（地球探测与信息技术专业论文）气液两相流中涡轮响应特性的研究.pdf

摘要 摘要 在油田生产过程参数( 如温度、压力等) 检测中，以流量测量最为复杂，是较难测量的参数， 而且，流量检测在油田生产过程中又十分重要，因而引起了工程技术人员的广泛兴趣。 由于油田上不产气的油井几乎是不存在的，当采用普通集流伞进行实际测井时。其测量结果与 地面量油结果差尉 艮大，根本原医是并下采用普通集流伞能过环空找水仪测量的是油、气、水三桶 流而非油水两相流。用普通集流伞集流时，油、气、水三相流在集流伞中会直接通过进液口进入中 心管，并在中心管内部按液流方向向上流过集流伞，进入涡轮流量计和同轴线相位含水率计。因气体 的可压缩性，建立通过油，气、水三相流测量来求取液体流量和含水率的模型十分困难，因而在三 相流情况下，由涡轮流量计很难测准液体的流量。 溢气型集流伞是对普通集流伞进行改进得到的，新型的集流伞。由于它的机械结构，使它具有 气渡分离作用，大大降低了酒井产出气对过环空铡井中，流量测量的影响。在多相流检测实验室中， 以自来水模拟油井产出液，以空气模拟油井产出气，分别使用普通集流伞和溢气型集流伞做了实验， 得到了涡轮的响应曲线图。通过对比可以看到，使用普通集流伞时，涡轮受气体的影响非常大，而 溢气型集流伞时，涡轮所受的影响要小很多。实验数据数学分析及现场测井曲线的对比，也得出了 同样的结论。 关键词地球探测与信息技术涡轮流量计溢气型集流伞普通集流伞响应曲线含水率计 大庆石油学院硕士研究生学位论文 a b s t r a c t i nt h ed e t e c t i n go f t h ep a r a m e t e r so f t h eo i l f i e l dp r o d u c t i o n ( f o re x a m p l e ，t h et e m p e r a t u r e ，t h ep r e s s u r e e t c ) i nt h eo i l f i e l dp r o d u c t i o n a sar e s u i t , i ts t i m u l a t e dt h ee n g i n e e r sa n dt e c h n i c i a n sv e r yi n t e r e s t i n g 、i l st h a tt h e r ew a sn o tg a si nt h e mw e r en o tn e a r l ye x i s t e di no i lf i e l d w h e nl o g g e x lb ye o - m m o n s l i pu m b r e l l a , t h er e s u l tw e r ev e r yd i l y e r e n tt ot h ef l u xw a sm e a s u r e di nt h ef l o wh e a d t h ef u n d a m e n t a l r e a s o nw a sf l u i dt h a tw a so u t p u t t e df r o mt h ew e l l sw e f eo i l - w a t e ra n dg a sm u l t i f l o w , n o tt w o p h a s ef l o w o f g a s - l i q u i d ，w h e nw e r el o g g i n gb yt h ec o m m o ns l i pu m b r e l l a , t h em u l t i p h a s eo f o i l - w a t e ra n dg a se n t e r e d d i r e c t l yt h eb a s ep i p ，t h e ne n t e r e dt h et o r h i n em e t e r a n dt h et u r b i n em e t e ra n dt h ew a t e rc u tm e t e r b c c a a s e t h ec o e r c i b i l i t yo f t h eg a s ，i tw a sv e r yd i f f i c u l tt oo b t a i nt h ef l u xo f t h et w o p h a s ef l o wo f g a s l i q u i df r o m t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h em u l t i p h a s eo f o i l - w a t e ra n dg a s t h e r e f o r e t h ef l u xw a sv e r yd i f n c u l tt ob e a c c u r a t e l ym e a s u r e di nt h em u l t i p h a s eo f o i l - w a t e ra n dg a s b u b b l i n gu m b r e l l aw a san e ws l i pu m b r e l l a b e c a u s et h em e c h a n i c a ls t r u c t u r eo f b u b b l i n gu m b r e l l a , i t h a dt h ee f f e c to f k n o c k o u to f g a s - i i q u i d n l eb u b b l i n gu m b r e l l ad e c r e a s e dt h ea f f e c t i o no nt h ef l o wg a g i n g i nl o g ，e x p e r i m e n tw a sm a d ei nt h el a bo f t h em e a s u r e m e n to f m u l t i p h a s e t h el i pw a t e rs i m u l a t e dt h e f l u i dt h a to u t p u tf r o mt h ew e l l 1 1 1 ea i rs i m u l a t e dt h eg a so u t p u tf r o mt h ew e l l t h ee x p e r i m e n t sw e r e s e l e c t i v e l ym a k i n gb yc o m m o nu m b r e l l aa n db u b b l i n gu m b r e l l a 。t h er e s p o n s ec m v e sw e r eo b t a i n e d t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t 。t h er e s p o n s ec u r v eo f t h et u b i n ew a ss e r i o u s l ya f f e c t e db yt h ea i rw h e nt h es l i p u m b r e l l aw a sc o m m o nm b r e l l a , b u tt h er e s p o n s ec u r v eo f t h et o b i n ew a sl i g h t l ya f f e c t e db yt h ea i rw h e n t h es l i pu m b r e l l aw a sb u b b l i n gu m b r e l l a t h em a t h e m a t i e a ia n a l y s i so f d a t ao f t h ee x p e r i m e n ta n dt h e c o m p a r i s o no f t h el o g sa l s oo b l i i n e dt h es a m ec o n c l u s i o n k e yw o r d s ：g e o d e t e c t i o na n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y t u r b i n em e t e r b u b b l i n gu m b r e l l a c o m m o nu m b r e l l a r e s p o n s ec l n w e w a t e rc u tm e t e r i i i 大庆石油学院硕士研究生学位论文 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表 或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了 明确说明并表示谢意 作者签名：j 殛基日期：趁! 丑：兰! 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留，使用学位论文的规定，学校有权保留学位论 文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版有权将学位论文用于非 赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密妁学位论文在解密后 适用本规定 学位论文作者签名：醋义导师签名：一7 z _ 趋专复学位论文作者签名：惭必 导师签名：正砜 日期：2 毋订弓2 0 日期：如0 3 弓2 0 大庆石油学院硕士研究生学位论文 引言 在油田生产过程参数( 如温度、压力等) 检测中，以流量和各相持率测量最为复杂，是 较难测量的两个参数，因而，引起了工程技术人员的兴趣随着油田的发震，被测对象不 再限于单相流，而要对多相流、混合状态的流量进行测量。测量多相流的技术难度要比 单相流体的精确测量大的多，知道单相流体的密度、粘度及测量装置的几何结构，便可 以对单相流进行定量分析。如果能利用多相流中每一相的上述各物理量对多相流进行测 量的话，就很方便。但很遗憾的是。多相流体的特性远比单相流体的特性复杂的多，如 各组分之间不能均匀混合、混合流体的异常性，流型转变，相对速度、流体性质、管道 结构、流动方向等因素将导致涡轮流量传感器响应特性的改变。 由于油田上不产气的油井几乎是不存在的，当采用普通集流伞进行实际测井时，其 测量结果与地面量油结果差别很大，根本原因是井下采用普通集流伞的过环空找水仪测 量的是油，气、水三相流而非油水两相流。用普通集流伞集流时，油、气、水三相流在 集流伞中会直接通过进液口进入中心管，并在中心管内部按液流方向向上流过集流伞， 进入涡轮流量计和同轴线相位含水率计。园气体的可压缩性，建立通过油、气、水三相 流测量来求取液体流量和含水率的模型十分困难，因而在三相流情况下，由涡轮流量计 很难测准液体的流量。 本文另辟溪径，通过对同轴线相位法环空找水仪集流伞的结构进行了改进，使得 油井产量测量的精度得到了很大的提高。 大庆石油学院硕士研究生学位论文 1 1 研究的目的 第1 章研究的目的和气液两相流概述 在油田生产过程参数( 如温度、压力等) 检测中，以流量和各相持率测量最为复杂，是 较难测量的两个参数，因而，引起了工程技术人员的兴趣随着油田的发展，被测对象不 再限于单相流，而要对多相流、混合状态的流量进行测量。测量多相流的技术难度要比 单相流体的精确测量大的多，知道单相流体的密度、粘度及测量装置的几何结构，便可 以对单相流进行定量分析。如果能利用多相流中每一相的上述各物理量对多相流进行测 量的话，就很方便。但很遗憾的是，多相流体的特性远比单相流体的特性复杂的多，如 各组分之间不能均匀混合、混合流体的异常性、流型转变，相对速度、流体性质、管道 结构、流动方向等因素将导致涡轮流量传感器响应特性的改变。 在单相流的条件下，涡轮的转速和流经它的体积流量成一单值线性函数，在油水两 相流中，只要流量超过始动流量，在允许的误差范围内，涡轮的响应和体积流量也是成 线性函数。但在多相流动中，即使在总流量保持不变的情况下，混合流体的密度发生变 化，也会引起涡轮转速的很大变化。 本文以水模拟油井产出液，以空气模拟油井产出气，研究了，在气液两相流中涡轮流 量计的信号响应通过改造同轴线相位法环空找水仪集流伞的结构，使流量的测量更加 的精确。 1 2 气液两相流概述 在油田生产中，我们接触的大多数都是油气水多相流，我们研究的气水两相流包括 气相和液相，其中液相包括油，水两相。在实验中，我们以清水模拟油井产出液，气模 拟油井产出气。所以，要了解气液两相流的特性，先要了解油气水三相流的发展史和特 性 1 2 1 油气水多相流的特点 所谓多相流通常是指同时存在两种或两种以上的物质流动，包括气液两相流、气固 两相流、液固两相流、液液两相流以及气液液和气液固多相流“2 ”。由于多相流动中各 相存在界面效应和相对速度，相界面在时间上和空间上都是随机可变的，致使其流动特 性远比单相流系统复杂、其特征参数也比单相流系统多“”。 多相流有多种流动形式，称为流态，主要有泡状流( b u b b l ef l o w ) 、弹状流( s l u g f l o w ) 或塞状流( p l u gf l o w ) 、环状流和雾状流( s p r a yo rd i s p e r s e df l o w ) 等“”。流态取决于 工作条件、流体性质、流速和管道的方向和形状等多种因素。流态对于多相流检测有着 重大的影响，大部分多相流量计量装置只能适用于特定的流态，而且不同的流态下，测 第1 章研究的目的和气液两相流概述 量精度相差很大。 原油是典型的多相流，包含油、气、水三相物质，油相是指油井产出液中的液烃 相，气相是指天然气、轻烃、非轻烃气体，水相则是指矿化水，同时还有少量的固相( 砂、 蜡、水合物) 。油、气、水多相流在流动过程中不仅存在多种流型，而且成分复杂多变， 流量检测困难。 1 2 2 油气水多相流测量的主要参数及特点 多相流动中，由于各相间的相互作用，存在一个形状和分布在时间和空间里均是随 机可变的相界面，而相间实际上又存在滑差速度，致使流经管道的分相流量比和分相所 占的管截面比并不相等。因此，针对多相流的特点，描述多相流动的参数比单相流动的 参数要多。“”川。 ( 1 ) 流量和流速参数“5 。” 对多相流体的流量可用质量流量m ( 堙s ) ，即单位时间内流过流道的介质流量或 体积流量q ( m 3 厶) ，即单位时间内流过流道的介质体积来表示。对于各相流量可用分 相质量流量帆、分相体积流量幺描述。其中，( 后= g ，) ，g 表示气相，表示液相。 则有 掰= m g + m ，q = 绞4 - q ， ( 卜2 2 1 ) 以流道总流通截面计算的介质流速为表观速度( s u p e r f i c i a lv e l o c i t y ) ，用仉表 示。其中 u k = q k a = m k p k a = g k p 。 同时，多相流动中相间存在相对速度虬 液两相速度的比值，s = ”；肛，。 2 u = u s + u = j ( 卜2 2 2 ) ( 州j ) ，甜，= 却g l f ；滑速比( s ) 为气 此外，还有扩散速度p o ( m s ) 、漂移速度( m s ) 和混合速度u ( ”咖) 等。 ( 2 ) 流型 国国图囵圃 流 动 方 向 图卜2 2 一l 垂直上升管内气液两相流流 型：l 细泡状流：2 _ 弹状流：卜块状流： 4 - - 环状流：5 带纤维的环状流 图卜2 2 2 水平管中的气液两相流 流型：1 一细泡状流：2 _ 柱塞状流：3 - - 分层流：扣波状流：扣弹状流；6 - - 环 状流 一一一一一一一 大庆石油学院硕士研究生学位论文 流型又称流态，即流体流动的形式或结构。由于各相间存在随机可变的相界面，致 使多相流动形式多种多样，十分复杂。流型不但影响两相流动特性和传质、传热性能， 而且多相流各种参数的准确测量也往往依赖于对它的了解。尽管对流型的研究时间很 长，但流型定义及分类尚未统一。图卜2 2 - 1 、图卜2 2 2 分别示出气液两相流在垂直 管道及水平流动管道中的流型。 ( 3 ) 分相含率 在气液两相流中的分相含率包括截面含气率( v o i df r a c t i o n ) 、容积含气率 ( v o l u m ef r a c t i o no fg a s ) 和质量流量含气率z ( 也称干度) 。口为容器或管道中 气相所占截面积与总流通截面积之比，口也称为截面空泡率，简称空泡率；为气相体 积流量占气液两相总体积流量的份额；z 为气相质量流量与两相质量流量之比。一般地， 由于气、液两相间存在相对速度，口与口并不一致。 ( 4 ) 密度参数 两相流动中，密度也是一个常用参数，根据研究需要也有几种表示方法。真实密度 岛( k s m 3 ) ，绵= n 致十( 1 一口) n ，表示两相流场中单位体积的质量。流量密度p 品 ( k g , n 3 ) 表示单位时间流过流道( 通过某截面或出口截面) 的两相流体积计算出的密 度，也称为混合密度。 ( 5 ) 压力降 压力及压力降是两相多相流动中的基本参数之一。两相多相流动产生的压力降与 两相多相流系统其它参数密切相关，它的计算与测量可为两相多相流工艺优化设计和 相关参数的测量提供参照依据。 除上述参数外，温度、传热系数、传质系数、临界热通量、分散在两相多相流中 的气泡、液滴、颗粒尺寸及分布等也都是描述两相多相流动的一些特征参数。 根据被测参数在设备及系统中的应用情况，可将两相多相流主要参数分类如表 卜2 2 1 所示1 。 表卜2 2 一l 两相多相流主要参数分类 参数类别相关参数 作用 直接与设计有关压力、差压、分相含率、流量、 用以提供系统在稳态或 传热系数、传质系数和临界热事故状态下设计的极限 通量等数据 与系统研究有关 流型、相浓度分布( 局部分相是时间或空间的平均参 含率) 、速度分布、质量流量 数，是为了改进设计并对 分布、气泡、液滴和颗粒尺寸 系统进行研究所必须了 及分布、膜厚度幅值分布等解的参数 与两相多相流过程速度波动、压力波动、温度波 是系统随时间变化的波 设备运行状况有关 动、相浓度波动等动参数，对过程稳定性、 产品的质量和产量有很 大的影响 3 第1 章研究的目的和气液两相流概述 1 2 3 油气水多相流参数测量的需求 石油开采中，需要计量每一口井的油、气、水三相的含率和流量，工程人员根据采 集的数据进行油井观测，检测油井的性能，评估油田的储量，配产，及时对油层定位和 控制，进而优化油田的开发。目前原油的开采计量普遍采用设立卫星式计量站的方法， 通过管汇切换，巡回检查每口油井，经计量分离器分离成油相、水相和气相再采用各 单相测量仪表获得三组分的各自含量，然后再混合输送到泵站进行生产处理”1 。 8 0 年代，西方主要石油公司提出开发多相流量计量装置取代大型三相分离式计量系 统的要求。其依据是： ( 1 ) 需要更准确快速的手段，不间断测量各口井的产量。由于一个计量站若干口井 共用一套计量装置，这种间断测量会带来较大的误差，有时高达( 2 5 3 0 ) “。 ( z ) 对于边远无入地区，倒如沙漠，极地的油田，使用计量站的方式经济性差，客 观上需要无人值守多相流量计量装置。 ( 3 ) 对于海上平台，取消分离器将会减少舱位和平台的重量，因而出于成本考虑， 需要体积小，不分离的多相流量计量装置。据估计，世界上已探明的油、气储量5 0 以 上位于水深3 0 0 米以下的海底，开采这些油、气田必须采用包括多相流量计量装置等新 技术和更加经济的手段。 石油工业的工程人员对油气水多相流计量认可的指标是：分相体积含气率为0 9 6 9 9 ，含水率( o 9 0 ) ；液体流量和气体流量误差在( 5 1 0 ) 内。 由于许多油田的开采处于中晚期，其含水率可能商达9 0 以上，故要求含水率测量 绝对误差小于2 ，从机械设备的角度要求多相流量计量装置是无介入式以避免对传感 器腐蚀及对流动产生附加压降。储油罐要求的准确度范围为( 5 1 0 ) ，分配测量要求 达到( 2 5 ) 的准确度，因为对油田或管线的操作者来说，必须确定一个开采比 4 大庆石油学院硕士研究生学位论文 第2 章涡轮流量传感器研究现状及粘度对涡轮流量计的影响 2 1 涡轮流量传感器研究现状 涡轮流量计是一类非常重要的流量测量仪表，因其精度高、重复性好、量程范围 宽、体积小、输出脉冲信号等优点，而广泛应用于天然气计量、油品精确计量和贸易、 工业生产过程监控、测量等领域。自美国1 9 3 8 年开发第一台涡轮流量计至今，科技工 作者对其研究从未中断。涡轮流量计由涡轮流量传感器及与之配套的计算仪表两部分构 成。主要研究工作集中十涡轮流量传感器本身和其信号的处理方法。s h a f e r ，f u r n e s s 。 b a k e r ，d a v i d 曾分别对涡轮流量传感器研究工作进行过总结，提供了非常有价值的参考 文献。 2 1 1 涡轮流量传感器理论 涡轮流量传感器理论研究的目的在于，建立其数学模型，从而准确预测其测量特性 随设计结构、几何参数、被测介质特性和环境因素的变化，进而优化其设计，提高其性 能。目前，主要集中在描述涡轮流量传感器测量气体、高粘度流体、多相流、非稳态流 和质量流量的特性。 吴国纷等基于机翼理论提出了双叶片轴尖式气体涡轮流量传感器的数学模型。司徒 忠以粘性流动o s e e n 方程和叶栅理论为基础，通过角变换得出了考虑流体粘性影响的涡 轮流量传感器叶片升力与阻力计算公式。孙立军等建立了适合粘性流体测量特性预测的 涡轮流量传感器数学模型：并比较了不同叶轮入口速度剖面的适用性。金宁德等提出了 集涡轮流量计测量垂直管中油、气、水三相流总流量的数学模型，模型预测误差小于5 。 s h u 将涡轮流量传感器视为一阶非线性系统，用动态和静态两个参数描述其动态特性， 并且提供了一种确定其动态参数的方法。王建强等建立了涡轮流量传感器的动态数学模 型，井对其运动微分方程和传递函数进行了分析，理论上计算出了涡轮流量传感器的单 位阶跃响应。张晓钟等提出了通过前、后两个涡轮叶片之间相位差，直接测量质量流量 的双涡轮传感器的基木结构、工作原理及其动量矩理论模型。 2 1 2 涡轮流量传感器设计 目前，主要集中于通过优化涡轮流量传感器导流件、叶轮、轴承、磁电信号检出 器等部件的结构、尺寸、加工工艺，来改善传感器测量气体、高粘度流体和小流量时的 特性，减小轴承磨损提高传感器使用寿命。 s v e d i n 等设计了静态叶轮涡轮流量传感器。该传感器将流量信息转化为叶轮上的力 矩，用硅力矩传感器测量力矩。优化尺寸是叶片长度为2 7 m m ，安装角为3 0 度。s i n g h 等通过微机械加工技术，在硅片上制造出了直径为4 0 0 0 1 11 1 1 的气体涡轮流量传感器。 叶轮转速可达4 0 0 0 0r p m 。用直径为4 0 0u m 的光传感器测量叶轮转速。该传感器的响应 时间为几个微秒。 郭亮对双叶片轴尖式气体涡轮流量传感器的结构及性能进行了介绍。赵学端等从理 第2 章涡轮流量传感器研究现状及粘度对涡轮流量计的影响 论上研究了叶片数、叶片安装角和叶片顶隙对双叶片轴尖式气体涡轮流量传感器性能的 影响。郭亮等通过试验研究了叶片安装角、磁电转换器的磁感应强度、叶片轴架安装位 置和轴尖轴承添加润滑油对双叶片轴尖式气体涡轮流量传感器性能的影响。林琦等介绍 了宽量程气体涡轮流量传感器的叶轮设计思想、零阻力信号检测法和仪表系数非线性修 正方法。刘正先等通过试验比较了整流器形状、叶片形状、叶片数、前后导流件结构对 气体涡轮流量传感器性能的影响。结果表明，后导流件相对整流器和叶轮是产生压力损 失的主要因素。 张茂青等研制了永磁和电磁同时使用的磁轴承涡轮流量传感器。马腾提出了采用环 形涡轮体的永磁磁轴承涡轮流量传感器。c h a n g 等提出了叶轮与前导流器一点接触的磁 轴承涡轮流量传感器。姜印平等介绍了用径向磁化永磁磁轴承研制的涡轮流量传感器。 查美生等为减小轴承磨损提高使用寿命，增强测量小流量时抗干扰能力，设计了数字低 速涡轮流量传感器。 p h i l i p p e 等用具有两个长螺旋叶片的叶轮来降低涡轮流量传感器的粘度变化敏感 度。p a u l 用转动方向相反、前后相互藕合的两个叶轮，设计了对粘度变化不敏感的涡轮 流量传感器。杨永娟对涡轮流量传感器的小流量区，提出了由流体粘度和主要结构参数 构成的准则数1 1 1 ，当m 在4 6 之间取值时，小流量区线性较好。 田新启介绍了一种采用光学方法测量叶轮转速的光纤涡轮流量传感器。张晓钟等对 能够进行双向流量测量的，用双光纤传感器测量叶轮转速的涡轮流量传感器进行了试验 研究。查美生等用大导程叶轮叶片和内磁结构研制了，用于低温供热堆堆芯冷却剂流量 测量的涡轮流量传感器，同时采用频谱分析法处理传感器信号。朱玉江等用切向式涡轮 流量传感器结合p t l 0 0 0 温度敏感元件，设计了同时测量流量和温度的复合传感器。 2 1 - 3 涡轮流量传感器内部流场分析 计算流体力学( c f d ) 是分析涡轮流量传感器内部流场，了解流体与传感器结构部件 相互作用规律，优化传感器设计结构和几何尺寸的重要工具。吴海燕等提出“速差因了” 概念，将涡轮流量传感器内部流场分布与传感器特性联系起来，在理论上为传感器优化 设计提供了一条思路。l a v a n t e 等用计算流体力学( c f d ) 商用软件f l u e n t ，对d n 8 0 双叶 轮气体涡轮流量传感器内部流场进行了二维、三维数值计算。 2 1 4 涡轮信号处理 采用频谱分析等信号处理方法，分析涡轮流量传感器磁电信号检出器的原始信号， 不仅能够获得叶轮转速，计算流体流量，还能够了解传感器自身特征和运行状态、流体 的流动形态。这对于涡轮流量传感器运行状态识别、故障诊断非常有意义。 查美生等采用频谱分析法对涡轮流量传感器信号进行了处理。c h e e s e w r i g h t 等的研 究表明，涡轮流量传感器信号特征与叶轮叶片之间间距的不均匀程度有关，同时还与传 感器上游、下游的流动情况有关。p u s a y a t a n o n t 等通过分析涡轮流量传感器原始信号， 来获得附加有用信息，从而确定其故障状态。对叶片摩损、损坏、旋转流、脉动流和两 相流的仿真及试验研究表明，通过分析涡轮流量传感器原始信号，不仅能够获得有关涡 6 大庆石油学院硕士研究生学位论文 轮流量传感器自身特征、运行状态的信息，而且能够获得关于流动状态的信息。 c u t h b e r t 等从s t r o u h a l 数和r e y n o l d s 数引出两个新的无量纲组合，并将其用于补 偿涡轮流量传感器特性受流体粘度变化的影响。m o z u m d a r 通过量纲分析发展了两个无量 纲数，并由此得到两个新的涡轮流量传感器校准模型，从而补偿其特性受流体粘度变化 的影响。张荣标等提出了，能够在全频段范围内等精度测量涡轮流量传感器脉冲频率的 多周期同步测量方法。 2 1 5 涡轮流量传感器校准 进行涡轮流量传感器的动态特性校准、在线校准，提高气体涡轮流量传感器的校准 精度受到更多的关注。 朵伟群等对涡轮流量计动态( 阶跃响应) 特性校准的理论、方法以及校准装置的软、 硬件进行了研究。c h e e s e w r i g h t 等设计了涡轮流量传感器阶跃响应试验装置，并对小口 径涡轮的阶跃响应进行了试验研究。 韩文卿等对涡轮流量计的稳态标定、动态标定、在线标定和实时标定进行了讨论， 指出在线标定和实时标定是提高涡轮测量精度的重要措施。b a r n e s 对气体涡轮流量传感 器的特性进行了现场测定，并对现场校准装置精度受气体成分的影响，以及两种高压气 体涡轮流量传感器现场校准装置的特性进行了评估。 张涛等分析了影响气体涡轮流量计标定精度的诸多因素，并对标定数据的处理方法 进行了分析。张涛针对“标准气体涡轮流量计”、“音速喷嘴”和钟罩式标准计量器”三 种标准装置，分析了影响气体涡轮流量计标定精度的各种因素，并提出了解决办法。指 出标定小口径、小流量的涡轮应选用钟罩标准装置。标定大口径、大流量的涡轮应选用 音速喷嘴，对口径1 0 0m m 以上的涡轮也可选用标准涡轮作为标准装置，但每年需重新 检定一次。 m o z u m d a r 提出了两个新的涡轮流量传感器校准模型，从而补偿传感器特性受流体粘 度变化的影响。曹广军等以1 2 0 bs 基础油与3 5 # 军用柴油的混合油为试验介质，以活塞 式液体标准体积管为标准件，对涡轮流量传感器特性受流体粘度变化的影响，进行了试 验研究。 魏以嘉等详细分析了涡轮流量计的校准不确定度，推导出了它的计算公式，并结合 具体流量校准装置进行了简化和计算举例。x u e 等据i s o9 9 5 1 提出了新的计算气体涡轮 流量传感器平均仪表系数的方法，从而提高了传感器的测量精度。 2 1 6 涡轮流量传感器测量非稳态流 了解涡轮流量传感器测量精度受非稳态流影响的规律，从而提高其测量精度受到关 注。k i r i k 等对双叶轮涡轮流量计在多种非稳态流中的特性进行了考察。j u n g o w s k i 等 对单叶轮涡轮流量传感器特性受脉动流影响进行了试验研究。结果表明仪表误差主要依 赖于流速脉动的幅值。提出通过测量涡轮流量传感器上游或下游的动态压力来确定传感 器误差。c h e e s e w r i g h t 等对涡轮流量传感器测量脉动流的误差校正方法进行了现场测 试，软件预测真实流量的精度可以达到1 ，但是在许多情况下，很难保持此精度。李玟 7 第2 章涡轮流量传感器研究现状及粘度对涡轮流量计的影响 等，通过涡轮流量传感器数学模型，得出了正弦脉动流作用下叶轮旋转角速度与脉动频 率、振幅之间的理论关系，给出了脉动流影响涡轮流量计测量精度的规律。 2 1 7 涡轮流量传感器测量多相流 多相流测量是涡轮流量传感器的重要应用领域。通过测量叶轮转速和传感器前后压 差，v 可以同时测量气、液两相流的质量流量、体积流量和含气率。m i n e m u r a 等试验验证 了采用涡轮流量计同时测量原油与气体输运管道中的质量流量、体积流量及含气率的可 行性。在同时测量涡轮流量传感器叶轮转速和仪表前后压差的基础上，质量流量和体积 流量可以表示成叶轮转速与压差的函数，然后用相关函数迭代求解。试验表明此方法精 度足够高，可用于海岸油田。j o h n s o n 等提出了通过测量叶轮转速波动，来测量气、水 两相流中气体流量与总流量之比的方法。用该方法，仅使用涡轮流量计，测量水流量的 精度即达到士2 ，气体流量与总流量之比的测量精度可达士0 0 2 。o g a w a 运用涡轮 流量计同时测量气、水两相流中气体流量和水流量的技术，以及双涡轮测量质量流量的 技术，设计了新的流量仪表，并在空气与高粘度流体的混合介质试验装置上对其特性进 行了测试，最后设计出了用于同时测量石油生产过程中油、气、水三相流量的仪表。 涡轮流量传感器与其它仪器的组合也为气、液两相流测量提供有效的方法。a m a d 等用涡轮流量传感器与文丘里流量计的组合测量制冷剂汽气液两相流的质量流量，研究 表明这一组合测量方法可取得相当高的测量精度。h m a d 等用涡轮流量传感器与相含率计 的组合测量制冷剂汽气液两相流的质量流量，并对质量流量的预测模型进行了研究。 s h e n 等提出采用圆筒压降与涡轮流量传感器结合测量气气液两相流的方法，通过试验和 理论分析建立了该测量方法的数学模型。 集流型涡轮流量传感器为油田测井提供了重要工具。赵延文等对涡轮流量传感器的 工作原理进行了分析，并对其测井曲线的解释进行了研究。o i a o 等通过试验研究了皮球 集流、伞集流型涡轮流量计，测量垂直管中单相流，油、水两相流和油、气、水三相流 时的特性。赵忠健等通过试验研究了井斜度对集流型涡轮流量计、集流型过流式流体电 容仪测量精度的影响。徐爱舫等分析了同位素示踪法和伞集流涡轮流量计法测井的特 点，提出应根据抽油井井下情况的不同，采用同位素示踪法或伞集流涡轮流量计法进行 测井。高标等分析了涡轮流量计法、同位素示踪法和氧活化法测井应用，指出氧活化法 具有较多优点。刘寿平等采用金属伞集流，将涡轮流量计和持水率计一体化设计，实现 了流量和持水率的同时测量。 2 1 8 涡轮传感器测量精度受其他因素的影响 涡轮流量传感器测量精度易受上游速度剖面、漩涡流动的影响。上游速度剖面和漩 涡状态与传感器上游管道状况有关。研究小口径和设计结构的传感器受上游管道状况的 影响，比较不同结构整流器消除此影响的效果有重要意义嘶”。 p e a c e 对不同设计结构和尺寸的气体涡轮流量传感器受安装状态的影响进行了测 试，其中包括自校正双叶轮涡轮流量传感器。m i c k a n 等系统研究了管道中的速度剖面及 其对气体涡轮流量传感器特性的影响。s c h m i d i t s 试验研究了涡轮流量传感器测量误差 大庆石油学院硕士研究生学位论文 受漩涡来流的影响。f l e t c h e r 等对电磁流量计和插入式涡轮流量传感器特性受漩涡流动 和速度剖面歪斜的影响进行了试验研究。采用l d v ( 激光多普勒速度计) 测量管道中的流 速作为参考标准，避免了插入部件对流动形态的影响。应启戛等对涡轮流量传感器在旋 转来流中的特性进行了理论和实验研究。用传感器数学模型，给出了叶轮转速、仪表系 数与来流旋转角之间的理论关系。计算了来流旋转强度及上游直管段长度变化时，仪表 系数的变化情况。设计了能获得不同来流旋转强度的旋转发生器，并获得了大量的实验 数据。s t a s z e w s k a 等通过在涡轮流量传感器上游安装折流板、旋涡发生器、9 0 度弯管 造成流动扰动，对气体涡轮流量传感器受流动状态的影响进行了试验研究，并对两种整 流器消除这些影响的效果进行了研究。g e o r g e 介绍了，修改美国煤气协会第7 号报告 而对气体涡轮流量传感器进行的大量的试验研究。内容涉及安装偏差、入口流动状态、 压力等对传感器测量精度的影响。i s l a m 通过试验系统研究了上游速度剖面歪斜对涡轮 流量传感器仪表系数、线性度、可用流量范围和压力损失的影响。并对三种整流器消除 速度剖面歪斜影响的效果进行了比较。 气体密度对气体涡轮流量传感器精度有较大影响。气体密度与温度和管道压力有 关。研究气体压力、温度变化，气体种类变化对传感器特性的影响具有重要意义。张涛 分析了影响气体涡轮流量计精度的因素，并提出了解决办法。李素芬研究了涡轮流量传 感器测量误差的温度、压力、密度和非线性修正方法。郭亮等介绍了气体密度对小口径 气体涡轮流量计性能的影响，试验表明气体涡轮流量计的误差曲线与被测气体的密度有 很大关系。李义君等分析了气体密度、海拔高度和工作压力变化对气体涡轮流量计精度 的影响。李健等在理论上研究了涡轮流量传感器前后压差波动、流量波动对其测量精度 的影响。 小口径涡轮流量传感器特性会受到磁电信号检出器磁力的影响。现场运行状态，环 境因索等可能会影响传感器测量精度。c h e e s e w r i g h t 等分析了磁电信号检出器磁力对小 口径涡轮流量传感器校准特性的影响。研究表明，磁电信号检出器对叶轮旋转产生了一 个与叶轮转速无关的附加的阻力矩。s t o e n t t k a m p 等针对气体震动引起气体涡轮流量计 虚假计数，提出了数学模型。在8b a r 的压力范围内，模型所预测的开始出现虚假计数 的条件与试验结果较为吻合。l u x h o j 用人工神经网络估计涡轮流量传感器仪表系数受 实际运行状态的影响。王科等比较了气体涡轮流量计、旋进旋涡流量计和标准孔板节流 装置的现场天然气测量结果，并对偏差进行了分析。张毅等强调涡轮流量计作为普通仪 表使用和作为标准表使用，应采用不同检定方法和误差计算方法。 目前，涡轮流量传感器的基本工作原理已非常清楚，描述其特性的数学模型也已较 为成熟。过去十年中研究热点集中于涡轮流量传感器的结构设计及几何参数优化，通过 分析传感器信号挖掘更多有用信息，动态特性及其测量脉动流的特性，多相流测量中的 应用，传感器测量精度受介质特性、流动特性、环境条件、安装情况等因素的影响。相 比之下，气体涡轮流量传感器受到了更多的关注。 9 第2 章涡轮流量传感器研究现状及粘度对涡轮流量计的影响 2 2 粘度对涡轮流量计的影响 2 2 1 对特性曲线线性度的影响 一大量研究证明，涡轮流量计特性对被测介质粘度的变化非常敏感。当流体粘度增加 时，要达到相同的测量精度涡轮流量计的流量下限值会增加，流量上限值会减小。当粘 度高于1c s t ，涡轮流量计的线性范围会逐渐减小，在5 0c s t 到1 0 0c s t 之问时，会完 全消失。如图2 4 4 1 、图2 - 4 1 2 所示。当流体粘度小于5 c s t 时，粘度变化的影响较 小，在涡轮流量计作为0 5 级仪表使用时，一般可以不考虑。虽然涡轮流量计的线性度 随粘度的变化而变化，但是其重复性不变，所以，引起特性曲线随粘度变化的力矩是常 量，在理论上是可以被计算的汹“。 图2 ：2 ：；1 具有螺旋叶片的涡轮流量计曲线图2 - 2 1 2 具有平板叶片的涡轮；i c ：量计曲线 2 2 2 影响程度的差异 不同设计结构的涡轮流量计，其性能对粘度变化的敏感程度差别较大，但都受到一 定程度的影响。例如：流体粘度从0 8 变到1 5 c s t 时，涡轮流量计b 的仪表系数k 产 生0 3 的变化，而涡轮流量计d 却产生了2 6 的变化，而且变化的方向与b 相反。 通常采用平板叶片的涡轮流量计比采用螺旋形叶片的涡轮流量计受粘度变化的影响要 大的多。 2 2 3 速度变化影响涡轮流量计特性的机理 流体的粘滞特性一定程度上决定着涡轮流量计叶轮各部分的阻力和上游的速度分 布，从而决定了它的仪表特性。 2 2 4 涡轮各部分阻力随粘度变化的影响 任何与流速的平方成正比又不依赖于粘度的阻力矩，都将对仪表精度没有影响，因 为它将使叶轮转速减慢一个固定的数值，这可以在仪表的直接校准中予以考虑。同时， 任何与粘度成函数关系的阻力矩，影响涡轮流量计线性度的幅度，是此力矩在整个流量 测量范围内变化的幅度“”。 叶片表面的流体粘性摩擦阻力矩，是粘度变化影响涡轮流量计特性的重要因素。应 用流体力学边界层理论，得到的粘性阻力矩计算公式，以及所建立的涡轮流量计数学模 型与试验结果非常吻合。粘性阻力矩计算公式表明，在层流流动时，作用在涡轮叶片上 l o 大庆石油学院硕士研究生学位论文 的流体粘性阻力矩与流量的3 2 次方成正比，与流体运动粘度的平方根成正比：在湍流 流动时与流量的1 3 7 次方正比，与流体运动粘度的i 7 次方成正比。计算结果显示， 叶片表面粘性阻力矩与叶轮的驱动力矩有相同的数量级，其余阻力矩比叶片表面粘性阻 力矩小得多，其中又以轮彀面阻力矩为最大，轮彀端面阻力矩为最小。多数人的意见显 示：除叶片表面粘性摩擦阻力及轮彀表面流体阻力以外，其它阻力( 轴承阻力、轮彀端面 摩擦阻力、叶片顶端间隙阻力) 与叶轮转速是指数数值小于2 的指数关系，所以，随着 叶轮转速增加它们的影响将逐渐降低尽管具有这样的阻力一转速关系，这些次要阻力对 小口径涡轮流量计的性能是非常重要的。 流体粘性增加后，叶轮上粘性切应力和轴承中粘性阻力会增加，从而减慢叶轮的转 速，而速度剖面的变化却使叶轮加速，这些力的相对大小随雷诺数的变化而变化。增加 粘度将增大升片顶端问隙中流体流动的阻力，从而明显减小了间隙中流过的流体，增大 了流过叶片表面的流体的分量，增加了仪表系数：采用叶片顶端间隙漏流理论分析粘度 影响时，对于多种不同设计涡轮流量计粘度高达1 7 0 c s t ，理论与试验非常一致。 2 2 5 速度剖面随粘度变化的影响 在相同的流速下，被测介质粘度变化引起雷诺数变化，从而引起叶轮前面环形通道 内速度剖面的变化。导致传感器仪表系数的变化。由于在叶片根部和中部井力系数为正 值，如同涡轮机一样，流体推动叶轮转动：而在叶片的顶部升力系数为负值，如同水泵 一样，流体阻碍叶轮的转动。所以，在体积流量相同时高粘度介质较厚的边界层将使 涡轮流量计的仪表系数增加。 s a l a m i 认为，粘度变化影响涡轮流量计特性的两个重要结论是：由于流体具有粘性、 导流件与管道轴线不可能完全平行、叶轮的旋转等因素，恰好在流体进入叶轮之前，在 流体中产生了漩涡，而流体粘度、导流件与管道轴线的夹角、叶轮的转速等均影响着漩 涡的速度，从而影响了涡轮流量计的特性。由于叶片具有粘性、导流件与管道轴线不可 能完全平行、叶轮的旋转等因素，恰好在流体进入叶轮之前，在流体中产生了漩涡，而 流体粘度、导流件与管道轴线的夹角、叶轮的转速等均影响着漩涡的速度，从而影响了 涡轮流量计的特性。由于叶片具有一定厚度，叶片和叶轮旋转均对流体的轴向流速有影 响，所以，叶轮前轴向流速与没有安装叶轮时的速度有较大差异，即发生轴向流速的重 新分布，而流体粘度、叶轮的几何参数、叶轮的转速均对此重新分布有影响，从而影响 了涡轮流量计的特性。他通过试验研究发现，在测量低粘度流体时，主要是仪表上游速 度剖面的变化对仪表系数产生影响：在测量高粘度流体时，由流体粘度和叶轮阻碍作用 引起的叶轮前轴向流速的重新分布对仪表系数的影响，比涡轮流量计上游管道中速度剖 而变化对仪表系数的影响更大：因此他认为雷诺数变化对涡轮流量计特性的影响和粘度 变化的影响不一定是相同的。 2 2 6 粘度对涡轮流量计特性影响的补偿 2 2 6 1 软件补偿方法 h o c h r e i t e r 通过量纲分析得到了仪表系数与流体粘度之间的关系 第2 章涡轮流量传感器研究现状及粘度对涡轮流量计的影响 参d = 。( 爿 一 i v j q 为体积流量：n 为叶轮转速：d 为管道直径：v 为流体运动粘度。