濕飽和蒸汽兩相流的測量與應(yīng)用

朱承綱，郜斌

（遼河油田齊40塊蒸汽驅(qū)項目部，遼寧盤錦124010）

流體測量在工業(yè)和科學(xué)研究試驗中的應(yīng)用廣泛，但大多數(shù)流量計只能測量單相介質(zhì)的體積流量。能同時測量濕飽和蒸汽兩相流量及其干度和密度的質(zhì)量流量計是人類正在努力攻克的難題。

1 油田采油注氣安全計量的重要性

兩相流濕飽和蒸汽的測量一直是油田采油注汽的重要環(huán)節(jié)。國內(nèi)許多油田處于后期開發(fā)階段，以遼河油田公司為例，大部分稠油主力區(qū)塊已進入蒸汽吞吐后期開發(fā)階段，稠油儲藏已沒有加密的余地，吞吐效果差。為了保持產(chǎn)量規(guī)模的穩(wěn)定，注汽開采稠油技術(shù)已被公認(rèn)為一種有效手段，但其汽－水兩相流的計量問題至今還被認(rèn)為是一個世界性難題。一爐一井的計量問題還可估算，一爐多井或數(shù)臺爐子同走一條干線分注數(shù)口井的計量就存在問題。由于各井吸氣能力或管線配置長短不一，注入到各井的蒸汽量和蒸汽質(zhì)量相差很大。有的井注入熱量太少，產(chǎn)油也少，甚至還可能不出油；而有的井注入量過大，造成能源浪費，嚴(yán)重者形成汽竄，為今后開采造成不可彌補的損失。由于注汽計量的不確定性，因此，汽－水兩相流較為理想的安全準(zhǔn)確計量成為油田急待解決的問題。

2 蒸汽質(zhì)量的重要性

目前，蒸汽鍋爐生產(chǎn)過程中的干度測量是靠人工檢測和化驗方式進行的。人工控制蒸汽干度時，需要有實踐經(jīng)驗的鍋爐工進行操作。即便如此，還需手動調(diào)節(jié)燃油、燃?xì)饬亢惋L(fēng)門的精度，但很難一次調(diào)準(zhǔn)。因此，需要改變干度時的調(diào)整時間較長，即便調(diào)到所需要的干度值，由于各種因素的影響，該值在相對穩(wěn)定后也會變化。為使鍋爐安全生產(chǎn)，保證蒸汽質(zhì)量，尚需人工不間斷地檢查、化驗、調(diào)整，工作十分繁重，也存在安全隱患，生產(chǎn)效率低。而實現(xiàn)干度測量使鍋爐生產(chǎn)自控成為可能。

濕飽和蒸汽是汽液兩相流，尤其當(dāng)干度低于70%時，其兩相流的特征越趨明顯，流體的狀態(tài)更加復(fù)雜多變。這種復(fù)雜性及理論上的不完善，給兩相流測量造成困難。因此，用于單向流體的流量計無法適應(yīng)這種狀態(tài)的測量。為解決這一難題，筆者作了大量研究工作，取得了階段性成果。

3 旋轉(zhuǎn)式整流裝置

經(jīng)過大量實踐，筆者設(shè)計了一種旋轉(zhuǎn)式整流測量裝置，它對復(fù)雜的流體進行攪拌，改變其狀態(tài)。如將汽－水狀態(tài)攪拌均勻后，再經(jīng)多孔管束調(diào)節(jié)整流裝置進行整流，最終達(dá)到或基本接近單相流的狀態(tài)，使之滿足流量計的測量要求。一般情況下，大于80%的飽和蒸汽的流動狀態(tài)滿足單相流的測量要求，但隨著干度的下降，單相流體向多相流體轉(zhuǎn)變，特別是干度低于75%時，多相流的復(fù)雜狀態(tài)開始凸顯。即干度越低，兩相流的復(fù)雜性和不確定性越突出，以致使流量計無法測量。

實踐驗明，該旋轉(zhuǎn)式整流裝置在干度大于50%的條件下，能使流量計較穩(wěn)定地工作，基本達(dá)到或滿足現(xiàn)場使用要求。

4 干度定值補償和溫度在線補償

經(jīng)旋轉(zhuǎn)式整流裝置處理后的流體，筆者采用了高溫高壓型電容式渦街流量計，其特點是抗振性能強、耐高溫和抗沖擊能力較強，適應(yīng)流體各種復(fù)雜的干擾，工作穩(wěn)定。

眾所周知，流量計一般測得的是體積流量，只有測得流體的密度，才有辦法測得其質(zhì)量流量。飽和蒸汽的密度與介質(zhì)的壓力或溫度呈對應(yīng)關(guān)系，而濕飽和蒸汽則不然。在同一個測量時間點測量密度，必須要同時測量干度值和溫度值或壓力值。很顯然，干度的測量是整個測量過程中的難點，在無有效辦法測量干度的情況下，筆者采用干度定值補償法解決了該難題。該補償法是在大致確定的干度變化范圍內(nèi)取平均值，將其輸入CPU，通過下列運算達(dá)到測量目的。

式中：qm——蒸汽質(zhì)量流量，t／h；K——流量計的儀表系數(shù)；f——流體產(chǎn)生的頻率；CV′——飽和水比容；CV——干飽和蒸汽比容；X——干度。

式中引入了系數(shù)K。由于濕飽和蒸汽的特性，該系數(shù)雖經(jīng)過旋轉(zhuǎn)整流裝置的處理，但它并不完全表明單相介質(zhì)的特性。因此，原儀表系數(shù)不能代表濕飽和蒸汽。在大量實驗的基礎(chǔ)上，得到不同干度范圍的系數(shù)K。

由現(xiàn)場數(shù)據(jù)的多次采集看出，對油井注汽的高壓濕飽和蒸汽的計量誤差主要表現(xiàn)在：現(xiàn)場蒸汽溫度變化造成的誤差，其范圍為280～325℃；現(xiàn)場蒸汽干度造成的誤差，其范圍為72%～78%。溫度變化造成的誤差通過流量儀表自身所帶的溫度傳感器直接進行補償解決；而第二種情況，只能通過定值干度進行補償，定值干度的取值直接決定了流量儀表的綜合誤差限。從現(xiàn)場多次采集數(shù)據(jù)觀測，現(xiàn)場蒸汽的干度值變化比較穩(wěn)定，這為實現(xiàn)定值干度補償?shù)於嘶A(chǔ)。現(xiàn)場采集的蒸汽在不同干度及溫度下的密度見表1所列。

表1 蒸汽在不同干度及溫度下的密度kg／m3

從表1看出，在一定溫度下，如果不增加干度補償，將會造成6%～8%左右的密度誤差。如果增加干度定值補償，那么密度誤差限可以控制在±3.5%以內(nèi)。另外，從表1中還可以看出，如果不增加溫度補償，在310～325℃內(nèi)會造成21%～28%的誤差，綜合誤差大于30%，這一點也充分說明增加溫度補償?shù)谋匾浴?/p>

5 應(yīng)用成果

從現(xiàn)場運行狀態(tài)來看，在不同的干度下，儀表輸出頻率信號非常穩(wěn)定，說明儀表輸出信號質(zhì)量和管道內(nèi)蒸汽流場良好，從而證明用渦街流量計對濕飽和蒸汽平均流速進行測量的可能性，為濕飽和蒸汽計量打下了基礎(chǔ)。

從2006年11月至今，已在遼河油田蒸汽驅(qū)項目的幾十個蒸汽站中共安裝了160余套筆者改進的流量計。5號站現(xiàn)場記錄的數(shù)據(jù)見表2所列，誤差在±5%以內(nèi)，基本實現(xiàn)了人工定量控制注汽量，該流量計于2010年12月獲得國家優(yōu)質(zhì)工程銀質(zhì)獎。

表2 5號站現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)

筆者采用太陽能電池供電和GPRS數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，不用人工在現(xiàn)場抄錄數(shù)據(jù)，有利于加強管理和減少安全隱患。隨著應(yīng)用的深入和現(xiàn)場數(shù)據(jù)的積累與分析，該流量計滿足與賽博公司共同探討包括干度（或密度）在內(nèi)的測量方法，需繼續(xù)開展后續(xù)試驗工作，為科學(xué)生產(chǎn)和管理提供更完善的測量系統(tǒng)。

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