過(guò)熱注汽鍋爐干度的測(cè)量與控制

文恒，陸艷斌，黨延輝

(新疆華隆油田科技股份有限公司，新疆 克拉瑪依 834000)

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過(guò)熱注汽鍋爐干度的測(cè)量與控制

文恒，陸艷斌，黨延輝

(新疆華隆油田科技股份有限公司，新疆 克拉瑪依 834000)

摘要：注汽鍋爐干度的測(cè)量和控制是提高原油采收率的重要控制指標(biāo)。干度測(cè)量方便性和準(zhǔn)確性的提高，以及干度的模糊控制研究是技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。介紹了蒸汽干度的各種測(cè)量方法和原理，著重介紹了干度的軟測(cè)量以及過(guò)熱鍋爐的模糊控制方式的實(shí)現(xiàn)。結(jié)合稠油開采的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，過(guò)熱注氣鍋爐干度的軟測(cè)量和控制在疆油田應(yīng)用取得了良好效果。

關(guān)鍵詞：稠油開采干度比焓

隨著油田稠油區(qū)塊的開發(fā)，蒸汽熱采吞吐技術(shù)不斷提高，高干度和過(guò)熱蒸汽的需求量越來(lái)越大。高干度、過(guò)熱蒸汽注汽鍋爐與常規(guī)注汽鍋爐不同，過(guò)熱鍋爐工藝上在常規(guī)注汽鍋爐出口加裝汽水分離器，把濕飽和蒸汽中的水分離出來(lái)，分離出來(lái)的飽和干蒸汽進(jìn)入新增的過(guò)熱段繼續(xù)加熱，飽和水通過(guò)調(diào)節(jié)閥，與過(guò)熱器出來(lái)的過(guò)熱蒸汽混合，再注入油井。注汽鍋爐干度的測(cè)量和控制是保證注汽效果，提高采收率的重要環(huán)節(jié)。

1干度的測(cè)量

蒸汽干度是指蒸汽與水的混合物中干蒸汽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。普通直流注汽鍋爐的出口蒸汽干度在75%左右，高干度注氣鍋爐一般大于85%，過(guò)熱鍋爐注汽出口蒸汽干度為100%。由于蒸汽干度是氣液兩相流的特有參數(shù)，與注汽鍋爐多個(gè)運(yùn)行參數(shù)存在復(fù)雜的內(nèi)在聯(lián)系，不能直接測(cè)量，同時(shí)間接測(cè)量受影響的因素很多，因而干度測(cè)量一直沒有很好的解決方案，干度的軟測(cè)量成為目前研究的重點(diǎn)方向之一。

1.1電導(dǎo)率法

其原理是根據(jù)注汽鍋爐無(wú)汽包，忽略蒸汽中溶解鹽分，按照生水和爐水的鹽量平衡，水的電導(dǎo)率和水中的含鹽量成正比，即得到：

干度=(爐水含鹽量-給水含鹽量)/

爐水含鹽量×100%=(爐水電導(dǎo)率-

給水電導(dǎo)率)/爐水電導(dǎo)率×100%

該方法原理簡(jiǎn)單，通過(guò)電導(dǎo)傳感器作為電極對(duì)爐水和給水的電導(dǎo)率進(jìn)行檢測(cè)，計(jì)算干度。目前新疆油田多采用進(jìn)口的梅特勒托利多電導(dǎo)率傳感器，精度在±2%。但這種方式存在兩個(gè)缺點(diǎn)： 由于傳感器直接接觸爐水，如果取樣路徑過(guò)長(zhǎng)，取樣管路受到污染、傳感器探頭結(jié)垢，數(shù)據(jù)就會(huì)產(chǎn)生很大漂移，需要定期維護(hù)沖洗管路和傳感器，取樣路徑應(yīng)盡可能短，才能保證測(cè)量精度；傳感器反應(yīng)滯后時(shí)間很長(zhǎng)，通常至少要有十幾分鐘的測(cè)量時(shí)間，才能得到一個(gè)穩(wěn)定的電導(dǎo)率數(shù)值，對(duì)于需要快速反應(yīng)和調(diào)整的系統(tǒng)是極為不利的。

1.2摩爾滴定法

摩爾滴定法是一種化學(xué)方法，原理是基于爐水和生水的堿度區(qū)別，即蒸汽中的OH-濃度很低，因而爐水的濃縮倍數(shù)即可反映鍋爐干度。利用摩爾滴定法測(cè)定水中OH-離子濃度，從而測(cè)定蒸汽干度?，F(xiàn)場(chǎng)控制柜對(duì)鍋爐的出口爐水和進(jìn)口生水進(jìn)行取樣，自動(dòng)定量滴定，滴入甲基橙(酸堿滴定指示劑)和5%硫酸，反應(yīng)后根據(jù)滴定前后顏色的變化判斷滴定終點(diǎn)。顏色可通過(guò)特定波長(zhǎng)的光譜吸收特性進(jìn)行分析，識(shí)別滴定終點(diǎn)，進(jìn)而通過(guò)硫酸滴定量計(jì)算干度值。

干度=(爐水硫酸滴定量-生水硫酸滴定量)/

爐水硫酸滴定量×100%

為保證測(cè)量準(zhǔn)確，需要保證新鮮的水樣，攪拌均勻，反應(yīng)環(huán)境和管路清洗徹底。這種方式也同樣存在水樣易污染和測(cè)量周期時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題。

1.3數(shù)學(xué)模型計(jì)算

注汽鍋爐干度的數(shù)學(xué)模型大部分是基于熱力學(xué)公式、質(zhì)量能量守恒定律、經(jīng)驗(yàn)值來(lái)構(gòu)建的。以水和蒸汽熱力學(xué)工業(yè)公式IAPWS-IF97為核心，蒸汽的熱力過(guò)程存在一點(diǎn)、兩線、三區(qū)、五態(tài)。一點(diǎn)指物質(zhì)的臨界點(diǎn)，兩線指飽和蒸汽狀態(tài)連線(上界限線)和飽和液體狀態(tài)連線(下界限線)；三區(qū)指汽態(tài)區(qū)，液態(tài)區(qū)，濕蒸汽區(qū)；五態(tài)指過(guò)熱蒸汽、飽和蒸汽、濕蒸汽、飽和液體及未飽和液體。其區(qū)域劃分和方程如圖1所示。

圖1　IAPWS-IF97的區(qū)域劃分和方程

如圖1所示, 1區(qū)為常規(guī)水區(qū)；2區(qū)為過(guò)熱蒸汽區(qū)；3區(qū)為臨界區(qū)；4區(qū)為飽和線，即濕蒸汽區(qū)；5區(qū)為低壓高溫區(qū)。IAPWS-IF97公式在1區(qū)和2區(qū)采用吉布斯自由焓g(p,T),在3區(qū)采用亥姆霍茲自由能f(ρ,T),在4區(qū)(飽和線)采用飽和壓力ps(T)公式,在高溫區(qū)5區(qū)采用吉布斯自由焓g(p,T)。這5個(gè)公式被稱為IAPWS-IF97基本方程，詳細(xì)請(qǐng)參閱“國(guó)際水和水蒸氣性質(zhì)學(xué)會(huì)對(duì)工業(yè)用計(jì)算公式 1997”( 簡(jiǎn)稱 IAPWS-IF97)。

過(guò)熱注汽鍋爐水路流向如圖2所示，正常注汽鍋爐燃燒后，從輻射段出來(lái)的是72%以上、80%以下的飽和濕蒸汽，進(jìn)入汽水分離器進(jìn)行氣液分離。分離器液位穩(wěn)定在525mm左右時(shí)，分離效果達(dá)到99%以上，分離器分離出來(lái)的干氣，再經(jīng)過(guò)過(guò)熱器加熱，加熱高溫干氣，分離器分離出的飽和水經(jīng)過(guò)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，到混摻器和過(guò)熱蒸汽混合。高干度過(guò)熱鍋爐水和蒸汽的變化特性： 鍋爐進(jìn)口只存在不飽和水1區(qū)，輻射段飽和蒸汽4區(qū)，臨界水區(qū)和氣區(qū)3區(qū)，過(guò)熱器出口是過(guò)熱蒸汽2區(qū)。根據(jù)過(guò)熱鍋爐燃燒各個(gè)階段水和蒸汽的溫度、壓力的變化，采用IAPWS-IF97基本方程公式和導(dǎo)出公式，根據(jù)壓力、溫度、密度，在PLC里迭代計(jì)算給水、輻射段、對(duì)流段和注汽出口過(guò)熱蒸汽比焓值，分析鍋爐水和蒸汽的狀態(tài)。

圖2　過(guò)熱注氣鍋爐水路流向

目前中型以上的PLC計(jì)算能力都能滿足多次迭代運(yùn)算的需求，編程語(yǔ)言使用ST結(jié)構(gòu)文本，編寫迭代計(jì)算公式非常方便。除了通過(guò)公式建立熱力學(xué)模型外，也可以通過(guò)編寫查表程序，根據(jù)溫度、壓力查找水和水蒸氣熱力性質(zhì)圖表來(lái)確定比焓值。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，給水流量等于鍋爐分離器出口飽和水流量加過(guò)熱蒸汽流量(根據(jù)差壓、溫度計(jì)算流量)，根據(jù)能量守恒高干度注汽鍋爐存在如下能量關(guān)系：

在注汽出口未過(guò)熱時(shí)：

qVBη QD=qmDx(h″-h′)+qmD(h′-hin)

(1)

推導(dǎo)出干度公式：

(2)

式中：qVB——天然氣消耗量，m3/h；qmD——給水流量，kg/h；η——熱效率(取用90%)，%；QD——天然氣低位發(fā)熱量(取用35000kJ/kg),kJ/kg；h″——注汽出口飽和蒸汽比焓，kJ/kg；h′——注汽出口飽和水比焓，kJ/kg；hin——給水比焓(取用8～95 ℃時(shí)給水比焓)，kJ/kg。

對(duì)于注汽出口蒸汽過(guò)熱時(shí)，首先計(jì)算此時(shí)過(guò)熱蒸汽比焓值h：

(3)

由于天然氣低位發(fā)熱量和鍋爐熱效率變化不大，根據(jù)實(shí)際取經(jīng)驗(yàn)定值。通過(guò)這種方式計(jì)算干度，時(shí)效性比上述兩種方式高，精度在3%左右，也能滿足高干度過(guò)熱注氣鍋爐控制系統(tǒng)的要求。在新疆油田過(guò)熱注氣鍋爐中應(yīng)用后，效果良好。當(dāng)系統(tǒng)切過(guò)熱狀態(tài)后，控制過(guò)熱溫度過(guò)熱5～25 ℃，和飽和水混摻后，井口的注汽干度可以達(dá)到98%以上。

2干度的控制

目前國(guó)內(nèi)提出的普通注汽鍋爐干度控制主要有以下幾類： 串級(jí)PID控制、模糊-PID雙?？刂?、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制等。串級(jí)PID控制將蒸汽干度作為主被控變量，水流量作為副被控變量，給水流量作為操控變量組成串級(jí)控制，主副控制均采用簡(jiǎn)單的PID控制，對(duì)于存在大滯后、有著復(fù)雜干擾對(duì)象的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單的串級(jí)PID控制很難滿足控制精度的需求。模糊-PID雙模控制是將模糊控制和PID控制結(jié)合起來(lái)，既有模糊控制靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，又有PID精度控制高的特點(diǎn)，對(duì)干度這種復(fù)雜控制系統(tǒng)具有良好的控制效果。

對(duì)于高干度過(guò)熱注汽鍋爐來(lái)說(shuō)，保證分離器分離效果和過(guò)熱器出口過(guò)熱度，就可以保證注汽鍋爐出口的蒸汽干度達(dá)到98%以上，普通鍋爐的干度控制不能完全適用于過(guò)熱注汽鍋爐。高干度過(guò)熱注汽鍋爐的主要工藝流程： 生水通過(guò)處理后，合格的軟化水供到高壓泵入口端，水經(jīng)強(qiáng)制升壓后進(jìn)入水-水換熱器，經(jīng)預(yù)熱后的水進(jìn)入對(duì)流段，在這里吸收熱量后再進(jìn)入水-水換熱器作為熱源加熱給水，經(jīng)冷卻后進(jìn)入輻射段的入口，水在輻射段經(jīng)加熱汽化后達(dá)到70%～80%蒸汽干度的濕蒸汽，然后進(jìn)入到汽水分離器進(jìn)行汽水分離。分離出的干蒸汽再進(jìn)入到過(guò)熱段，加熱后進(jìn)入混摻器，與分離出的高含鹽飽和水充分混合減溫后注入井下。

在整個(gè)流程中，蒸汽干度的影響因素有燃?xì)饬髁俊⑺?、蒸汽壓力、分離器液位、混摻比?；鞊狡鞯恼{(diào)節(jié)閥用于控制分離器的液位和混摻比。如果分離器液位過(guò)高，分離效果不佳，干蒸汽中帶入了濕蒸汽；如果液位過(guò)低，則導(dǎo)致混摻的飽和水過(guò)少，井口溫度上升較高；如果液位不穩(wěn)，影響過(guò)熱蒸汽的流量和過(guò)熱度，也會(huì)影響到最終的出口蒸汽干度。因此，分離器液位的控制是保證濕蒸汽的分離效果，過(guò)熱流程切換成功，井口干度達(dá)到要求的關(guān)鍵。

高干度過(guò)熱注汽鍋爐運(yùn)行分為兩個(gè)階段。在鍋爐剛開始燃燒時(shí)，輻射段還沒有干度時(shí)，分離器液位是滿的，調(diào)節(jié)閥全關(guān)，稱為還未投過(guò)熱階段，這個(gè)階段注汽鍋爐是作為普通注汽鍋爐來(lái)運(yùn)行的，將水加熱為飽和蒸汽。當(dāng)輻射段出口蒸汽達(dá)到一定干度時(shí)開始投入分離器，投過(guò)熱流程。為保證過(guò)熱器的安全，將流程自動(dòng)切換到分離器運(yùn)行，鍋爐投入過(guò)熱蒸汽生產(chǎn)的條件之一為輻射段出口干度必須達(dá)到72%以上，過(guò)熱器壓差滿足要求，才允許投入分離器液位控制，否則是滿液位運(yùn)行。流程自動(dòng)切過(guò)熱后，只要保證分離器液位控制在設(shè)定值范圍內(nèi)，從分離器出來(lái)的99%干氣經(jīng)過(guò)熱器加熱，得到100%干度的過(guò)熱蒸汽，再混摻飽和水后干度就能達(dá)到98%以上。在鍋爐熱系統(tǒng)達(dá)到平衡后，火量也只作為微調(diào)，調(diào)整過(guò)熱度，保證井口注汽蒸汽過(guò)熱，即保證了井口干度。

在鍋爐系統(tǒng)切換過(guò)熱狀態(tài)前，高干度過(guò)熱鍋爐的控制主要以火量為主調(diào)量，根據(jù)燃燒曲線，水、火、風(fēng)量的配比進(jìn)行負(fù)荷控制，每隔一定時(shí)間，判斷輻射段出口干度上升的幅度，根據(jù)溫度、壓力、干度的上升趨勢(shì)計(jì)算并分析預(yù)期干度升速，進(jìn)而調(diào)整相應(yīng)的負(fù)荷，繼續(xù)等待增加火量的結(jié)果傳導(dǎo)到干度值上。當(dāng)達(dá)到切換條件即輻射段出口干度值達(dá)到了72%，投入分離器調(diào)節(jié)閥，流程切入過(guò)熱流程，控制分離器液位及過(guò)熱溫度。投入過(guò)熱后，以調(diào)節(jié)分離器液位為主，熱平衡建立后，火量這時(shí)作為微調(diào)，出口注汽干度就可以達(dá)到98%以上。

整個(gè)控制前期采用模糊算法，預(yù)測(cè)干度的趨勢(shì)，調(diào)整負(fù)荷，達(dá)到過(guò)熱切換條件。熱切換后是對(duì)分離器液位的控制，主要以調(diào)火為主，將PID控制和模糊預(yù)測(cè)控制以及專家調(diào)試的經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的算法融合，控制液位。系統(tǒng)熱平衡建立后，對(duì)過(guò)熱度的控制進(jìn)行微調(diào)，限制調(diào)整的量級(jí)。這種控制方式在新疆油田風(fēng)城作業(yè)區(qū)應(yīng)用效果良好，輻射段出口干度72%～80%，注汽鍋爐出口干度達(dá)到98%以上。

3結(jié)束語(yǔ)

油田高干度過(guò)熱注汽鍋爐在新疆油田超稠油

開采中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。在整個(gè)注汽過(guò)程中，穩(wěn)定的高干度值不但可以提高原油產(chǎn)量和采收率，而且在節(jié)能、環(huán)保和提高能效上效果顯著。高干度注汽鍋爐干度的檢測(cè)精度要求不是很高，可以通過(guò)軟測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)，干度的控制采用模糊預(yù)測(cè)控制可以很好地滿足系統(tǒng)的控制要求，實(shí)現(xiàn)注汽干度達(dá)到設(shè)定的范圍。

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Measurement and Control of Saturated Vapor Dryness in Superheated Steam Injection Boiler

Wen Heng, Lu Yanbin, Dang Yanhui

(Xinjiang Hualong Technology co. Ltd., Karamay, 834000, China)

Abstracts： Measurement and control of saturated vapor dryness in steam injection boiler is a key index for enhancing crude oil recovery. The improvement of accessibility and accuracy of dryness measurement in steam injection boiler and as well as research on fuzzy control of dryness have become a technology development trend. Various kinds of methods and of principles steam dryness measurement are introduced. Soft measurement of dryness and realization of fuzzy control mode in superheated boiler are emphatically introduced. Combined with practical experience of heavy oil recovery in Xinjiang oilfield, application of soft measurement method and control of saturated vapor dryness in superheated injection boiler has achieved good effects in Xinjiang oilfield.

Key words：viscous oil recovery; dryness; specific enthalpy

中圖分類號(hào)：TP29

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-7324(2015)06-0037-03

作者簡(jiǎn)介：文恒(1975—)，女，畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)工業(yè)自動(dòng)化專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)工作于新疆華隆油田科技股份有限公司，主要研究方向?yàn)橛吞镒詣?dòng)化控制，任工程師。

基金項(xiàng)目：新疆自治區(qū)科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)201454138。

稿件收到日期： 2015-10-09，修改稿收到日期： 2015-11-07。