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煤礦井下孔板流量計提液能力分析與研究

作者: 來源: 發布時間:2019-07-18 14:58:15
摘要:針對孔板流量計的結構組成和結構特點,比對孔板流量計與中心孔板流量計的不同和優勢,隨著流量比的增大,壓力比逐漸變小,效率逐漸變大,流量比在0.4~0.6之間時效率為最大值。
 
煤礦井下積液抽取是一個複雜的過程,通常伴隨液體的產生會有不同程度的滲透,如果井底水分不大且液液速度大,水分會隨液流湧出地麵而出現液滴。隨著液液速度的降低,井底水分上升到井麵的能力逐漸減弱,其方向與液體流動方向相反,形成一種穩態。隨著積液的逐漸增加,下部壓力出現猛增,便會受到極大的壓力,俗稱“靜水回壓”。
孔板流量計不同於傳統的中心式孔板流量計,工作流體環繞在吸入管道周圍,形成高速的環形射流,而被吸入流體則沿泵的中心軸線運動,沒有與任何壁麵接觸,即沒有任何的壁麵阻力。在開采過程中,孔板流量計運行過程中,被吸入的液流中帶有氣體,在中心孔板流量計中,攜液的吸入液流與壁麵接觸,氣體會粘到泵的內壁麵;而在孔板流量計中,液滴不與壁麵接觸,大大提高了液流的攜液能力。可見,孔板流量計比傳統的中心孔板流量計效率更高,攜液能力更具優勢。
 
1孔板流量計結構組成和結構特點
孔板流量計的吸入通道位於泵的中心位置,噴嘴包裹在吸入通道周圍形成環形噴嘴。不同於傳統的中心孔板流量計,孔板流量計吸入通道順暢,被吸入流體不需要改變流動方向,更適合用於輸送液液兩相流混合流體。
孔板流量計是一種多股流體通過接觸混合來傳遞能量的流體機械。圖1是環形噴射泵的工作原理示意圖,可以看出,孔板流量計主要由噴嘴、被吸管道、吸入室(混合室)、喉管、擴散管及出口管道組成。工作時,地麵加壓設備產出液經環形噴嘴形成高速射流,使其成為一股壓能較低、速度較大的液流,因此會在孔板流量計的混合室(噴嘴與喉管之間位置)形成一個低壓區,則混合室與吸入通道入口之間出現一個負壓差區,吸入流體受壓力作用被加速吸入混合室並與高速的工作液流接觸,兩股流體經由混合室進入喉管後相互接觸混合在一起,相互混合過程中也進行著能量的傳遞,形成具有一定壓能的同速液液混合流體,一起經擴散管離開孔板流量計。
 
1.1環形噴嘴
孔板流量計的噴嘴是工作流體(高速流體)的噴射出口,其特點在於噴嘴呈環狀將被吸管道包裹在中間。噴嘴結構對孔板流量計的性能具有很大影響,孔板流量計多采用平行式環形噴嘴和斜入式環形噴嘴。經平行式環形噴嘴流出時,高速的工作流體貼於混合室壁麵流動,在混合室與吸入流體混合過程平穩,從混合室到喉管的過程中流動方向改變小,故平行式環形噴嘴比斜入式環形噴嘴更有優勢。
1.2喉管
喉管位於混合室之後,在混合室初次接觸混合的兩股流體從混合室進入喉管,喉管是兩股流體發生接觸混合的主要位置,因此孔板流量計的工作性能和效率受喉管長度的影響。喉管越長,在喉管中混合流的接觸混合程度就越好,但是喉管過長時,在喉管內因壁麵摩擦而損失的能量就越多,孔板流量計效率反而會降低。以效率最高原則為基礎,確定孔板流量計喉管長度Lt為2.17~2.89倍的喉管直徑。
環室孔板流量計
2孔板流量計提液能力機理
孔板流量計的工作液體是地麵加壓設備射出的高速射流,從環形噴嘴射出進入混合室,混合室中的液體跟隨工作液體進入喉管,在混合室中形成負壓區,被吸流體則被卷吸進入混合室與工作液體接觸混合。被吸兩相流即液田中的液體(多為烴類凝析液或地層水)的混合兩相流經由被吸入口進入孔板流量計,由於液田本身的壓力,液液兩相流具有一定的速度,在混合室與被吸入口處的負壓區被加速卷吸進入混合室。在混合室相遇的兩股流體混合在一起,它們的能量傳遞主要通過剪切摩擦和湍流間的擴展作用,使其成為一股同速的混合流。混合流經擴散管的擴展作用,動能降低壓能升高,最後以一定的流速由出口管道輸送出去。
工作高速液體與被吸液液兩相流的混合程度受兩者的流量比、喉管長度、吸入室收縮角和擴散管擴散角的影響。其中,工作高速液體與被吸液液兩相流體的流量比和喉管長度是影響兩股流體混合程度的重要因素。
 
3孔板流量計最優流量比的數值計算
流量比即吸入液體流量與工作液體流量的比值,工作流體與被吸流體通過混合作用進行傳能,兩種流體的混合情況和流量比密切相關,因此流量比直接影響孔板流量計的效率。計算時,先固定孔板流量計的其他尺寸在給定的經驗值下保持不變,根據經驗流量比的取值範圍是0.1~0.9。除流量比外,模型其他結構尺寸固定不變,試驗采用的孔板流量計尺寸如表1所示。
當流量比取最小值0.1時,壓力比為最大值,但是效率明顯偏低,這是因為流量比很小時,工作流體的流速就會非常大,這時工作流體貼壁能量損失較大,工作流體速度快和吸入流體混合程度低,導致效率較低。隨著流量比的增大,壓力比逐漸變小,效率逐漸變大,流量比在0.4~0.6之間時效為最大值,當q=0.5時,效率達到27.2%,而這個值並非最大值,效率最大值應當出現在0.4~0.6之間範圍。當流量比>0.6時,壓力比和效率又有所下降,但降幅不大。由此可見,流量比的高效範圍可以定為0.4~0.6。

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