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涡轮流量计在复杂管径下得应用
时间:2021-03-18 10:09 点击次数:
随油田开发向极限环境发展,在油田生产测井中,复杂情况下的管流测量问题日益突出。通过理论分析与试验验证相结合的方法,对复杂工况下的小口径涡轮流量计的工作特性进行了分析。这包括低流动条件,高粘性流体,多相流动等复杂条件。
本论文首先基于Thompson-Grey的理论建立了单相流动下涡轮流量计响应的理论计算模型,同时利用粒子成像测速技术(PIV)获得了涡轮流量计叶片入口流场速度分布信息,作为理论计算流量计响应的入口条件。通过对几种典型进口流速分布计算结果的对比分析,表明PIV测量值在理论上更接近涡轮流量计的实际响应。
在此理论模型的基础上,结合实际进气口速度分布情况,进一步分析了两种不同叶片螺旋角分布设计方案(直叶型和曲叶型)对涡轮流量计响应的影响。
与传统的直叶片设计相比,与真实的速度分布相吻合的扭叶式涡轮响应曲线线性度有所提高,起动性能更好。它能显著缩短对流速变化的响应时间,同时也能显著降低摩擦阻力矩。
基于上述认识,本文提出了一种无量纲偏流模型,该模型反映了叶片设计速度分布与实际速度分布之间的差异,并随偏流模型的减小,动态响应速度加快,抗干扰能力增强。
此参数可作为评价涡轮设计与速度场匹配程度乃至涡轮流量计整体性能的重要参数。研究了低流量、高粘度条件对涡轮流量计响应特性的影响。
因此,作者开发了一套低流量实验平台,并利用高速摄影技术,研究了透明式涡轮流量计叶轮转动情况下,涡轮流量计接近起动排量时的低速响应特性。试验结果表明,涡轮流量计叶轮转速在低流量段普遍存在周期性波动,波动现象随着流速的升高而减弱;将偏心效应加入到涡轮响应理论模型中,实现了叶轮非定常转动的有效评估。
通过对理论模型和试验验证的综合分析,提出了优化设计参数的措施,以提高流量计在低流量条件下的响应性能,并利用聚丙烯酰胺(PAM)溶液改变流体的粘度来分析粘度对流量计响应性能的影响。试验结果表明,涡轮流量计的起动排量随流体粘度的增加而减小,而稳定化响应流量的下限也随之减小;当未达到线性响应时,涡轮流量计的仪表常数(即涡轮K值)与管道内流动的雷诺数之间呈指数关系。然后,通过试验研究了涡轮流量计对垂直两相流和水平油水两相流的响应特性。
在测量方面,采用高速摄影的方法,直接观测了涡轮机的响应和流动状态,而对于气液两相流,则使用了另外的电阻层析(ERT)来获得截面相位分布信息。
试验结果表明,当空气弹经流量计时时,叶轮转速急剧下降,随水流速度增大,涡轮响应波动减小;扩展了单相涡轮响应的理论模型,用于计算两相不稳定涡轮响应,结果表明,将ERT得到的相分布信息代入扩展后的理论模型,可以有效地预测涡轮流量计的响应。
通过对油水两相流的研究发现,在油水两相流中,涡轮流量计的响应曲线与纯水中的响应曲线稍有差异,尤其是在分层流动中。
适当地改变理论模型,代入相应的相分布信息,同样可以有效地预测和分析仪器的响应特性。
另外,本文还特别关注了影响流型变化的液滴融合现象。本文的研究方法主要是利用顶视场中的高速阴影直接拍摄大液滴融合初期液桥的形成与扩张。在光学成像研究中发现,大液滴的融合行为与以前高速电测结果中的ILV阶段和惯性阶段相吻合,同时也拍摄到了融合机制转换时液桥中心位置的变化:在液滴融合前靠近的液滴挤压形成环境流体形成的液膜,这种液膜半径随着液滴接近速度的增加而增大;根据融合起始点,可以判断两滴从融合到碰合过程的转变。

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