摘要:為了解決數(shù)量逐年增多的低產(chǎn)井流量測量問題,設計了一種精度高渦輪流量計。通過理論分析與數(shù)值仿真對渦輪流量計的三維流場進行了分析,并優(yōu)化出其最合理結構。利用實驗裝置將精度高渦輪流量計與傳統(tǒng)渦輪流量計的響應特性進行了對比,結果表明,精度高渦輪流量計在單相水介質(zhì)中，啟動排量0.3m³/d,低于傳統(tǒng)渦輪流量計的1.0m³/d,分辨率也有1.7倍的提高,可見精度高渦輪流量計在低流量測量中具有良好的應用前景。
渦輪流量計以其結構簡單、測量精度高、重復性好而廣泛應用于油田流量測量領域。在我國,隨著大部分油田進入開發(fā)中后期,低產(chǎn)井數(shù)量逐年增多。為了準確掌握這些低產(chǎn)井的產(chǎn)量情況，評估其可開采價值,需要準確測量其流量信息。眾所周知，只有流量大于啟動排量,渦輪流量計才會給出響應,所以研發(fā)設計出一種啟動排量低的精度高渦輪流量計,無疑對于油田流量測量具有重要的意義。自20世紀30年代渦輪流量計發(fā)明后,經(jīng)過國內(nèi)外無數(shù)科研工作者的研究和探索,其基本理論和相應的模型都已非常成熟。但是目前對于渦輪流量計的研究主要集中在大流量條件下的使用,低流量條件下的啟動和響應特性研究較少,難以滿足實際生產(chǎn)中對于低流量條件下渦輪流量計的使用需求。
利用目前流行的有限元計算軟件AN-SYS對渦輪流量計流場進行仿真計算,設計出一種精度高渦輪流量計,通過室內(nèi)實驗表明其啟動排量和分辨率與傳統(tǒng)渦輪流量計相比都有了大幅度的提高。
1理論分析①
渦輪流量計作為速度式儀表,以動量矩守恒為基礎,渦輪流量計基本力矩平衡方程為[1]:
式中
Tb一軸與軸承的粘性摩擦阻力矩(流動產(chǎn)生的力矩);
Td一渦輪流量計轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩;
Th一輪轂表面的粘性阻力矩;
Tm一磁電阻力矩和軸與軸承的機械摩擦阻力矩之和;
T1一葉片頂端與傳感器外殼的粘性摩擦阻力矩;
Tw一輪轂端面粘性摩擦阻力矩;
J一渦輪的轉(zhuǎn)動慣量;
ɷ-渦輪轉(zhuǎn)動的角速度。
當流速較低時,渦輪流量計處于靜止狀態(tài),此時角速度ɷ非常低,接近于0,Tb和Tw也可以忽略不計。在這種情況下，式(1)可以簡化為:
由式(2)可以看出提高驅(qū)動力矩是降低渦輪流量計啟動排量的一-條捷徑。如圖1所示，傳統(tǒng)渦輪流量計入口端是直管段和軸向?qū)Я髌?流體流經(jīng)渦輪葉片之前只有軸向速度,對渦輪的驅(qū)動力矩只是對渦輪葉片作用力的徑向分力產(chǎn)生的力矩。因為渦輪葉片螺旋角為45°,如果將導流片改為螺旋角為-45°的螺旋導流片(圖2),當流體進入導流片時會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn),方向與渦輪葉片正交,使得流體在軸向流動速度不變的基礎上增加了徑向的旋轉(zhuǎn)運動,流體的旋轉(zhuǎn)方向與渦輪葉片的轉(zhuǎn)動方向一致,在相同流量條件下,增加了流體對渦輪葉片的驅(qū)動力,實現(xiàn)降低啟動排量和提高分辨率的目的,整體結構如圖3所示。
2仿真研究
Workbench是ANSYS公司開發(fā)的協(xié)同仿真環(huán)境,是將仿真過程結合在--起的平臺，可以大大簡化仿真過程中各模塊間的交互操作。通過幾何建模(圖4)、網(wǎng)格劃分、計算求解及后處理等過程,可以比較準確地仿真復雜機械模型的各物理參數(shù)場分布[2-4]。
利用Turbogid對計算域進行網(wǎng)格劃分,將其劃分為約10萬個六面體網(wǎng)格。人口、出口部分為.靜止網(wǎng)格，,采用絕對參考系,葉片部分為動網(wǎng)格,繞圓心轉(zhuǎn)動,采用相對參考系,參考系轉(zhuǎn)動速度與網(wǎng)格轉(zhuǎn)速相同。網(wǎng)格劃分情況如圖5所示。
如圖6~8所示,流體流經(jīng)渦輪流量計之前,壓力較高,速度較低，經(jīng)過導流片時產(chǎn)生旋轉(zhuǎn),速度得到提升,壓力降低。當通過導流片后,壓力、速度基本不變,依然保持旋轉(zhuǎn)狀態(tài),遇到渦輪葉片阻擋后,流速降低,壓力進一-步減小，流體所攜帶的能量傳遞給渦輪葉片,對渦輪葉片產(chǎn)生較大的驅(qū)動力矩,推動其轉(zhuǎn)動。
為了得到導流片螺旋角與渦輪葉片螺旋角的匹配,利用ANSYS軟件對不同角度導流片的驅(qū)動力矩進行計算，其中管道直徑為14mm,渦輪葉片直徑為13.5mm,重疊度為1.64,葉片螺旋角為45°,導流片螺旋角分別設為-35°、-45°和-55°,來流條件分別設為0.1、0.2、0.3、0.4m'/d。由于速度較低,采用層流模型,各不同工況條件下渦輪葉片受到的驅(qū)動力矩情況如圖9所示。導流片螺旋角為-45°時渦輪葉片受力更大,更容易啟動。此時渦輪葉片螺旋角與導流片螺旋角恰好成90°,可充分利用流體動量使渦輪葉片更易啟動,模擬結果與上述理論分析相符。
3實驗研究
通過搭建實驗平臺(圖10)對計算結果進行驗證。實驗平臺應具備以下兩個功能:在低流量下能夠非常平穩(wěn)的運行;具備精確測量流量的功能。
該平臺以單相水流為介質(zhì),循環(huán)流動通過水泵實現(xiàn);流量的精確控制主要通過固定上游水位和調(diào)節(jié)閥來實現(xiàn),流量的測量采用簡便可靠的容積時間法。
實驗平臺中上方為穩(wěn)壓水箱,提供-一個穩(wěn)定的壓力源,在管道內(nèi)阻力不變的情況下,保證管道內(nèi)流速不會發(fā)生變化,經(jīng)過2m長的下降段,流人渦輪流量計,隨后流出實驗管道,通過量筒計量可以精確得到管路內(nèi)的流速。通過高速攝影可以清晰的觀察低速條件下渦輪流量計的響應情況。
為了驗證精度高渦輪流量計的響應情況,實驗將精度高渦輪流量計與傳統(tǒng)渦輪流量計在相同條件下進行對比。
實驗介，質(zhì)為單相水,流量范圍0~20m³/d,通過調(diào)節(jié)不同的流量點來記錄輸出頻率,流量點誤差優(yōu)于1%,每次測量時間為60s,采樣間隔為5ms,每點測量3次取平均值,測量數(shù)據(jù)見表1。
4結論
4.1理論研究與數(shù)值仿真確定了精度高渦輪流量計的合理結構,即導流片螺旋角為-45°與渦輪葉片正交時,同樣來流條件下驅(qū)動力矩大。
4.2.在單相水條件下,高靈敏渦輪流量計啟動排量0.3m³/d,遠低于傳統(tǒng)渦輪流量計的1.0m³/d,分辨率也有1.7倍的提高,可以解決部分單井產(chǎn)量低于1.0m³/d的低產(chǎn)井的流量測量問題。
4.3該流量計結構簡單、調(diào)試方便、不改變現(xiàn)有儀器結構,易于規(guī)模推廣應用。
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