摘要：應用渦輪流量計測量油水兩相流混合流量，重點研究油相粘度和入口相含率對測量精度的影響.通過試驗給出了測量誤差隨油相粘度和入口相含率變化的試驗曲線圖.結果表明: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。

0、引言：
   隨著工業快速發展，能源需求量越來越大，而陸上油氣資源的日益緊缺，促使各國轉向海洋石油的開發。但陸上油田采用的傳統計量技術并不完全適合于海洋平臺使用，這促使工業界和學術界聯合開發新型的結構緊湊的多相流量計。目前國內的研究大都集中于氣液兩相流的測量，且集中于流動中分散相的測量，而對油水混合流量的測量研究較少。
   渦輪流量計是被工業界普遍采用的用于測量單相流動的速度式流量儀表。由于在高溫、高壓等比較嚴酷的環境下，仍然具有較高精度以及穩定性;與其他流量計相比，具有較大的測量范圍;對流動的瞬態變化具有快速反應的特點，因此，應用渦輪流量計測量兩相流有著良好的前景。本次試驗主要考察用渦輪流量計測量油水兩相流時，油相粘度對測量精度的影響。

1、試驗系統：
1.1、試驗裝置：
   本試驗在中國科學院力學研究所多相流動實驗平臺上完成。圖1為試驗裝置示意圖。油和水分別由油箱和水箱供應，經過各自的流量計后，進入試驗管線，混合液流經試驗段后被分離再循環使用。試驗管線采用內徑50mm的透明有機玻璃管，這有利于觀察油水兩相的流動狀態，管線從入口到分離器長約35m.    流量計量:水相采用電磁流量計，油相采用腰輪流量計，油相和水相經過試驗管線后，用LWGY型渦輪流量計對其混合流進行測量。LWGY型渦輪流量計的公稱通徑為50mm測量流量范圍在1~15m3h，在測量單相流體時，其精度可達0.25%。流型識別系采用高速攝像機記錄每次試驗條件下的流動狀態，慢鏡頭回放觀察流型。為保證試驗數據的準確可靠，對每個測量點，都在調整流量后的5~8min，流動相對穩定后再采集數據和觀測流型。

圖1油水兩相流渦輪流量計測速試驗示意圖
  1.2、試驗工質及試驗過程：
   試驗水相為白來水，20℃時的粘度為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，為便于觀察試驗流型，在水中加入高錳酸鉀(著色劑)。試驗一〔質溫度控制在19~21 °C，在特定粘度下，給定油相流量后，調整水相流量，通過可視化手段觀察試驗段的油水兩相流型，記錄入口處不同流型的油相和水相表觀流量和試驗段的混合流量。表I給出了不同粘度下的試驗數據。

表1試驗方案設計
2、結果與討論：
2.1、全油時試驗結果：
   本試驗首先在油相粘度分別為50,  160, 225, 700, 1450mPa.s時，用渦輪流量計測量完成了全油時單相流量的測量，結果如圖2所示。
   本文以工程中能接受的士5%相對誤差作為其有效[作區間的判斷標準(在圖中，士5%的區間用虛線標出)，作為有效L二作區域的分界線。從圖中可以看出，當粘度為50 mPa.s時，其測量誤差大都在士5%以內，但當粘度繼續增大時，其測量誤差明顯偏離了士5%的區間。因此，用其測量單相高粘油時，需要對結果進行修正。

圖2全油時不同粘度下的誤差圖(粘度單位:mPa.s )
2.2、油水兩相流時油相粘度和入口含率的影響：
 測量油水兩相流時，固定油相粘度，用電磁流量計測量入口處水相流量Qw，腰輪流量計測量入口處油相流量Qo，進而得到入口處油相、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，在試驗管段用渦輪流量計測量兩相混合流量M2，對比殘，和M2，可得到渦輪流量計的測量誤差(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系圖。以士5%相對誤差作為其有效工作區間的判斷標準(在圖中，t5%的區間用虛線標出)，作為有效工作區域的分界線。由油相粘度為SOmPas時相對誤差隨入口處油相含率變化關系圖可以看出，在整個油相含率變化范圍內，誤差可以控制在f5%以內，只有個別的幾個點超過5%的范圍，因此可認為油相粘度為SOmPas時，渦輪流量計在任何油相含率下均處于有效工作區間。對于油相粘度為160mPas的試驗研究結果顯示，隨著油相含率幾的增加，相對誤差有逐漸增大的趨勢，同時，誤差值也由幾較小時的正值，變為幾較大時的負值。但在大部分入口油相含率幾的變化范圍內，相對誤差在t5%以內，這與粘度為SOmPas時的情況大體一致。

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 )
    當油相粘度提高至22smPas時，觀察到了與粘度為160mPas時相似的曲線變化趨勢，不同的是:當幾小于70%時，相對誤差在s%以內，渦輪流量計處于有效一r_作區間。然而，隨著幾的增加，誤差曲線下降的幅度增大，當幾達到70%時，整體誤差超過了s%的界線，達到to%以上，此時，失效區開始出現。    由油相粘度為400mPas和700mPas時變化關系，可以看出，當幾達到s0%^-60%時，測量誤差呈大幅度增大的趨勢，超過s%的界線，渦輪流量計超出了有效工作區，而且，隨著幾的增加，誤差也由正值變成負值。
   為進一步研究超粘油對于渦輪流量計測量精度的影響，觀察油相粘度為1 I 00和I 4sOmPas時的渦輪流量計測量油水兩相流量的工作特性。由圖3可以看出，當幾僅為30%—40%時，誤差便開始急劇增大。因此，對于超粘油來說，渦輪流量計僅能在低含油率的情況一F_〔作，有效工作區的范圍非常狹窄。
   由上述試驗結果可知，對于油相粘度較大的油水流動，禍輪流量計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，其有效工作區在逐漸減少。可以看出，流體的粘度對于渦輪流量計的計量精度有著重要的影響，當粘度大于一定值時，計量產生的誤差將會很大，即流量計偏離線性區。為了對其說明，筆者計算了粘度400mPas時的油水有效粘度:將油水兩相混合物看作均相的單相流體，應用均相模型壓降計算公式，分別對水相連續流動的混合物粘度h和油相連續流動的混合物粘度越采用下式計算:

圖4油相粘度為400mPas時相對誤差。隨入U處油相含率凡變化圖         圖5油相粘度400mPa‘時流型圖
    對比圖4和圖5可知，當水相為連續流動即流型為Do/w時，由式(4)計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:而當油相為連續流動時，由式(5)計算有效粘度的范圍在283~370mPa.s之間，其測量誤差大都超過10%，有的甚至達到了21%。同時還可看出，在其有效_上作區域，粘度較低時，誤差大都為正值，即測量值人于真實值，而在粘度較大時，誤差人都為負值，即測量值小于真實值。

3、結論：
   本文應用渦輪流量計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。通過試驗發現，粘度為50和160mPa}s時，在0100%的入口油相含率變化范圍內，相對誤差大都在士5%以內，可認為渦輪流量計工作在有效工作區。但粘度達到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到70%時，渦輪流量計進入失效區。隨著油相粘度的進一步增加，禍輪流量計在更低的油相含率下進入失效區，同時誤差逐漸由正值變為負值。