摘要：應(yīng)用渦輪流量計(jì)測量油水兩相流混合流量，重點(diǎn)研究油相粘度和入口相含率對測量精度的影響.通過試驗(yàn)給出了測量誤差隨油相粘度和入口相含率變化的試驗(yàn)曲線圖.結(jié)果表明:油相粘度和入口相含率對測量誤差有顯著的影響，特別是油相粘度較高時(shí)。

0、引言：
   隨著工業(yè)快速發(fā)展，能源需求量越來越大，而陸上油氣資源的日益緊缺，促使各國轉(zhuǎn)向海洋石油的開發(fā)。但陸上油田采用的傳統(tǒng)計(jì)量技術(shù)并不完全適合于海洋平臺(tái)使用，這促使工業(yè)界和學(xué)術(shù)界聯(lián)合開發(fā)新型的結(jié)構(gòu)緊湊的多相流量計(jì)。目前國內(nèi)的研究大都集中于氣液兩相流的測量，且集中于流動(dòng)中分散相的測量，而對油水混合流量的測量研究較少。
   渦輪流量計(jì)是被工業(yè)界普遍采用的用于測量單相流動(dòng)的速度式流量儀表。由于在高溫、高壓等比較嚴(yán)酷的環(huán)境下，仍然具有較高精度以及穩(wěn)定性;與其他流量計(jì)相比，具有較大的測量范圍;對流動(dòng)的瞬態(tài)變化具有快速反應(yīng)的特點(diǎn)，因此，應(yīng)用渦輪流量計(jì)測量兩相流有著良好的前景。本次試驗(yàn)主要考察用渦輪流量計(jì)測量油水兩相流時(shí)，油相粘度對測量精度的影響。

1、試驗(yàn)系統(tǒng)：
1.1、試驗(yàn)裝置：
   本試驗(yàn)在中國科學(xué)院力學(xué)研究所多相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成。圖1為試驗(yàn)裝置示意圖。油和水分別由油箱和水箱供應(yīng)，經(jīng)過各自的流量計(jì)后，進(jìn)入試驗(yàn)管線，混合液流經(jīng)試驗(yàn)段后被分離再循環(huán)使用。試驗(yàn)管線采用內(nèi)徑50mm的透明有機(jī)玻璃管，這有利于觀察油水兩相的流動(dòng)狀態(tài)，管線從入口到分離器長約35m.    流量計(jì)量:水相采用電磁流量計(jì)，油相采用腰輪流量計(jì)，油相和水相經(jīng)過試驗(yàn)管線后，用LWGY型渦輪流量計(jì)對其混合流進(jìn)行測量。LWGY型渦輪流量計(jì)的公稱通徑為50mm測量流量范圍在1~15m3h，在測量單相流體時(shí)，其精度可達(dá)0.25%。流型識(shí)別系采用高速攝像機(jī)記錄每次試驗(yàn)條件下的流動(dòng)狀態(tài)，慢鏡頭回放觀察流型。為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，對每個(gè)測量點(diǎn)，都在調(diào)整流量后的5~8min，流動(dòng)相對穩(wěn)定后再采集數(shù)據(jù)和觀測流型。

圖1油水兩相流渦輪流量計(jì)測速試驗(yàn)示意圖
  1.2、試驗(yàn)工質(zhì)及試驗(yàn)過程：
   試驗(yàn)水相為白來水，20℃時(shí)的粘度為1.005mPa.s。油相采用無色、透明的礦物油，俗稱自油，在常溫常壓(20 0C, 0. 101mPa)，分別選用粘度為50, 160, 225, 400, 700, 1100和1450mPa.s的七種樣品。同時(shí)，為便于觀察試驗(yàn)流型，在水中加入高錳酸鉀(著色劑)。試驗(yàn)一〔質(zhì)溫度控制在19~21 °C，在特定粘度下，給定油相流量后，調(diào)整水相流量，通過可視化手段觀察試驗(yàn)段的油水兩相流型，記錄入口處不同流型的油相和水相表觀流量和試驗(yàn)段的混合流量。表I給出了不同粘度下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)
2、結(jié)果與討論：
2.1、全油時(shí)試驗(yàn)結(jié)果：
   本試驗(yàn)首先在油相粘度分別為50,  160, 225, 700, 1450mPa.s時(shí)，用渦輪流量計(jì)測量完成了全油時(shí)單相流量的測量，結(jié)果如圖2所示。
   本文以工程中能接受的士5%相對誤差作為其有效[作區(qū)間的判斷標(biāo)準(zhǔn)(在圖中，士5%的區(qū)間用虛線標(biāo)出)，作為有效L二作區(qū)域的分界線。從圖中可以看出，當(dāng)粘度為50 mPa.s時(shí)，其測量誤差大都在士5%以內(nèi)，但當(dāng)粘度繼續(xù)增大時(shí)，其測量誤差明顯偏離了士5%的區(qū)間。因此，用其測量單相高粘油時(shí)，需要對結(jié)果進(jìn)行修正。

圖2全油時(shí)不同粘度下的誤差圖(粘度單位:mPa.s )
2.2、油水兩相流時(shí)油相粘度和入口含率的影響：
 測量油水兩相流時(shí)，固定油相粘度，用電磁流量計(jì)測量入口處水相流量Qw，腰輪流量計(jì)測量入口處油相流量Qo，進(jìn)而得到入口處油相、水相的體積相含率幾和瓜·即:、·QoQo " Qw一_QoM·油相。(1)a_Qw_Qw_1尸w=。
     場十w蛛IC2)式中編;為管道入口處的混合流量。    同時(shí)，在試驗(yàn)管段用渦輪流量計(jì)測量兩相混合流量M2，對比殘，和M2，可得到渦輪流量計(jì)的測量誤差(相對誤差):Er_M2二魚I x I00%      編l(3)    圖3給出了七種不同粘度情況下，測量誤差隨入口處油相含率變化關(guān)系圖。以士5%相對誤差作為其有效工作區(qū)間的判斷標(biāo)準(zhǔn)(在圖中，t5%的區(qū)間用虛線標(biāo)出)，作為有效工作區(qū)域的分界線。由油相粘度為SOmPas時(shí)相對誤差隨入口處油相含率變化關(guān)系圖可以看出，在整個(gè)油相含率變化范圍內(nèi)，誤差可以控制在f5%以內(nèi)，只有個(gè)別的幾個(gè)點(diǎn)超過5%的范圍，因此可認(rèn)為油相粘度為SOmPas時(shí)，渦輪流量計(jì)在任何油相含率下均處于有效工作區(qū)間。對于油相粘度為160mPas的試驗(yàn)研究結(jié)果顯示，隨著油相含率幾的增加，相對誤差有逐漸增大的趨勢，同時(shí)，誤差值也由幾較小時(shí)的正值，變?yōu)閹纵^大時(shí)的負(fù)值。但在大部分入口油相含率幾的變化范圍內(nèi)，相對誤差在t5%以內(nèi)，這與粘度為SOmPas時(shí)的情況大體一致。

圖3不同粘度下測量誤差隨入口相含率變化曲線圖(粘度單位:mPas )
    當(dāng)油相粘度提高至22smPas時(shí)，觀察到了與粘度為160mPas時(shí)相似的曲線變化趨勢，不同的是:當(dāng)幾小于70%時(shí)，相對誤差在s%以內(nèi)，渦輪流量計(jì)處于有效一r_作區(qū)間。然而，隨著幾的增加，誤差曲線下降的幅度增大，當(dāng)幾達(dá)到70%時(shí)，整體誤差超過了s%的界線，達(dá)到to%以上，此時(shí)，失效區(qū)開始出現(xiàn)。    由油相粘度為400mPas和700mPas時(shí)變化關(guān)系，可以看出，當(dāng)幾達(dá)到s0%^-60%時(shí)，測量誤差呈大幅度增大的趨勢，超過s%的界線，渦輪流量計(jì)超出了有效工作區(qū)，而且，隨著幾的增加，誤差也由正值變成負(fù)值。
   為進(jìn)一步研究超粘油對于渦輪流量計(jì)測量精度的影響，觀察油相粘度為1 I 00和I 4sOmPas時(shí)的渦輪流量計(jì)測量油水兩相流量的工作特性。由圖3可以看出，當(dāng)幾僅為30%—40%時(shí)，誤差便開始急劇增大。因此，對于超粘油來說，渦輪流量計(jì)僅能在低含油率的情況一F_〔作，有效工作區(qū)的范圍非常狹窄。
   由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，對于油相粘度較大的油水流動(dòng)，禍輪流量計(jì)的測量誤差隨著入口處油相含率幾的增加有逐漸增大的趨勢，其有效工作區(qū)在逐漸減少?？梢钥闯?，流體的粘度對于渦輪流量計(jì)的計(jì)量精度有著重要的影響，當(dāng)粘度大于一定值時(shí)，計(jì)量產(chǎn)生的誤差將會(huì)很大，即流量計(jì)偏離線性區(qū)。為了對其說明，筆者計(jì)算了粘度400mPas時(shí)的油水有效粘度:將油水兩相混合物看作均相的單相流體，應(yīng)用均相模型壓降計(jì)算公式，分別對水相連續(xù)流動(dòng)的混合物粘度h和油相連續(xù)流動(dòng)的混合物粘度越采用下式計(jì)算:

圖4油相粘度為400mPas時(shí)相對誤差。隨入U(xiǎn)處油相含率凡變化圖         圖5油相粘度400mPa‘時(shí)流型圖
    對比圖4和圖5可知，當(dāng)水相為連續(xù)流動(dòng)即流型為Do/w時(shí)，由式(4)計(jì)算有效粘度的范圍在1.02~2.35mPa.s之間，其測量誤差大都在士5%之間:而當(dāng)油相為連續(xù)流動(dòng)時(shí)，由式(5)計(jì)算有效粘度的范圍在283~370mPa.s之間，其測量誤差大都超過10%，有的甚至達(dá)到了21%。同時(shí)還可看出，在其有效_上作區(qū)域，粘度較低時(shí)，誤差大都為正值，即測量值人于真實(shí)值，而在粘度較大時(shí)，誤差人都為負(fù)值，即測量值小于真實(shí)值。

3、結(jié)論：
   本文應(yīng)用渦輪流量計(jì)測量了不同油相粘度下的油水兩相混合流量，研究了油相粘度和入口相含率對其_I}作性能的影響，繪制了50, 160, 225, 400, 700* 1100和1450mPa.s七種粘度情況下，測量誤差隨入口處油相含率的變化曲線圖。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，粘度為50和160mPa}s時(shí)，在0100%的入口油相含率變化范圍內(nèi)，相對誤差大都在士5%以內(nèi)，可認(rèn)為渦輪流量計(jì)工作在有效工作區(qū)。但粘度達(dá)到22SmPa.s，隨著油相含率的增加，誤差有逐漸增大的趨勢，并在入口處油相含率達(dá)到70%時(shí)，渦輪流量計(jì)進(jìn)入失效區(qū)。隨著油相粘度的進(jìn)一步增加，禍輪流量計(jì)在更低的油相含率下進(jìn)入失效區(qū)，同時(shí)誤差逐漸由正值變?yōu)樨?fù)值。