井下异形管超临界CO2涡街流量计的研制

发布时间：2020-11-10 09:38

　　 涡街流量计是基于流体振动原理实现测量的仪器仪表,由于其结构简单、维护方便、适用范围广等诸多优点,在石油、化工、电力等行业领域均扮演着重要的角色。但涡街流量计还存在一些问题,特别是在低流速、小流量的情况下,涡街流量计受到多种干扰噪声的影响,其涡街信号的信噪比很低,难以实现精确测量,导致涡街流量计在实际应用中测量下限比较高,模拟涡街的量程比只有1:10,与1:100的理论量程比要相差很多。目前国内外的相关研究主要着眼于大口径标准圆形管路的涡街流量计,对小口径管路和异形管路鲜有涉及。本课题对基于涡街流量计对超临界二氧化碳的质量流量测量进行研究,以异型管路截面为基础,依据项目合同求设计出符合量程要求缩小口径的异型管路截面涡街流量计,并进行了实流实验验证。本文完成的主要工作有:1、根据限定的流量范围要求对该异形截面管路流量计进行流量下限的计算,并根据已有管路尺寸,进行仿真验证。然后根据仿真数据与理论数据对比研究,对管路尺寸进一步优化。2、针对超临界二氧化碳质量流量测量,本课题采用了Peng-Robinson公式对超临界二氧化碳的流量测量进行密度补偿,克服了传统密度补偿方法不能适应工况大范围变化或不能满足精度要求的缺陷,提高了测量的精度,使涡街流量计适用于超临界二氧化碳质量流量的测量,拓宽了涡街流量计的适用范围。3、完成硬件设计和软件设计,实现超临界二氧化碳的质量流量测量,同时可以达到较低的量程下限,拓宽量程比,符合项目要求。4、本文研制的超临界二氧化碳涡街流量计,能够适应油田井下高温、高压环境,可靠性和稳定性较高,整体系统功耗较低、处理时间短,目前已经在天津大学流量实验装置完成水流量试验、在东营进行地面试验和模拟井下实验,后续可以进行油田井下现场实验。
【学位单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH814
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 研究背景及意义
        1.1.1 课题研究背景
        1.1.2 课题研究意义
        1.1.3 涡街流量计简介及工作原理
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 对超临界二氧化碳测量技术的研究
        1.2.2 对涡街传感器的研究
        1.2.3 对涡街发生体的研究
        1.2.4 对涡街信号处理系统的研究
    1.3 论文研究内容和创新点
        1.3.1 研究目的和内容
        1.3.2 课题研究的创新点
    1.4 章节安排
第2章 CFD数值仿真及分析
    2.1 CFD简介
    2.2 超临界CO2涡街流量计理论量程换算
    2.3 仿真模型建立及参数设置
        2.3.1 项目涡街流量计的实物
        2.3.2 对真实管路仿真参数设置
        2.3.3 无发生体时管路流场仿真结果及分析
        2.3.4 有发生体时管路仿真参数和仿真结果及分析
        2.3.5 仿真结果分析
    2.4 本章小结
第3章 井下异形管超临界CO2涡街流量计测量系统设计
    3.1 硬件电路设计概述
        3.1.1 电源电路模块
            3.1.1.1 WEBENCHDesigner简介
            3.1.1.2 电源电路设计
        3.1.2 温度采集模块
        3.1.3 压力采集模块
        3.1.4 涡街信号采集处理模块
            3.1.4.1 电荷放大器
            3.1.4.2 电压放大器
            3.1.4.3 低通滤波限幅电路
        3.1.5 主控芯片及外围电路
        3.1.6 串口通讯模块
        3.1.7 电源监测及掉电保存模块
        3.1.8 硬件电路PCB设计
    3.2 软件设计概述
        3.2.1 主程序设计
        3.2.2 程序设计思路
        3.2.3 主程序流程图
        3.2.4 软件主要模块
            3.2.4.1 初始化模块
            3.2.4.2 频率计算模块
            3.2.4.3 密度补偿与流量计算模块
    3.3 软硬件实现可靠性
    3.4 本章小结
第4章 不同材质压电探头实流实验
    4.1 不同材质压电传感器设计
    4.2 水流量装置平台与流量计实物图
        4.2.1 标准水流量装置
        4.2.2 流量计管路实物
    4.3 不同材质探头水流量实验数据及分析
        4.3.1 不锈钢探头测量数据
        4.3.2 镁铝合金探头实验数据
        4.3.3 实验结果分析
    4.4 本章小结
第5章 装置联合调试
    5.1 硬件调试
    5.2 软件调试
        5.2.1 通讯功能测试
            5.2.1.1 Modbus-485通信协议及格式内容
            5.2.1.2 串口模拟通信
            5.2.1.3 联合装置通讯测试
        5.2.2 可靠性测试
    5.3 模拟井水实流实验和油田井下实验
    5.5 本章小结
第6章 总结与展望
    6.1 总结
    6.2 展望
参考文献
发表论文和参加科研情况说明
致谢

【参考文献】

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