湿饱和蒸汽两相流的测量与应用

2012-01-12朱承纲郜斌

石油化工自动化 2012年1期

朱承纲，郜斌

（辽河油田齐40块蒸汽驱项目部，辽宁盘锦124010）

流体测量在工业和科学研究试验中的应用广泛，但大多数流量计只能测量单相介质的体积流量。能同时测量湿饱和蒸汽两相流量及其干度和密度的质量流量计是人类正在努力攻克的难题。

1 油田采油注气安全计量的重要性

两相流湿饱和蒸汽的测量一直是油田采油注汽的重要环节。国内许多油田处于后期开发阶段，以辽河油田公司为例，大部分稠油主力区块已进入蒸汽吞吐后期开发阶段，稠油储藏已没有加密的余地，吞吐效果差。为了保持产量规模的稳定，注汽开采稠油技术已被公认为一种有效手段，但其汽－水两相流的计量问题至今还被认为是一个世界性难题。一炉一井的计量问题还可估算，一炉多井或数台炉子同走一条干线分注数口井的计量就存在问题。由于各井吸气能力或管线配置长短不一，注入到各井的蒸汽量和蒸汽质量相差很大。有的井注入热量太少，产油也少，甚至还可能不出油；而有的井注入量过大，造成能源浪费，严重者形成汽窜，为今后开采造成不可弥补的损失。由于注汽计量的不确定性，因此，汽－水两相流较为理想的安全准确计量成为油田急待解决的问题。

2 蒸汽质量的重要性

目前，蒸汽锅炉生产过程中的干度测量是靠人工检测和化验方式进行的。人工控制蒸汽干度时，需要有实践经验的锅炉工进行操作。即便如此，还需手动调节燃油、燃气量和风门的精度，但很难一次调准。因此，需要改变干度时的调整时间较长，即便调到所需要的干度值，由于各种因素的影响，该值在相对稳定后也会变化。为使锅炉安全生产，保证蒸汽质量，尚需人工不间断地检查、化验、调整，工作十分繁重，也存在安全隐患，生产效率低。而实现干度测量使锅炉生产自控成为可能。

湿饱和蒸汽是汽液两相流，尤其当干度低于70%时，其两相流的特征越趋明显，流体的状态更加复杂多变。这种复杂性及理论上的不完善，给两相流测量造成困难。因此，用于单向流体的流量计无法适应这种状态的测量。为解决这一难题，笔者作了大量研究工作，取得了阶段性成果。

3 旋转式整流装置

经过大量实践，笔者设计了一种旋转式整流测量装置，它对复杂的流体进行搅拌，改变其状态。如将汽－水状态搅拌均匀后，再经多孔管束调节整流装置进行整流，最终达到或基本接近单相流的状态，使之满足流量计的测量要求。一般情况下，大于80%的饱和蒸汽的流动状态满足单相流的测量要求，但随着干度的下降，单相流体向多相流体转变，特别是干度低于75%时，多相流的复杂状态开始凸显。即干度越低，两相流的复杂性和不确定性越突出，以致使流量计无法测量。

实践验明，该旋转式整流装置在干度大于50%的条件下，能使流量计较稳定地工作，基本达到或满足现场使用要求。

4 干度定值补偿和温度在线补偿

经旋转式整流装置处理后的流体，笔者采用了高温高压型电容式涡街流量计，其特点是抗振性能强、耐高温和抗冲击能力较强，适应流体各种复杂的干扰，工作稳定。

众所周知，流量计一般测得的是体积流量，只有测得流体的密度，才有办法测得其质量流量。饱和蒸汽的密度与介质的压力或温度呈对应关系，而湿饱和蒸汽则不然。在同一个测量时间点测量密度，必须要同时测量干度值和温度值或压力值。很显然，干度的测量是整个测量过程中的难点，在无有效办法测量干度的情况下，笔者采用干度定值补偿法解决了该难题。该补偿法是在大致确定的干度变化范围内取平均值，将其输入CPU，通过下列运算达到测量目的。

式中：qm——蒸汽质量流量，t／h；K——流量计的仪表系数；f——流体产生的频率；CV′——饱和水比容；CV——干饱和蒸汽比容；X——干度。

式中引入了系数K。由于湿饱和蒸汽的特性，该系数虽经过旋转整流装置的处理，但它并不完全表明单相介质的特性。因此，原仪表系数不能代表湿饱和蒸汽。在大量实验的基础上，得到不同干度范围的系数K。

由现场数据的多次采集看出，对油井注汽的高压湿饱和蒸汽的计量误差主要表现在：现场蒸汽温度变化造成的误差，其范围为280～325℃；现场蒸汽干度造成的误差，其范围为72%～78%。温度变化造成的误差通过流量仪表自身所带的温度传感器直接进行补偿解决；而第二种情况，只能通过定值干度进行补偿，定值干度的取值直接决定了流量仪表的综合误差限。从现场多次采集数据观测，现场蒸汽的干度值变化比较稳定，这为实现定值干度补偿奠定了基础。现场采集的蒸汽在不同干度及温度下的密度见表1所列。