V錐流量計在測量蒸汽干度中的應用案例分析

      石油開采工業中，關于稠油開采已成為我國石油開采的重要部分，目前采用的注蒸汽開采手段有蒸汽吞吐和蒸汽驅動兩種方法。油田注汽采用的是濕飽和蒸汽，即汽、水兩相混合物，蒸汽干度指單位質量內飽和蒸汽占濕蒸汽的質量百分數。蒸汽干度越高說明能量的利用率越高，采油效率也相應提高。蒸汽干度過低會影響熱采效率，而蒸汽干度過高則管壁易結垢，不僅浪費熱量，影響熱量傳遞，也可能引起鍋爐爆管。注汽鍋爐控制系統的核心是蒸汽干度控制系統，因此對蒸汽干度的精確測量意義重大。傳統干度測量方法通常采用人工化驗法，在油田熱注作業中被**采用，該方法的測量精度較高，但需要每隔幾個小時就進行一次測量，因此相關人員的勞動強度較大，而且測量數據的隨機性較強、穩定性差。

      本文針對稠油開采過程中采用人工化驗法進行蒸汽干度測量時，隨機性強且穩定性差的缺陷，采用V 錐流量計結合流體體積變化法測量蒸汽干度，在線監測蒸汽干度及蒸汽壓力等參數。通過分析蒸汽干度與蒸汽壓力以及V 錐流量計測得的壓差之間的關系，證實蒸汽壓力、流量和壓差是影響蒸汽干度的主要因素，得出蒸汽干度與壓差值成近似一次函數關系的結論。關鍵詞V 錐流量計流體體積變化法蒸汽干度蒸汽壓力等效直徑比

　　筆者將V錐流量計運用到稠油注汽測量過程中，在線實時檢測蒸汽干度及蒸汽壓力等參數的變化，實現蒸汽干度的連續測量，以提高測量效率，及時反映注汽鍋爐的運行情況，同時降低工人的勞動強度。
　　1 V 錐流量計簡介＊
　　V 錐流量計具有壓力損失小、可靠、精度高及對前/后管段要求低等特點，既可以測量氣體又可以測量液體的體積流量［2，3］。其主要組成部分是
無縫鋼管、內部節流錐體以及錐體與鋼管的連接部分，錐體前端和錐體大節流處各有一個取壓口，來流方向為高壓取壓口( 即錐體**) ，另一個為低壓取壓口，試驗用V 錐流量計的結構如圖1 所示。
 

　　圖1 V 錐流量計結構示意圖
　　2 V 錐流量計的測量原理
在流量計的應用中，直徑比是一個重要參數。對于V 錐流量計而言，流體流經的空間為一個圓環，需將此圓環的面積等效為圓面積，此圓面積與圓環面積相等，因此V 錐流量計的直徑比是一個等效直徑比。設管道內徑為D，節流錐體大節流處橫截面的直徑為d，則等效直徑比β 的計算式為:

　　3 蒸汽干度檢測系統
　　筆者設計的蒸汽干度檢測系統由V 錐流量計、差壓變送器、壓力變送器、溫度傳感器、PLC 和PC 機組成。該試驗在某采油廠熱注站進行，將現場工況檢測所得數據與實驗室流量計流量標定系統標定所得的V 錐流量計測得的流量進行對比，二者的誤差在0． 8%以內。熱注站有一臺額定蒸汽流量為23t 的注汽鍋爐，其額定壓力為17． 5MPa，由于鍋爐使用年限已久，在實際應用中將高蒸汽流量設為18t /h，額定壓力設為16． 5MPa。
給水被鍋爐加熱后成為濕蒸汽，其質量不變，但在出口處體積增加，由于出口處的蒸汽干度與蒸汽體積成正比，鍋爐給水流量、燃料供給壓力、燃燒器燃燒狀況及蒸汽壓力等參數均對蒸汽干度產生影響［4］。在鍋爐給水入口和蒸汽出口處均安裝V 錐流量計，通過對采油注汽鍋爐的蒸汽壓力、蒸汽溫度、鍋爐給水溫度、壓差和壓力這些參數的測量，結合以上各個參數得到蒸汽體積膨脹量，由PLC 對以上測得的參數進行計算，得到注汽鍋爐的蒸汽干度［5］，其關系式如下:
 

　　4 試驗過程
　　稠油開采注汽鍋爐蒸汽干度檢測系統的試驗裝置由注汽鍋爐、V 錐流量計( 檢測段) 、差壓變送器、壓力變送器、溫度傳感器、PLC 及PC 機等組成［6］。檢測段為V 錐流量計( 內徑73mm，等效直徑比0． 72) ，內部V 錐是節流裝置，整個檢測段安裝在注汽鍋爐的蒸汽出口處，與蒸汽管線串聯，檢測段共兩個引壓口，來流方向為高壓取壓端，另一個為低壓取壓端，蒸汽流經檢測段，壓力由檢測段引壓口導出。壓力變送器連接到檢測段高壓引壓口上，差壓變送器連接到兩個引壓口上，得到高壓取壓口與低壓取壓口的壓力差。連接過程需要注意高、低壓引壓端的連接方向，溫度傳感器安裝在檢測段前端管線處，壓力變送器、差壓變送器、溫度傳感器分別與PLC 和PC 機連接，將測得的信號輸入PLC，檢測段參數在程序中設置好，蒸汽體積流量由式( 1) 、( 4) 求出，將鍋爐給水流量、溫度、蒸汽壓力和檢測段壓差作為輸入量，以蒸汽干度作為輸出量。
注汽鍋爐產生的蒸汽經過鍋爐出口管線流經檢測段，在檢測段處通過壓力變送器和差壓變送器得到壓力與壓差，溫度由熱電偶測得。試驗所用鍋爐的蒸汽流量為18t /h，試驗過程中分別調節蒸汽流量為15、16、17、18t /h，油田為了提高采油效率，蒸汽干度一般控制在75%; 試驗過程中蒸汽干度由60%升至80%，每間隔約5% 作為一個干度監測點，由V 錐流量計在取壓口測得對應干度下的壓力和溫度［7，8］。人工化驗法檢測蒸汽干度χ 的計算式為:
 

本試驗以人工化驗方法連續檢測得到的蒸汽干度作為參照，將參照值與筆者設計的V 錐流量計檢測系統得到的干度值作對比，具體的對比曲線如圖2 所示，可以看出通過V 錐流量計檢測系統測得的蒸汽干度具有較好的準確性，其誤差在3%以內，可以實現較為精確的在線測量，得到蒸汽干度與蒸汽壓力的連續關系，及時反映蒸汽干度的變化情況和對應的蒸汽壓力。

　　圖2 蒸汽干度的人工化驗值與V 錐
流量計檢測值對比曲線注汽鍋爐出口蒸汽干度與壓力的關系如圖3所示，蒸汽壓力對蒸汽干度的影響很大，蒸汽干度隨著壓力的升高而增大，對于不同的蒸汽流量都存在一個蒸汽壓力，在低于該壓力值的情況下，蒸汽干度隨蒸汽壓力的升高變化不大，超過此壓力值時蒸汽干度隨蒸汽壓力的升高增加很快。由于蒸汽干度較低時壓力也很低，干度對蒸汽的影響不明顯，曲線出現交叉; 隨著時間的推移，油井注汽量逐漸增大，井壓也隨之變化，導致不同蒸汽流量在相同壓力下具有相同的蒸汽干度。
 

　　圖3 蒸汽干度與蒸汽壓力的關系曲線
蒸汽流量對蒸汽干度的影響也很大，在相同壓力時，蒸汽流量越大蒸汽干度越低。當蒸汽干度相同時，對于不同的蒸汽流量，需要的蒸汽壓力也不相同; 對于同一蒸汽干度，蒸汽壓力隨蒸汽流量的升高而升高，注汽鍋爐的額定壓力決定了蒸汽流量。由圖4 可以看出，在同一蒸汽流量下蒸汽干度與壓差成近似一次函數關系，蒸汽干度隨檢測段壓差的增大而增大，不同蒸汽流量下蒸汽干度與壓差形成的曲線為近似平行直線。將蒸汽干度以5%為間隔，從60%調節到80%，蒸汽壓差的變化范圍為7． 08 ～ 12． 04kPa，蒸汽流量每提高1t /h，在達到相同干度的情況下壓差變化相近。壓差與干度的這種對應關系對于估計蒸汽干度能提供一定的參考。
 

　　圖4 蒸汽干度與壓差的關系曲線
　　5 結束語
　　筆者設計的稠油開采注汽鍋爐蒸汽干度V錐流量計檢測系統已投入實際應用，能夠對注汽鍋爐的給水量和出口蒸汽流量進行實時、精確測量; 對影響蒸汽干度的蒸汽壓力、蒸汽流量及壓差等重要參數進行數值計算，通過調節參數，對于單一油井蒸汽干度實現了準確測量。蒸汽干度與V錐流量計測得的壓差具有近似的一次函數關系，在注汽鍋爐運行過程中對其壓力及壓差等參數進行實時監測與調節，保障注汽鍋爐的安全運行，對稠油開采的持續、穩定進行具有重要意義。

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