聯合式濕蒸汽流量干度測量技術在稠油熱采中的應用

(大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司　黑龍江　大慶　163513)

0　引　言

目前，國內在稠油的開采中，普遍采用注汽熱采方式[1]，需向油井注入高溫高壓的濕飽和蒸汽。現有常規注汽鍋爐大多采用直流鍋爐，為防止鍋爐管內結垢，產生的蒸汽一般為干度0.8左右的濕蒸汽[2]。經長距離輸運，蒸汽干度一般為0.4～0.7。為減少投資風險、降低熱采成本和提高經濟效益，需對注汽系統參數進行監測與控制，其中蒸汽干度[3]、注汽速度[4]和注汽壓力是最重要的注汽參數。常規的注汽壓力較方便測量，而注汽干度與注汽流量(速度)相互耦合，不能直接獲得，是注汽監測的重點和難點。

傳統的單相流量計，如差壓式、變面積、渦街等，在濕蒸汽的計量應用中均會存在偏差，需要進行干度修正，而由于兩相流型的復雜性和汽、液之間的相變，使得干度測量成為國際上一直沒有解決好的一個難題。傳統的人工化驗法進行干度測量無法為蒸汽干度自動控制提供實時數據。因此，需開發蒸汽干度、流量雙參數的在線測量技術，以進行注汽參數的實時監測與控制。本文利用聯合式測量技術進行油田濕蒸汽的計量，可實現穩定、可靠的流量、干度雙參數輸出，具有廣泛的應用前景。

1　測量原理

差壓式流量計具有價格低廉、信號穩定、量程比寬、物理意義清晰等優勢，其中的V錐流量計還因其特殊形狀，具有抗上游強擾動、自清潔能力強等優點，被廣泛應用在蒸汽的計量中。雙V錐的組合測量方式，可通過聯立兩者壓降規律，同時輸出蒸汽干度和流量。該模型理論清晰，易在計算機中實現。雙V錐聯合式裝置示意圖如圖1所示。

圖1　雙V錐聯合式測量裝置示意圖

該測量系統由經過標定的不同直徑比的V錐作為一次測量元件，高精度壓力傳感器、智能型差壓變送器轉換并傳輸信號，標準4～20 mA DC信號經I/V轉換成1～5 V電壓信號，進入高速數據采集卡。首先在工控機中根據壓力信號p調用IAPWS-IF97標準汽、水性質模塊計算出飽和水、飽和蒸汽的密度及比焓，然后將V錐輸出的兩個差壓信號，輸入數學模型計算出蒸汽干度值，將得出的干度值代入質量流量方程求出瞬時質量流量，再對時間積分得出累積流量。下面介紹V錐的測量原理及聯合式流量、干度測量原理。

對于V錐流量計，在單相蒸汽中，質量流量與差壓、幾何尺寸的關系為

(1)

式中，Wm為質量流量，kg/s；ε為可壓縮系數 (對于不可壓縮流體，ε=1，對于可壓縮流體，ε<1)；CD為流出系數；A為最小流通面積；β為等效直徑比；ρ為流體密度；Δp為差壓，Pa；K1為儀表系數，下標“G”代表蒸汽相。

公式(1)為V錐測量單相質量流量公式，儀表系數K1為常數，但在濕蒸汽兩相流中，K1不再為常數，因此不能直接用公式(1)直接計算濕蒸汽的質量流量。由于濕蒸汽中有液滴存在，V錐輸出差壓(ΔpTP)會比單相蒸汽(ΔpG)時高，導致V錐輸出質量流量偏高，我們把這種現象叫做“過讀”。衡量這種“過讀”的過讀因子(OR=WmTP/WmG)與干度存在一定的關系。由于V錐直徑比不同，過讀因子-干度關系也不同，有

WmTP1/WmG1=f(x1)

(2)

WmTP2/WmG2=g(x2)

(3)

根據質量守恒定律，流經兩V錐的蒸汽相質量流量相同；管道經良好保溫處理，忽略沿程熱量損失及壓力損失，濕蒸汽無相變，流經兩流量計的濕蒸汽干度也相同，有

WmG1=WmG2

(4)

x1=x2

(5)

聯立式(1)～(5)，即可根據差壓信號、壓力信號，求解得到蒸汽干度、質量流量和載熱量，同時對質量流量和載熱量進行累積運算。重要參數實時存儲于數據路，作為歷史數據以備后期調用。系統通過D/A通道或標準通訊接口輸出干度、累積流量，供上位機使用。聯合式流量、干度測量原理圖見圖2。

圖2　濕蒸汽流量、干度測量原理示意圖

該設備可在線測量濕蒸汽的流量和干度，可安裝到支路官網，也可安裝到注汽鍋爐的出口管路，通過AO通道輸出4～20 mA信號，作為鍋爐閉環控制系統反饋信號，對濕蒸汽干度進行PID自動調節，以保證注汽鍋爐的穩定運行及良好的蒸汽品質，提高注汽鍋爐的熱效率。

2　數學模型及修正

2.1　數學模型

過讀的汽相質量流量為

(6)

式中，下標“TP”代表濕蒸汽兩相流。由分相流模型[5]，過讀因子

(7)

式中，XLM為L-M參數，下標“G”和“L”分別代表蒸汽相和液相。由于汽液兩相流體流過V錐時流型的復雜性，應用簡單的分相模型計算式所得結果，往往和實際值相差較多。林宗虎[6]以分相流模型為基礎，利用相似理論得到了下述形式的過讀公式

OR=1+θ·XLM

(8)

可得兩V錐的過讀形式

WmTP1/WmG=θ1·XLM+1

(9)

WmTP2/WmG=θ2·XLM+1

(10)

通過若干組數據對式(9)、式(10)進行標定，得到系數θ1和θ2。標定方法如下：對鍋爐水量進行電子稱重，得到蒸汽累計質量流量，進而計算得濕蒸汽瞬時質量流量。利用人工化驗法測得真實干度，可得蒸汽相的質量流量WmG。

由式(9)和式(10)，得濕蒸汽干度

(11)

由式(6) 、式(7)和式(11)得濕蒸汽質量流量

(12)

2.2　模型修正

為保證測量精度，在濕蒸汽流量、干度計算中，進行了如下補償：

1)對濕蒸汽密度進行溫度、壓力的在線補償，采用國際上最新的IAPWS-IF97[7]汽-水性質計算模型。

2)根據蒸汽等熵指數的變化，對可膨脹系數進行補償，提高了測量精度[8]。

3)根據濕蒸汽雷諾數的變化，對流量系數C隨雷諾數的變化進行補償，提高測量精度。

4)為提高測量精度，組裝前對節流裝置進行了標定。

3　現場測試

在大慶油田采油N廠，將測試設備通過旁路安裝于XX井，通過測量流量與鍋爐給水流量之間的對比，以及測試干度與鍋爐后人工化驗干度的對比，考察設備的測量誤差。

在現場測試時間段內，通過人為調整鍋爐的給水量并控制鍋爐火量，得到不同的濕蒸汽流量和干度，記錄測試設備的輸出蒸汽流量、干度及鍋爐給水流量和人工化驗干度。做給水流量和測試流量、化驗干度和測試干度之間的相關性，分別如圖3和圖4所示。

圖3　蒸汽流量對比

對測試數據進行分析，結果如下：

質量流量最大誤差為4.4 %，流量偏差的絕對平均值為2.74%，干度的最大誤差為3.6 %。

圖4　蒸汽干度對比

4　結　論

1)利用蒸汽兩相流測量理論，建立數學模型并進行相關溫度、壓力的在線修正，利用雙V錐聯合式測量裝置進行濕蒸汽干度、流量的雙參數測量。

2)聯合式濕蒸汽干度、流量雙參數測量精度可以滿足油田集中注汽方式下的單井計量要求。

3)聯合式濕蒸汽干度、流量雙參數測量裝置可應用于所有油田濕蒸汽計量系統，具有較高推廣應用價值。

[1] 王大為, 周耐強, 牟凱. 稠油熱采技術現狀及發展趨勢[J]. 西部探礦工程, 2008, 20(12):129-131.

[2] 羅毓珊, 陳聽寬, 陳宣政,等. 濕蒸汽兩相流流量的測量研究[C]//中國工程熱物理學會多相流學術會議. 1996:11-14.

[3] 劉雨文, 徐宏國. 稠油熱采注汽系統效率評價研究[J]. 遼寧石油化工大學學報, 2014, 34(3):62-66.

[4] 蘇玉亮, 高海濤. 稠油蒸汽驅熱效率影響因素研究[J]. 斷塊油氣田, 2009, 16(2):73-74.

[5] LIN ZH, WANG SZ, WANG D. Gas-liquid two-phase flow and boiling heat transfer[M]. Xi′an: Xi′an Jiaotong University Press, 2003：169-186.

[6] LIN ZH. Two-phase flow measurements with sharp-edged orifices[J]. International Journal of Multiphase Flow.1982，8(6):683-693.

[7] The International Association for the Properties of Water and Steam. Revised release on the IAPWS industrial formulation 1997 for the thermodynamic properties of water and steam[R]. Erlange(Germany): IAPWS, 2007.

[8] 劉偉光.基于流場分析的錐形流量計優化設計[D]. 天津：天津大學，2015.