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涡轮流量计在井下油田监测中测量精度影响因素分析

    涡轮流量计在井下油田监测中测量精度影响因素分析,在油田监测中,涡轮流量计因其体积小、结构简单、价格便宜被广泛的应用。但由于受起动排量、流体的温度、粘度等各种因素的影响,使得涡流量计在实际应用过程中有偏差,给现场生产带来了很大的困难,因此有必要对影响涡轮流量计测量精度的各种因素进行分析、总结,使之能更好的为油田生产服务。
    1 工作原理
    涡轮流量计是速度式流量测量仪表,它是以动量矩守恒原理为基础,通过测量置于被测流体内的涡轮的旋转速度n来测量流量Q的大小。涡轮流量计的特性方程式为[1]:
    式中:c为涡轮流量计流量与转速之间的转换系数;a为与流量计结构参数、流体性质以及流动状态有关的系数。
    2 影响因素分析
    2.1 起动排量影响因素分析
    如图1所示:流量计的工作区间为QA-QB段,即特性方程线性工作区。而在流量QA以下时,流量与转速不成线性关系,在一定小的流量下,无信号输出。因此,在测量过程中,如何降低始动流量,提高灵敏度,减小死区,展宽线性工作区,成为解决小流量测量的关键问题。 
    对涡轮流量计的理论模型作如下分析。叶片的旋转如图2所示。 
    设涡轮流量计内流体流向与涡轮叶片成θ倾斜角,若密度ρ为的流体以速度V冲击叶片时,将朝上产生与ρVtanθ成正比的力,此外,由于涡轮以角速度旋转,故图中实际的涡轮驱动力为: 
    式中:
    因为,涡轮驱动力矩Tr与Fr成正比,V与Q/S(S为流路面积)成正比,故将这些关系代入式(2)得:
    涡轮在正常状态下旋转时,涡轮驱动力矩Tr等于轴承摩擦等产生的机械反抗力矩Trm和由流动阻力产生的反抗力矩Trf之和,即
    将(3)和(4)整理得: 
    式中,
    从理论可以知道,决定涡轮始动流量(即涡轮流量计的小灵敏度Qmin)的主要因素,涡轮起动时,角速度小,故可以忽略阻力产生的反抗力矩Trf因而式(5)可写 
    其最小灵敏度Qmin是式(6)右边第以项和第二项相等时的流量。即得
    而机械反抗力矩Trm包括涡轮轴与轴承间的摩擦力矩Tr1和电磁反作用力矩Tr2,即
    因此,降低机械反抗力矩Trm,就是减小摩擦力矩Tr1和电磁反作用力矩Tr2。
    从式(7)可知,对测量介质一定,管径一定的流体,密度为定值,c3,c4分别为比例常数,横截面为定值。因此,影响Qmin变化的只有Trm(Tr1,Tr2)。
    在流量计结构设计及工艺设计时,根据理论分析,可以采取以下措施作为优化设计。
    ①涡轮采用质轻的材料,减小涡轮的转动惯量,使其对流速变化的响应性好;涡轮轴与轴承间采用轴尖支撑,轴承采用玛瑙,减小旋转阻力。
    ②磁电转换器由光纤接受器取代,消除电磁反作用力矩。同时提高电磁流量计的抗干扰能力。
    2.2 温度因素的影响
    不同温度下,用水标定涡轮K(F/Q)值的情况如表1,从表1中可以发现,随着水温度的增加,涡轮的K值相对减小。
    根据上表做出油对K值得响应特性曲线,如图3所示,冷油(16度)对K值的响应特性,即y=118.69x-41.857;热油(60度)对K值的响应特性,即y=107.42x-24.38。
    由此可见,温度的变化对涡轮流量计K有影响,主要是由于金属材料热胀冷缩,几何尺寸的变化会引起涡轮转速的变化,K值也会随之改变。
    2.3 流体密度因素的影响
    涡轮启动时,要克服较大的机械静摩擦力,因此需要较大始动流量。涡轮以一定的速度转动起来以后,需要机械动摩擦力和流体流动阻力,转动阈值Qmin与ρ0.5成反比,流体密度越大,Qmin越小[2]。这种情况对于密度变化小的液体来说,影响不大,Qmin可视为常数。但对于多相流体来说,由于温度、压力和分相含率的变化,引起ρ变化,从而影响Qmin。
    实验在以水和空气为介质的流动模拟装置中进行,实验中在气体流量固定的前提下,逐渐增大水的流量,测量涡轮的响应值。增大气体的流量,重复上述操作,得到了下面的涡轮响应图版,其中流量为气液的合流量。图中气体流量为零时,流体的密度最大,测得的响应曲线各流量响应值最大。由于气流量增大时,测得流体密度和粘度都变小,所以随着流体密度的减小,增大。 
    通过实验验证,我们可以得出如下的结论:
    (1)涡轮流量计在测量多相流的流量时,在总流量保持不变的情况下,流体的密度发生变化也会引起涡轮转速的很大变化。
    (2)涡轮流量计的始动流量随多相流体密度的增大而减小。
    3 结论
    通过理论推导和实验验证,可以得出如下结论:
    3.1 涡轮采用质轻的材料,使其对流速变化的响应性好;同时尽量采取措施减少摩擦阻力矩及电磁反作用力矩,通过这些措施可以降低涡轮的起动排量。
    3.2 温度的变化会引起涡轮K值的变化,建议考虑使用对温度不敏感的材料作为涡轮制造材料。
    3.3 不同密度下的涡轮K值随密度增加而增大,因此三相流下要获得准确的流量还需进行密度校正。
点击次数:  更新时间:2018-05-22 18:25:06  【打印此页】  【关闭