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(shè)計(jì)了一種精度高渦輪流量計(jì)。通過理論分析與數(shù)值仿真對(duì)渦輪流量計(jì)的三維流場進(jìn)行了分析,并優(yōu)化出其最合理結(jié)構(gòu)。利用實(shí)驗(yàn)裝置將精度高渦輪流量計(jì)與傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)的響應(yīng)特性進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果表明,精度高渦輪流量計(jì)在單相水介質(zhì)中，啟動(dòng)排量0.3m³/d,低于傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)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(jì)在低流量測量中具有良好的應(yīng)用前景。
渦輪流量計(jì)以其結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、重復(fù)性好而廣泛應(yīng)用于油田流量測量領(lǐng)域。在我國,隨著大部分油田進(jìn)入開發(fā)中后期,低產(chǎn)井?dāng)?shù)量逐年增多。為了準(zhǔn)確掌握這些低產(chǎn)井的產(chǎn)量情況，評(píng)估其可開采價(jià)值,需要準(zhǔn)確測量其流量信息。眾所周知，只有流量大于啟動(dòng)排量,渦輪流量計(jì)才會(huì)給出響應(yīng),所以研發(fā)設(shè)計(jì)出一種啟動(dòng)排量低的精度高渦輪流量計(jì),無疑對(duì)于油田流量測量具有重要的意義。自20世紀(jì)30年代渦輪流量計(jì)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(yīng)的模型都已非常成熟。但是目前對(duì)于渦輪流量計(jì)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(dòng)和響應(yīng)特性研究較少,難以滿足實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)于低流量條件下渦輪流量計(jì)的使用需求。
利用目前流行的有限元計(jì)算軟件AN-SYS對(duì)渦輪流量計(jì)流場進(jìn)行仿真計(jì)算,設(shè)計(jì)出一種精度高渦輪流量計(jì),通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明其啟動(dòng)排量和分辨率與傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)相比都有了大幅度的提高。
1理論分析①
渦輪流量計(jì)作為速度式儀表,以動(dòng)量矩守恒為基礎(chǔ),渦輪流量計(jì)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(dòng)產(chǎn)生的力矩);
Td一渦輪流量計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)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(jī)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(dòng)慣量;
ɷ-渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。
當(dāng)流速較低時(shí),渦輪流量計(jì)處于靜止?fàn)顟B(tài),此時(shí)角速度ɷ非常低,接近于0,Tb和Tw也可以忽略不計(jì)。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(dòng)力矩是降低渦輪流量計(jì)啟動(dòng)排量的一-條捷徑。如圖1所示，傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)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(duì)渦輪的驅(qū)動(dòng)力矩只是對(duì)渦輪葉片作用力的徑向分力產(chǎn)生的力矩。因?yàn)闇u輪葉片螺旋角為45°,如果將導(dǎo)流片改為螺旋角為-45°的螺旋導(dǎo)流片(圖2),當(dāng)流體進(jìn)入導(dǎo)流片時(shí)會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn),方向與渦輪葉片正交,使得流體在軸向流動(dòng)速度不變的基礎(chǔ)上增加了徑向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),流體的旋轉(zhuǎn)方向與渦輪葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致,在相同流量條件下,增加了流體對(duì)渦輪葉片的驅(qū)動(dòng)力,實(shí)現(xiàn)降低啟動(dòng)排量和提高分辨率的目的,整體結(jié)構(gòu)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(jié)合在--起的平臺(tái)，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(jì)算求解及后處理等過程,可以比較準(zhǔn)確地仿真復(fù)雜機(jī)械模型的各物理參數(shù)場分布[2-4]。
利用Turbogid對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,將其劃分為約10萬個(gè)六面體網(wǎng)格。人口、出口部分為.靜止網(wǎng)格，,采用絕對(duì)參考系,葉片部分為動(dòng)網(wǎng)格,繞圓心轉(zhuǎn)動(dòng),采用相對(duì)參考系,參考系轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)之前,壓力較高,速度較低，經(jīng)過導(dǎo)流片時(shí)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn),速度得到提升,壓力降低。當(dāng)通過導(dǎo)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(jìn)一-步減小，流體所攜帶的能量傳遞給渦輪葉片,對(duì)渦輪葉片產(chǎn)生較大的驅(qū)動(dòng)力矩,推動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)。
為了得到導(dǎo)流片螺旋角與渦輪葉片螺旋角的匹配,利用ANSYS軟件對(duì)不同角度導(dǎo)流片的驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)行計(jì)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(dǎo)流片螺旋角分別設(shè)為-35°、-45°和-55°,來流條件分別設(shè)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(dòng)力矩情況如圖9所示。導(dǎo)流片螺旋角為-45°時(shí)渦輪葉片受力更大,更容易啟動(dòng)。此時(shí)渦輪葉片螺旋角與導(dǎo)流片螺旋角恰好成90°,可充分利用流體動(dòng)量使渦輪葉片更易啟動(dòng),模擬結(jié)果與上述理論分析相符。
3實(shí)驗(yàn)研究
通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(圖10)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)具備以下兩個(gè)功能:在低流量下能夠非常平穩(wěn)的運(yùn)行;具備精確測量流量的功能。
該平臺(tái)以單相水流為介質(zhì),循環(huán)流動(dòng)通過水泵實(shí)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(shí)現(xiàn),流量的測量采用簡便可靠的容積時(shí)間法。
實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中上方為穩(wěn)壓水箱,提供-一個(gè)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(huì)發(fā)生變化,經(jīng)過2m長的下降段,流人渦輪流量計(jì),隨后流出實(shí)驗(yàn)管道,通過量筒計(jì)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(jì)的響應(yīng)情況。
為了驗(yàn)證精度高渦輪流量計(jì)的響應(yīng)情況,實(shí)驗(yàn)將精度高渦輪流量計(jì)與傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)在相同條件下進(jìn)行對(duì)比。
實(shí)驗(yàn)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(diǎn)來記錄輸出頻率,流量點(diǎn)誤差優(yōu)于1%,每次測量時(shí)間為60s,采樣間隔為5ms,每點(diǎn)測量3次取平均值,測量數(shù)據(jù)見表1。
4結(jié)論
4.1理論研究與數(shù)值仿真確定了精度高渦輪流量計(jì)的合理結(jié)構(gòu),即導(dǎo)流片螺旋角為-45°與渦輪葉片正交時(shí),同樣來流條件下驅(qū)動(dòng)力矩大。
4.2.在單相水條件下,高靈敏渦輪流量計(jì)啟動(dòng)排量0.3m³/d,遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)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(jì)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、不改變現(xiàn)有儀器結(jié)構(gòu),易于規(guī)模推廣應(yīng)用。
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