汽液兩相流計(jì)量比對(duì)裝置的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究院，新疆 克拉瑪依 834000)

汽液兩相流計(jì)量比對(duì)裝置的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究院，新疆 克拉瑪依 834000)

闡述了一種對(duì)汽液兩相流計(jì)量?jī)x表性能檢測(cè)的對(duì)比裝置及方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，對(duì)比裝置的相對(duì)偏差小于5%，可對(duì)濕蒸汽質(zhì)量、干度測(cè)量裝置進(jìn)行實(shí)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Α⒘髁?、干度范圍有效覆蓋，為油田注入蒸汽的計(jì)量?jī)x表進(jìn)行實(shí)流性能檢定。

兩相流 濕蒸汽 檢測(cè)裝置 實(shí)流標(biāo)定

由于稠油的黏度大、流動(dòng)性差、凝固點(diǎn)高等因素決定了稠油難以像稀油那樣直接采出，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，90%以上依靠蒸汽吞吐或蒸汽驅(qū)動(dòng)進(jìn)行稠油開(kāi)采。而在蒸汽注入過(guò)程中，蒸汽的計(jì)量問(wèn)題卻一直困擾著稠油生產(chǎn)。注入蒸汽無(wú)法計(jì)量造成了實(shí)際注入單井的蒸汽成了未知量，而依靠人工經(jīng)驗(yàn)計(jì)算的蒸汽注入量精度不高，因而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中造成了蒸汽利用率低、浪費(fèi)大的現(xiàn)象[1-2]?，F(xiàn)有的濕蒸汽計(jì)量裝置，就目前來(lái)看還沒(méi)有合適的性能評(píng)價(jià)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(jì)量裝置，并建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)方法，結(jié)合國(guó)內(nèi)外濕蒸汽計(jì)量方法，研究開(kāi)發(fā)出適合油田生產(chǎn)條件的蒸汽計(jì)量比對(duì)裝置。

1 設(shè)計(jì)原理

濕飽和蒸汽計(jì)量的難點(diǎn)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(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)換。對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量流量、干度、焓等參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量計(jì)算已成為蒸汽應(yīng)用過(guò)程中的一項(xiàng)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(dòng)機(jī)理的復(fù)雜性影響，其參數(shù)僅依靠理論分析和計(jì)算很難準(zhǔn)確建模和描述，還必須依賴實(shí)驗(yàn)修正[5]。蒸汽計(jì)量比對(duì)裝置原理如圖1所示，該裝置采用分離法對(duì)飽和蒸汽進(jìn)行分離，得到單一相態(tài)的汽和飽和水，再用標(biāo)準(zhǔn)表對(duì)分離出的水、汽分別進(jìn)行計(jì)量，計(jì)量后的汽和水重新?lián)交斐蓾耧柡驼羝?，通過(guò)摻混前后蒸汽的熱力學(xué)性質(zhì)不變的原理，計(jì)算出濕飽和蒸汽的流量、干度，以此為標(biāo)準(zhǔn)值實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢表的校準(zhǔn)，該方法已經(jīng)申請(qǐng)國(guó)家專利。

2 現(xiàn)場(chǎng)工藝

現(xiàn)場(chǎng)工藝流程如圖2所示，汽源采用11.5 t/h移動(dòng)注汽鍋爐，鍋爐產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)過(guò)F5閥門(mén)進(jìn)入汽水分離器，分離出的汽通過(guò)蒸汽流量計(jì)進(jìn)行體積流量計(jì)量，分離出的水通過(guò)熱水流量計(jì)進(jìn)行體積流量計(jì)量，同時(shí)在蒸汽流量計(jì)與熱水流量計(jì)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(jì)算在不同壓力下的汽、水的密度及焓，配合體積流量計(jì)計(jì)算出汽、水質(zhì)量流量[7-8]、干度、熱量等參數(shù)。計(jì)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(dòng)鍋爐蒸汽輸出有下限限制，因而采用閥門(mén)F7與F5配合用以分流進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的蒸汽總量，閥門(mén)F11與F12用來(lái)分流出一部分水用以提高標(biāo)定系統(tǒng)的蒸汽干度。

Fz和Fs為汽、水取樣裝置，用以檢驗(yàn)汽水分離器的分離效率。FD1為電動(dòng)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(jì)量比對(duì)裝置原理示意

圖2 蒸汽計(jì)量比對(duì)裝置現(xiàn)場(chǎng)工藝流程示意

3 汽水分離器效率驗(yàn)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(dá)不到設(shè)計(jì)要求，分離后的介質(zhì)仍然是兩相流，則計(jì)量數(shù)據(jù)不可靠。因此，需要對(duì)分離后的介質(zhì)是否為單相流進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 化學(xué)分析法

蒸汽狀態(tài)的水不含有氯離子，通過(guò)化驗(yàn)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(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1所列。

表1 氯離子化驗(yàn)結(jié)果 mg/L

續(xù) 表1

通過(guò)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(jì)算，其液態(tài)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.098%，即分離后的蒸汽干度為99.902%，達(dá)到了99.9%的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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(jì)區(qū)間，即可保證液中不含氣體。分離器的液位設(shè)計(jì)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(shí)會(huì)發(fā)生少量波動(dòng)，滿足了設(shè)計(jì)要求，可以保證水中沒(méi)有氣體[9-10]。汽水分離器的液位趨勢(shì)變化如圖3所示。

圖3 汽水分離器的液位趨勢(shì)示意

相態(tài)驗(yàn)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(jì)進(jìn)行計(jì)量。

4 試驗(yàn)結(jié)果

鍋爐流量為移動(dòng)鍋爐來(lái)水質(zhì)量流量，由鍋爐自帶孔板流量計(jì)測(cè)量；鍋爐干度采用手持電導(dǎo)率儀進(jìn)行測(cè)量[11]；平均干度、平均流量為標(biāo)定裝置2 h內(nèi)測(cè)量結(jié)果的算術(shù)平均值，2個(gè)/s采集點(diǎn)，如圖4所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，質(zhì)量流量、干度相對(duì)偏差在5%以內(nèi)。

圖4 質(zhì)量流量和干度實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)偏差示意

5 結(jié)束語(yǔ)

從圖4可以看出，實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的流量、干度相對(duì)于鍋爐進(jìn)水量與鍋爐化驗(yàn)干度的偏差在5%以內(nèi)。由于鍋爐進(jìn)水量、干度測(cè)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(jī)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(zé)任公司，長(zhǎng)期從事油田自動(dòng)化產(chǎn)品的研發(fā)以及稠油熱采注汽計(jì)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。