汽液兩相流計量比對裝置的實驗研究

談建平，張建華，劉世疆，張奇文

(1. 新疆華隆油田科技股份有限公司，新疆 克拉瑪依 834000；2. 新疆油田公司實驗檢測研究院，新疆 克拉瑪依 834000)

汽液兩相流計量比對裝置的實驗研究

談建平1，張建華2，劉世疆2，張奇文2

(1. 新疆華隆油田科技股份有限公司，新疆 克拉瑪依 834000；2. 新疆油田公司實驗檢測研究院，新疆 克拉瑪依 834000)

闡述了一種對汽液兩相流計量儀表性能檢測的對比裝置及方法，通過實驗數(shù)據(jù)分析，對比裝置的相對偏差小于5%，可對濕蒸汽質(zhì)量、干度測量裝置進行實流檢定。該裝置從油田需求出發(fā)，能夠?qū)τ吞镒⑵褂玫膲毫?、流量、干度范圍有效覆蓋，為油田注入蒸汽的計量儀表進行實流性能檢定。

兩相流 濕蒸汽 檢測裝置 實流標定

由于稠油的黏度大、流動性差、凝固點高等因素決定了稠油難以像稀油那樣直接采出，在實際生產(chǎn)過程中，90%以上依靠蒸汽吞吐或蒸汽驅(qū)動進行稠油開采。而在蒸汽注入過程中，蒸汽的計量問題卻一直困擾著稠油生產(chǎn)。注入蒸汽無法計量造成了實際注入單井的蒸汽成了未知量，而依靠人工經(jīng)驗計算的蒸汽注入量精度不高，因而在實際生產(chǎn)過程中造成了蒸汽利用率低、浪費大的現(xiàn)象[1-2]?，F(xiàn)有的濕蒸汽計量裝置，就目前來看還沒有合適的性能評價方法[3]。

本文的目的是論述一種適合油田生產(chǎn)的濕蒸汽計量裝置，并建立相應(yīng)的評價方法，結(jié)合國內(nèi)外濕蒸汽計量方法，研究開發(fā)出適合油田生產(chǎn)條件的蒸汽計量比對裝置。

1 設(shè)計原理

濕飽和蒸汽計量的難點在于其為汽、液兩相流，且隨著壓力的變化液體水和汽之間會發(fā)生轉(zhuǎn)換。對其進行質(zhì)量流量、干度、焓等參數(shù)的準確測量計算已成為蒸汽應(yīng)用過程中的一項極為重要的工作[4]。然而，濕蒸汽是典型的汽液兩相流，受其流動機理的復(fù)雜性影響，其參數(shù)僅依靠理論分析和計算很難準確建模和描述，還必須依賴實驗修正[5]。蒸汽計量比對裝置原理如圖1所示，該裝置采用分離法對飽和蒸汽進行分離，得到單一相態(tài)的汽和飽和水，再用標準表對分離出的水、汽分別進行計量，計量后的汽和水重新?lián)交斐蓾耧柡驼羝?，通過摻混前后蒸汽的熱力學(xué)性質(zhì)不變的原理，計算出濕飽和蒸汽的流量、干度，以此為標準值實現(xiàn)對被檢表的校準，該方法已經(jīng)申請國家專利。

2 現(xiàn)場工藝

現(xiàn)場工藝流程如圖2所示，汽源采用11.5 t/h移動注汽鍋爐，鍋爐產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)過F5閥門進入汽水分離器，分離出的汽通過蒸汽流量計進行體積流量計量，分離出的水通過熱水流量計進行體積流量計量，同時在蒸汽流量計與熱水流量計前端安裝有壓力、溫度儀表，根據(jù)水和水蒸氣熱力性質(zhì)公式IAPWS-IF97計算在不同壓力下的汽、水的密度及焓，配合體積流量計計算出汽、水質(zhì)量流量[7-8]、干度、熱量等參數(shù)。計算方法如下：

qm總=qm水+qm汽

X=qm汽/qm總

式中：qm總——總質(zhì)量流量；qm水——水質(zhì)量流量；qm汽——汽質(zhì)量流量；X——干度。

由于移動鍋爐蒸汽輸出有下限限制，因而采用閥門F7與F5配合用以分流進入標準系統(tǒng)的蒸汽總量，閥門F11與F12用來分流出一部分水用以提高標定系統(tǒng)的蒸汽干度。

Fz和Fs為汽、水取樣裝置，用以檢驗汽水分離器的分離效率。FD1為電動調(diào)節(jié)閥，用以調(diào)節(jié)分離器的液位，F(xiàn)13為系統(tǒng)調(diào)壓閥，用以提高或者降低系統(tǒng)壓力。

圖1 蒸汽計量比對裝置原理示意

圖2 蒸汽計量比對裝置現(xiàn)場工藝流程示意

3 汽水分離器效率驗證

該裝置的基本技術(shù)路線是將濕蒸汽分離為干飽和氣與飽和水，如果分離效果達不到設(shè)計要求，分離后的介質(zhì)仍然是兩相流，則計量數(shù)據(jù)不可靠。因此，需要對分離后的介質(zhì)是否為單相流進行驗證。

3.1 化學(xué)分析法

蒸汽狀態(tài)的水不含有氯離子，通過化驗飽和水及蒸汽中的氯離子的量濃度，可以得出汽中液態(tài)水的量濃度，氯離子化驗結(jié)果見表1所列。

表1 氯離子化驗結(jié)果 mg/L

續(xù) 表1

通過表1可以看出，分離后的汽中氯離子的量濃度非常低。經(jīng)計算，其液態(tài)水的質(zhì)量分數(shù)為0.098%，即分離后的蒸汽干度為99.902%，達到了99.9%的設(shè)計目標。

3.2 分離器液位控制

汽水分離器分離效果的好壞更多地反應(yīng)在氣路是否含液上，只要保證液位控制在設(shè)計區(qū)間，即可保證液中不含氣體。分離器的液位設(shè)計高度為325～675 mm，裝置平穩(wěn)工作后，分離器的平均液位一直保持在525 mm左右，只有在壓力調(diào)節(jié)時會發(fā)生少量波動，滿足了設(shè)計要求，可以保證水中沒有氣體[9-10]。汽水分離器的液位趨勢變化如圖3所示。

圖3 汽水分離器的液位趨勢示意

相態(tài)驗證結(jié)論： 分離后的干飽和蒸汽和水為單相流，可以用普通流量計進行計量。

4 試驗結(jié)果

鍋爐流量為移動鍋爐來水質(zhì)量流量，由鍋爐自帶孔板流量計測量；鍋爐干度采用手持電導(dǎo)率儀進行測量[11]；平均干度、平均流量為標定裝置2 h內(nèi)測量結(jié)果的算術(shù)平均值，2個/s采集點，如圖4所示。從實驗結(jié)果來看，質(zhì)量流量、干度相對偏差在5%以內(nèi)。

圖4 質(zhì)量流量和干度實驗結(jié)果相對偏差示意

5 結(jié)束語

從圖4可以看出，實驗范圍內(nèi)的流量、干度相對于鍋爐進水量與鍋爐化驗干度的偏差在5%以內(nèi)。由于鍋爐進水量、干度測量存在一定偏差，因而系統(tǒng)偏差應(yīng)該小于5%。

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Experimental Research on Influence of Steam-liquid Two-phase Flow Ratio to Installation

Tan Jianping1, Zhang Jianhua2, Liu Shijiang2, Zhang Qiwen2

(1. Xinjiang Hualong Oilfield Technology Co.Ltd., Karamay, 834000, China;2. Research Institute of Experiment and Detection of Xinjiang Oilfield Company, Karamay, 834000, China)

Comparison device and method for flow meter performance detection of steam-liquid two-phase flow are expounded. Through experimental data analysis, relative deviation of contrast device is less than 5%. Wet steam quality and dryness measuring device can be conducted with virtual flow calibration. From the point of oil field demand, with covering the scope of pressure, mass flow and dryness, the device can effectively follow virtual flow calibration for meter instrument for oil field steam injection.

two-phase flow; wet steam; measurement device; virtual flow calibration

談建平，2008年畢業(yè)于新疆大學(xué)機械電子專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于新疆華隆油田科技股份有限責任公司，長期從事油田自動化產(chǎn)品的研發(fā)以及稠油熱采注汽計量分配等領(lǐng)域的研究工作，任工程師。

TQ056

B

1007-7324(2017)03-0054-03

稿件收到日期： 2016-11-09，修改稿收到日期： 2017-03-28。