選擇V錐流量計產品在蒸汽干度計量中的好處
摘要：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(wěn)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(jiān)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。
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［1］。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(tǒng)的核心是蒸汽干度控制系統(tǒng)，因此對蒸汽干度的測量意義重大。傳統(tǒng)干度測量方法通常采用人工化驗法，在油田熱注作業(yè)中被廣泛采用，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(wěn)定性差。
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(xiàn)蒸汽干度的連續(xù)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(jié)流錐體以及錐體與鋼管的連接部分，錐體前端和錐體***大節(jié)流處各有一個取壓口，來流方向為高壓取壓口( 即錐體***尖端) ，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。
＊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(jié)流錐體以及錐體與鋼管的連接部分，錐體前端和錐體***大節(jié)流處各有一個取壓口，來流方向為高壓取壓口( 即錐體***尖端) ，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(huán)，需將此圓環(huán)的面積等效為圓面積，此圓面積與圓環(huán)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(jié)流錐體***大節(jié)流處橫截面的直徑為 d，則等效直徑比 β 的計算式為:
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(huán)，需將此圓環(huán)的面積等效為圓面積，此圓面積與圓環(huán)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(jié)流錐體***大節(jié)流處橫截面的直徑為 d，則等效直徑比 β 的計算式為:
計算式為
式中 s1———錐體***大節(jié)流處橫截面積，
mm2;s2———管道內橫截面積，
mm2。根據連續(xù)性方程和伯努力方程推導出鍋爐給水量 qv的計算式為:
qv的計算式
由于在取壓口處測得的壓差是一個瞬時值，而式( 2) 中的 Δp 是靜壓力?？紤] V 錐連接部件對壓差的影響，以便對壓差進行修正; 同時針對蒸汽這種可壓縮流體引入膨脹系數 ε，對密度進行修正，經修正后得到流體體積流量的計算式為:
流出系數 C 為實際流量與理論流量的比值，其計算式為:
經過修正后的流出系數 C =α槡ημ。
3、蒸汽干度檢測系統(tǒng)：
筆者設計的蒸汽干度檢測系統(tǒng)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(xiàn)場工況檢測所得數據與實驗室流量計流量標定系統(tǒng)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：
3、蒸汽干度檢測系統(tǒng)：
筆者設計的蒸汽干度檢測系統(tǒng)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(xiàn)場工況檢測所得數據與實驗室流量計流量標定系統(tǒng)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：
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(tǒng)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(jié)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(lián)，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(jié)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% ，
稠油開采注汽鍋爐蒸汽干度檢測系統(tǒng)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(jié)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(lián)，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(jié)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(jiān)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:
式中 a、b———爐水與生水消耗硫酸的體積，m L。本試驗以人工化驗方法連續(xù)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(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)較為的在線測量，得到蒸汽干度與蒸汽壓力的連續(xù)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(xiàn)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(jié)到 80% ，蒸汽壓差的變化范圍為 7． 08 ～ 12． 04k Pa，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(tǒng)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、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(jié)參數，對于單一油井蒸汽干度實現(xiàn)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(jiān)測與調節(jié)，保障注汽鍋爐的安全運行，對稠油開采的持續(xù)、穩(wěn)定進行具有重要意義。
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(tǒng)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、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(jié)參數，對于單一油井蒸汽干度實現(xiàn)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(jiān)測與調節(jié)，保障注汽鍋爐的安全運行，對稠油開采的持續(xù)、穩(wěn)定進行具有重要意義。