng)。
圖9記錄的是切向渦輪正常轉動(dòng)時(shí)的流場(chǎng)，圖9中水從左向右流動(dòng)，實(shí)驗時(shí)水速較快（1m3/d），渦輪葉片順時(shí)針轉動(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)運動(dòng)的旋渦，導致腔內壓強分布不再對稱(chēng)，產(chǎn)生壓差，致使渦輪葉片轉動(dòng)，旋渦在隨葉片運動(dòng)到腔體2中時(shí)逐漸耗散消失。數值仿真的計算結果與物理實(shí)驗的結果基本一致。
3 切向渦輪在單相流體中響應特性：
為了驗證切向渦輪在單相流體中的響應情況，在全集流條件下對其在單相水及單相油介質(zhì)中響應規律進(jìn)行了研究。對于單相水的渦輪響應情況，進(jìn)行了在0～6m3/d流速范圍內的渦輪響應實(shí)驗，測得單相水介質(zhì)中渦輪的啟動(dòng)排量為0.081m3/d，渦輪響應情況見(jiàn)圖10。經(jīng)過(guò)擬合后的響應關(guān)系為ω＝6.49Ｑ－1.446。
采用同樣的方法，對單相油條件下渦輪響應規律進(jìn)行研究（見(jiàn)圖11），測得單相油的啟動(dòng)排量為0.08m3/d。對單相油的實(shí)驗結果進(jìn)行擬合，可得單相油的響應曲線(xiàn)為ω＝6.73Ｑ－6.72。與水對比而言，油的擬合曲線(xiàn)斜率更大，即隨著(zhù)流量增加轉速增加得略快。
為了深入分析高溫導熱油流量計在單相低流量條件下的響應特點(diǎn)，將流量作為橫坐標，儀表Ｋ值即轉速／流量作為縱坐標，繪制單相水（見(jiàn)圖12）和單相油（見(jiàn)圖13）的高溫導熱油流量計特性曲線(xiàn)。
為了深入分析切向高溫導熱油流量計在單相低流量條件下的響應特點(diǎn)，將流量作為橫坐標，儀表K值即轉速／流量作為縱坐標，繪制單相水（見(jiàn)圖12）和單相油（見(jiàn)圖13）的切向高溫導熱油流量計特性曲線(xiàn)。
可以看出，渦輪啟動(dòng)后首先進(jìn)入一個(gè)非線(xiàn)性段，在非線(xiàn)性相應段，Ｋ值隨著(zhù)流量增加而增大；當流量比較大（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(xiàn)性段，在線(xiàn)性響應段，Ｋ值達到峰值，有相對較小的波動(dòng)。
4 結論：
（1）數值仿真結果與物理實(shí)驗結果基本一致，當流速低于啟動(dòng)排量，渦輪未啟動(dòng)時(shí)，流體沿葉片做繞角運動(dòng)，葉片兩側壓力相等，葉片不轉動(dòng)；當流速高于啟動(dòng)排量，渦輪轉動(dòng)時(shí)，流體在腔內產(chǎn)生旋渦，造成葉片兩邊壓差，從而造成葉片轉動(dòng)。
（2）高溫導熱油流量計在純水與純油介質(zhì)中，啟動(dòng)排量分別為0.081m3/d與0.08m3/d，均遠遠低于普通螺旋式高溫導熱油流量計0.5m3/d的啟動(dòng)排量，在低流量測量具有良好的前景。
（3）高溫導熱油流量計在未達到穩定轉動(dòng)前，Ｋ值不斷增大，穩定轉動(dòng)后 K值趨于一條直線(xiàn)，具有良好的線(xiàn)性關(guān)系。