應(yīng)用干度自控系統(tǒng)提高注汽效果

婁海鷹

引言：稠油熱采是遼河油田稠油開發(fā)的主要方式，保證注汽質(zhì)量，保持注汽干度平穩(wěn)是提高稠油采收率的關(guān)鍵因素。注汽鍋爐應(yīng)用干度自控系統(tǒng)能夠有效控制注汽干度，保證注汽質(zhì)量。

一、背景

油田注汽鍋爐是稠油熱采的關(guān)鍵設(shè)備，注汽鍋爐出口產(chǎn)生的是濕飽和蒸汽，濕飽和蒸汽是汽相和液相的混合物，其中液相質(zhì)量占濕飽和蒸汽總質(zhì)量的比例為蒸汽干度，蒸汽干度的高低直接決定了注入目標(biāo)油層的熱量焓值，蒸汽干度過熱也是注汽鍋爐爆管的最重要原因，因此，蒸汽干度決定了同等條件下單井注汽周期產(chǎn)量及油汽比，更是確保注汽鍋爐安全運(yùn)行的重要指標(biāo)。

目前存在的干度自控實(shí)施方法

（1）電導(dǎo)率電極：電導(dǎo)率電極測(cè)試的是鍋爐入水和爐出口分離器分離出來的水的電導(dǎo)率，由于鍋爐入水中HCO3-在爐管高溫加熱下會(huì)發(fā)生電離，因此測(cè)試的爐水電導(dǎo)率根本不是入水電導(dǎo)率的因濃縮后的電導(dǎo)率值，測(cè)量干度一定會(huì)偏高。

（2）PH值電極：水的PH值和堿度根本就是兩個(gè)不同的概念，鍋爐干度人工化驗(yàn)測(cè)試的入水和爐水的堿度，PH值測(cè)試的只是水中的酸堿度，因此不可能有理想的理論吻合。

（3）選擇性電極：選擇性電極目前一般采用Na+和CL-選擇電極，理論上是可以實(shí)現(xiàn)干度測(cè)量的，但由于入水、爐水的溫度差異以及選擇電極本身屬于試驗(yàn)室設(shè)備，根本無法在線長(zhǎng)期測(cè)試。

以上三種方法，是將電極長(zhǎng)期浸泡在爐水中，電極表面會(huì)不同程度產(chǎn)生結(jié)垢現(xiàn)象，另外，電極本身的耐溫值一般小于70℃，對(duì)于目前油田以污水深度處理為鍋爐進(jìn)水的條件下，更無從適應(yīng)溫升，污水深度處理的水中會(huì)有一定的懸浮物、含油，電極表面更難確保潔凈。

（4）孔板和噴嘴差壓法：孔板和噴嘴差壓法是在鍋爐出口安裝差壓式流量計(jì)測(cè)定濕飽和蒸汽的體積流量，利用密度計(jì)算公式反推干度值，由于鍋爐出口汽、水混合物在水平管道有8種流型，在垂直管道有4種流型，很難用一個(gè)公式將全部流型的濕蒸汽干度計(jì)算準(zhǔn)確，因此，需要在線于人工化驗(yàn)干度對(duì)比，計(jì)算誤差系數(shù)加以修正，人為可以改變顯示值（如停爐后干度顯示任何值），絕對(duì)不能用此值來控制干度，事實(shí)上，此方法在多臺(tái)注汽鍋爐上都應(yīng)用過，現(xiàn)場(chǎng)證明是失敗的。

（5）弱中子源：利用弱中子放射性原理在穿透汽水混合物產(chǎn)生的衰減率不同而測(cè)試干度，理論上絕對(duì)成立，但由于在測(cè)試中，認(rèn)為放射線在管壁的衰減為固定值，實(shí)際運(yùn)行中，管壁會(huì)有一定的藥垢或輕微水垢，如連續(xù)測(cè)試，會(huì)有一定的誤差產(chǎn)生，放射源在高溫條件下的安全問題也值得重視。

注汽鍋爐的干度控制關(guān)鍵在于干度在線測(cè)試的準(zhǔn)確度、可靠性、長(zhǎng)期性、適應(yīng)性。下面將展示一種滿足上述要求的新型在線干度控制系統(tǒng)。

二、蒸汽干度測(cè)試原理

1、干度測(cè)量基本原理

油田稠油熱采專用熱采鍋爐產(chǎn)生的是濕飽和蒸汽，根據(jù)熱力學(xué)知識(shí)，只要測(cè)定鍋爐出口蒸汽熱焓、飽和水焓以及汽化潛熱，注汽鍋爐干度就可以計(jì)算出來。

2、濕蒸汽熱力學(xué)特性

對(duì)蒸汽的熱力過程存在一點(diǎn)、兩線、三區(qū)、五態(tài)，一點(diǎn)是臨界點(diǎn)；兩線為飽和液體線和飽和蒸汽線；三區(qū)為未飽和液體（過冷液體）區(qū)、濕蒸汽區(qū)、過熱蒸汽區(qū)；五態(tài)為未飽和液體（過冷液體）狀態(tài)、飽和液體狀態(tài)、濕飽和蒸汽狀態(tài)、干飽和蒸汽狀態(tài)和過熱蒸汽狀態(tài)。

3、干度計(jì)算公式及其推導(dǎo)過程

假如某一取樣管內(nèi)流過濕蒸汽，已知入口處的溫度為t1，干度為x1，（處于II區(qū)），在截面2-2處加入壓力為P2、溫度為t2、質(zhì)量流量為W2的水（處于I區(qū)），調(diào)節(jié)注入水量W2，使3-3處的濕蒸汽和水達(dá)到完全混合并處于II區(qū)。測(cè)量3-3處的壓力為P3，溫度為t3，質(zhì)量流量為W3。整個(gè)系統(tǒng)與外界無熱量交換。

4、實(shí)施方法

混合裝置及各種測(cè)試儀表高度集成在管道內(nèi)，測(cè)出式6中的流量、溫度參數(shù)，判斷3-3處混合物是否達(dá)到穩(wěn)定并處于未飽和水區(qū)，這樣就可以計(jì)算出蒸汽干度。

三、蒸汽干度自控原理

干度在線測(cè)試后，通過設(shè)定干度控制值，允許波動(dòng)值以及檢測(cè)時(shí)間，在鍋爐手動(dòng)調(diào)整穩(wěn)態(tài)后，轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制，本系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)鍋爐燃油量，保持人工調(diào)節(jié)的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)干度的穩(wěn)定。

四、效果分析

1、干度自控系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)注汽質(zhì)量控制的有效性

（1）安裝干度自控系統(tǒng)后鍋爐在相同運(yùn)行工況下注汽干度變化情況，見下表。

試驗(yàn)后干度變化情況

（2）效果分析

通過數(shù)據(jù)可以看出干度自控系統(tǒng)的應(yīng)用確實(shí)可以有效降低干度波動(dòng)，提高注汽質(zhì)量。

2、實(shí)際效益

實(shí)際效益主要包括四部分：

（1）稠油熱采收率是與注汽質(zhì)量密切相關(guān)的，干度波動(dòng)大小直接影響原油產(chǎn)量。按干度變化1%對(duì)石油產(chǎn)量影響0.2%，歡采年稠油產(chǎn)量按140萬噸算，可使歡采稠油增產(chǎn)0.36萬噸。

（2）降低單耗

干度每升高1%，注汽單耗增加約0.4 kg/m3。歡采年注汽量按600萬噸算，歡采注汽鍋爐每年可節(jié)約燃油0.15萬噸。

（3）延長(zhǎng)熱采鍋爐使用壽命，降低維修費(fèi)用

熱采鍋爐為高溫高壓設(shè)備，需定期年檢維修。采用此系統(tǒng)，可以減少甚至杜干度過高、蒸汽過熱引起爐管碳化現(xiàn)象的發(fā)生，降低維修費(fèi)用。

（4）保證員工健康、安全

熱采鍋爐為高溫高壓設(shè)備，員工進(jìn)入鍋爐房就處在一種高溫高壓、高噪音、高灰塵環(huán)境，對(duì)員工身心健康、安全非常不利。按照HSE工作理念，講求以人為本，將員工的安全、健康放在第一位。此系統(tǒng)可以自行控制熱采鍋爐平穩(wěn)運(yùn)行，減少員工在鍋爐房滯留時(shí)間，確保了員工安全健康。

（作者單位：中國(guó)石油遼河油田冷家油田開發(fā)公司）