聯(lián)合式濕蒸汽流量干度測量技術(shù)在稠油熱采中的應(yīng)用

(大慶油田有限責(zé)任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司　黑龍江　大慶　163513)

0　引　言

目前，國內(nèi)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(xiàn)有常規(guī)注汽鍋爐大多采用直流鍋爐，為防止鍋爐管內(nèi)結(jié)垢，產(chǎn)生的蒸汽一般為干度0.8左右的濕蒸汽[2]。經(jīng)長距離輸運，蒸汽干度一般為0.4～0.7。為減少投資風(fēng)險、降低熱采成本和提高經(jīng)濟效益，需對注汽系統(tǒng)參數(shù)進行監(jiān)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(shù)。常規(guī)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(jiān)測的重點和難點。

傳統(tǒng)的單相流量計，如差壓式、變面積、渦街等，在濕蒸汽的計量應(yīng)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(fù)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(tǒng)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(shù)據(jù)。因此，需開發(fā)蒸汽干度、流量雙參數(shù)的在線測量技術(shù)，以進行注汽參數(shù)的實時監(jiān)測與控制。本文利用聯(lián)合式測量技術(shù)進行油田濕蒸汽的計量，可實現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的流量、干度雙參數(shù)輸出，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1　測量原理

差壓式流量計具有價格低廉、信號穩(wěn)定、量程比寬、物理意義清晰等優(yōu)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(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在蒸汽的計量中。雙V錐的組合測量方式，可通過聯(lián)立兩者壓降規(guī)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(xiàn)。雙V錐聯(lián)合式裝置示意圖如圖1所示。

圖1　雙V錐聯(lián)合式測量裝置示意圖

該測量系統(tǒng)由經(jīng)過標(biāo)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(zhuǎn)換并傳輸信號，標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA DC信號經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換成1～5 V電壓信號，進入高速數(shù)據(jù)采集卡。首先在工控機中根據(jù)壓力信號p調(diào)用IAPWS-IF97標(biāo)準(zhǔn)汽、水性質(zhì)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(shù)學(xué)模型計算出蒸汽干度值，將得出的干度值代入質(zhì)量流量方程求出瞬時質(zhì)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(lián)合式流量、干度測量原理。

對于V錐流量計，在單相蒸汽中，質(zhì)量流量與差壓、幾何尺寸的關(guān)系為

(1)

式中，Wm為質(zhì)量流量，kg/s；ε為可壓縮系數(shù) (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(shù)；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(shù)，下標(biāo)“G”代表蒸汽相。

公式(1)為V錐測量單相質(zhì)量流量公式，儀表系數(shù)K1為常數(shù)，但在濕蒸汽兩相流中，K1不再為常數(shù)，因此不能直接用公式(1)直接計算濕蒸汽的質(zhì)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(dǎo)致V錐輸出質(zhì)量流量偏高，我們把這種現(xiàn)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(guān)系。由于V錐直徑比不同，過讀因子-干度關(guān)系也不同，有

WmTP1/WmG1=f(x1)

(2)

WmTP2/WmG2=g(x2)

(3)

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，流經(jīng)兩V錐的蒸汽相質(zhì)量流量相同；管道經(jīng)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(jīng)兩流量計的濕蒸汽干度也相同，有

WmG1=WmG2

(4)

x1=x2

(5)

聯(lián)立式(1)～(5)，即可根據(jù)差壓信號、壓力信號，求解得到蒸汽干度、質(zhì)量流量和載熱量，同時對質(zhì)量流量和載熱量進行累積運算。重要參數(shù)實時存儲于數(shù)據(jù)路，作為歷史數(shù)據(jù)以備后期調(diào)用。系統(tǒng)通過D/A通道或標(biāo)準(zhǔn)通訊接口輸出干度、累積流量，供上位機使用。聯(lián)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(shè)備可在線測量濕蒸汽的流量和干度，可安裝到支路官網(wǎng)，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(huán)控制系統(tǒng)反饋信號，對濕蒸汽干度進行PID自動調(diào)節(jié)，以保證注汽鍋爐的穩(wěn)定運行及良好的蒸汽品質(zhì)，提高注汽鍋爐的熱效率。

2　數(shù)學(xué)模型及修正

2.1　數(shù)學(xué)模型

過讀的汽相質(zhì)量流量為

(6)

式中，下標(biāo)“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(shù)，下標(biāo)“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(fù)雜性，應(yīng)用簡單的分相模型計算式所得結(jié)果，往往和實際值相差較多。林宗虎[6]以分相流模型為基礎(chǔ)，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(shù)據(jù)對式(9)、式(10)進行標(biāo)定，得到系數(shù)θ1和θ2。標(biāo)定方法如下：對鍋爐水量進行電子稱重，得到蒸汽累計質(zhì)量流量，進而計算得濕蒸汽瞬時質(zhì)量流量。利用人工化驗法測得真實干度，可得蒸汽相的質(zhì)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(zhì)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(zhì)計算模型。

2)根據(jù)蒸汽等熵指數(shù)的變化，對可膨脹系數(shù)進行補償，提高了測量精度[8]。

3)根據(jù)濕蒸汽雷諾數(shù)的變化，對流量系數(shù)C隨雷諾數(shù)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(jié)流裝置進行了標(biāo)定。

3　現(xiàn)場測試

在大慶油田采油N廠，將測試設(shè)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(shè)備的測量誤差。

在現(xiàn)場測試時間段內(nèi)，通過人為調(diào)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(shè)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(guān)性，分別如圖3和圖4所示。

圖3　蒸汽流量對比

對測試數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果如下：

質(zhì)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(jié)　論

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

2)聯(lián)合式濕蒸汽干度、流量雙參數(shù)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(lián)合式濕蒸汽干度、流量雙參數(shù)測量裝置可應(yīng)用于所有油田濕蒸汽計量系統(tǒng)，具有較高推廣應(yīng)用價值。

[1] 王大為, 周耐強, 牟凱. 稠油熱采技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)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(xué)會多相流學(xué)術(shù)會議. 1996:11-14.

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

[4] 蘇玉亮, 高海濤. 稠油蒸汽驅(qū)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(yōu)化設(shè)計[D]. 天津：天津大學(xué)，2015.