[導(dǎo)讀] 本文闡述了渦輪流量計(jì)的工作特性、理論模型，分析了影響渦輪流量計(jì)起動(dòng)排量的各種因素并且總結(jié)了流體的溫度及密度對(duì)渦輪流量計(jì)測(cè)量精度的影響，對(duì)渦輪流量計(jì)的改善提高有一定的指導(dǎo)作用。
在油田監(jiān)測(cè)中，
渦輪流量計(jì)因其體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜被廣泛的應(yīng)用。但由于受起動(dòng)排量、流體的溫度、粘度等各種因素的影響，使得渦流量計(jì)在實(shí)際應(yīng)用過程中有偏差，給現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)帶來了很大的困難，因此有必要對(duì)影響渦輪流量計(jì)測(cè)量精度的各種因素進(jìn)行分析、總結(jié)，使之能更好的為油田生產(chǎn)服務(wù)。
1 工作原理
渦輪流量計(jì)是速度式流量測(cè)量?jī)x表，它是以動(dòng)量矩守恒原理為基礎(chǔ)，通過測(cè)量置于被測(cè)流體內(nèi)的渦輪的旋轉(zhuǎn)速度n來測(cè)量流量Q的大小。渦輪流量計(jì)的特性方程式為[1]：
（1）
式中：c為渦輪流量計(jì)流量與轉(zhuǎn)速之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)；a為與流量計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)、流體性質(zhì)以及流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)的系數(shù)。
2 影響因素分析
2.1 起動(dòng)排量影響因素分析
如圖1所示：流量計(jì)的工作區(qū)間為QA-QB段，即特性方程線性工作區(qū)。而在流量QA以下時(shí)，流量與轉(zhuǎn)速不成線性關(guān)系，在一定小的流量下，無信號(hào)輸出。因此，在測(cè)量過程中，如何降低始動(dòng)流量，提高靈敏度，減小死區(qū)，展寬線性工作區(qū)，成為解決小流量測(cè)量的關(guān)鍵問題。
圖1 渦輪流量計(jì)Q-n特性曲線
對(duì)渦輪流量計(jì)的理論模型作如下分析。葉片的旋轉(zhuǎn)如圖2所示。
圖2 葉片的旋轉(zhuǎn)
設(shè)渦輪流量計(jì)內(nèi)流體流向與渦輪葉片成θ傾斜角，若密度ρ為的流體以速度V沖擊葉片時(shí)，將朝上產(chǎn)生與ρVtanθ成正比的力，此外，由于渦輪以角速度旋轉(zhuǎn)，故圖中實(shí)際的渦輪驅(qū)動(dòng)力為：
（2）
式中：為渦輪平均旋轉(zhuǎn)半徑。
因?yàn)?，渦輪驅(qū)動(dòng)力矩Tr與Fr成正比，V與Q/S（S為流路面積）成正比，故將這些關(guān)系代入式（2）得：
（3）
渦輪在正常狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)時(shí)，渦輪驅(qū)動(dòng)力矩Tr等于軸承摩擦等產(chǎn)生的機(jī)械反抗力矩Trm和由流動(dòng)阻力產(chǎn)生的反抗力矩Trf之和，即
（4）
將（3）和（4）整理得：
（5）
式中，
從理論可以知道，決定渦輪始動(dòng)流量（即渦輪流量計(jì)的最小靈敏度Qmin）的主要因素，渦輪起動(dòng)時(shí)，角速度小，故可以忽略阻力產(chǎn)生的反抗力矩Trf因而式（5）可寫
（6）
其最小靈敏度Qmin是式（6）右邊第一項(xiàng)和第二項(xiàng)相等時(shí)的流量。即得
（7）
而機(jī)械反抗力矩Trm包括渦輪軸與軸承間的摩擦力矩Tr1和電磁反作用力矩Tr2，即
（8）
因此，降低機(jī)械反抗力矩Trm，就是減小摩擦力矩Tr1和電磁反作用力矩Tr2。
從式（7）可知，對(duì)測(cè)量介質(zhì)一定，管徑一定的流體，密度為定值，c3，c4分別為比例常數(shù)，橫截面為定值。因此，影響Qmin變化的只有Trm（Tr1，Tr2）。
在流量計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)理論分析，可以采取以下措施作為優(yōu)化設(shè)計(jì)。
①渦輪采用質(zhì)輕的材料，減小渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使其對(duì)流速變化的響應(yīng)性好；渦輪軸與軸承間采用軸尖支撐，軸承采用瑪瑙，減小旋轉(zhuǎn)阻力。
②磁電轉(zhuǎn)換器由光纖接受器取代，消除電磁反作用力矩。同時(shí)提高電磁流量計(jì)的抗干擾能力。
2.2 溫度因素的影響
表1 渦輪K值在水中不同溫度下的響應(yīng)
不同溫度下，用水標(biāo)定渦輪K（F/Q）值的情況如表1，從表1中可以發(fā)現(xiàn)，隨著水溫度的增加，渦輪的K值相對(duì)減小。
表2 渦輪在不同油溫下的頻率響應(yīng)
根據(jù)上表做出油對(duì)K值得響應(yīng)特性曲線，如圖3所示，冷油（16度）對(duì)K值的響應(yīng)特性，即y=118.69x-41.857；熱油（60度）對(duì)K值的響應(yīng)特性，即y=107.42x-24.38。
圖3 不同溫度下渦輪響應(yīng)
由此可見，溫度的變化對(duì)渦輪流量計(jì)K有影響，主要是由于金屬材料熱脹冷縮，幾何尺寸的變化會(huì)引起渦輪轉(zhuǎn)速的變化，K值也會(huì)隨之改變。
2.3 流體密度因素的影響
渦輪啟動(dòng)時(shí)，要克服較大的機(jī)械靜摩擦力，因此需要較大始動(dòng)流量。渦輪以一定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)起來以后，需要機(jī)械動(dòng)摩擦力和流體流動(dòng)阻力，轉(zhuǎn)動(dòng)閾值Qmin與ρ0.5成反比，流體密度越大，Qmin越小[2]。這種情況對(duì)于密度變化小的液體來說，影響不大，Qmin可視為常數(shù)。但對(duì)于多相流體來說，由于溫度、壓力和分相含率的變化，引起ρ變化，從而影響Qmin。
實(shí)驗(yàn)在以水和空氣為介質(zhì)的流動(dòng)模擬裝置中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)中在氣體流量固定的前提下，逐漸增大水的流量，測(cè)量渦輪的響應(yīng)值。增大氣體的流量，重復(fù)上述操作，得到了下面的渦輪響應(yīng)圖版，其中流量為氣液的合流量。圖中氣體流量為零時(shí)，流體的密度最大，測(cè)得的響應(yīng)曲線各流量響應(yīng)值最大。由于氣流量增大時(shí)，測(cè)得流體密度和粘度都變小，所以隨著流體密度的減小，增大。
圖4 渦輪響應(yīng)圖版
通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，我們可以得出如下的結(jié)論：
（1）渦輪流量計(jì)在測(cè)量多相流的流量時(shí)，在總流量保持不變的情況下，流體的密度發(fā)生變化也會(huì)引起渦輪轉(zhuǎn)速的很大變化。
（2）渦輪流量計(jì)的始動(dòng)流量隨多相流體密度的增大而減小。
3 結(jié)論
通過理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以得出如下結(jié)論：
3.1 渦輪采用質(zhì)輕的材料，使其對(duì)流速變化的響應(yīng)性好；同時(shí)盡量采取措施減少摩擦阻力矩及電磁反作用力矩，通過這些措施可以降低渦輪的起動(dòng)排量。
3.2 溫度的變化會(huì)引起渦輪K值的變化，建議考慮使用對(duì)溫度不敏感的材料作為渦輪制造材料。
3.3 不同密度下的渦輪K值隨密度增加而增大，因此三相流下要獲得準(zhǔn)確的流量還需進(jìn)行密度校正。
參考文獻(xiàn)
[1] 李素芬.渦輪流量計(jì)測(cè)量誤差修正[J].測(cè)控技術(shù)，1995，14（4）：19～21.
[2] 鐘興福等.用渦輪流量計(jì)測(cè)量多相流流量.儀器儀表學(xué)報(bào)，2002，（6）：22～24