蒸汽干度测量方法概述

邱丽灿，张轮亭

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 塘沽 300452)

分析测试

蒸汽干度测量方法概述

邱丽灿，张轮亭

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 塘沽 300452)

热注蒸汽开采稠油时，蒸汽干度是一个关键的参数，它不仅会影响锅炉的安全运行，也会直接关系到稠油的开采效率。介绍了油田热注蒸汽干度测量方法，阐述了各种测量方法的原理、特点及应用情况，并展望了油田热注蒸汽干度测量方法的发展趋势。

热注蒸汽；干度；测量方法

热注蒸汽开采稠油采用的是湿饱和蒸汽，是目前成本较低、效率较高的方法。湿饱和蒸汽是一种两相流，它的压力和温度不是相互独立的参数，所以只通过压力或温度不能确定湿蒸汽的状态，通常用干度来表示湿蒸汽的状态[1]。蒸汽干度是指单位质量湿蒸汽中饱和蒸汽所占的比例，水饱和时蒸汽的干度为零，蒸汽饱和时干度为100%[2]。干度过低，不能满足后续工艺对工质的要求；干度过高，水中的盐分易于附着于炉管壁上，使炉管结垢，降低锅炉热效率，影响设备安全运行。干度是表征蒸汽特性的重要参数，注汽井根据干度测量结果可确定正常生产时需要的蒸汽量和注汽时间，这对油田计算采油效率有重要的意义[3]。为保证稠油热采的效率以及注汽锅炉的稳定运行，快速、准确测量注汽锅炉出口处湿蒸汽干度成为当今气液两相流学界研究的热点，近年来，国内外很多专家学者对干度测试进行了大量研究。本文主要对这些研究方法进行综合介绍，并展望其发展趋势。目前，蒸汽干度测量方法主要有人工化验方法、热力学法、非热力学法和数学模型法。

1 人工化验方法

人工化验法是通过对锅炉中炉水取样，再根据水中的盐与石蕊试液接触时会变色的原理测出水中盐含量，由公式：干度=（炉水盐含量-生水盐含量）/炉水盐含量，求出蒸汽干度，是应用较早的一种干度测量方法[3]。此方法简单，易于操作，精确度相对较高，但分析时间滞后，不能及时反映现场生产情况，测量结果还会由于操作精细程度、熟练程度带来误差[4]。

2 热力学法

热力学法采用的是与热力学有关的理论来测量蒸汽干度的。热力学法主要有节流法、混合法、加热法、相分离法、凝结法等，这类方法均属于抽气取样法，对取样方式要求较高[5]。

2.1 节流法

节流法是利用孔板与临界流量节流器来测量蒸汽干度的。临界流量节流器位于蒸汽井口入口处，控制蒸汽注入流量，但它无法直接测量出干度值，需要和孔板共同作用，孔板位于节流器的上方，进行二次测量，通过联立关联式求解独立的质量流量方程式，计算蒸汽干度[6,7]。美国Texaco 公司成功的在加利福尼亚克恩河油田蒸汽驱中进行了试验，现场结果证明此方法适用可行，测量的蒸汽干度精度为正负 5个干度点[6]。蒸汽干度测量装置示意图如图1所示。

图1 节流法蒸汽干度测量装置Fig.1 Throttling method measure stream dryness device

2.2 混合法

混合法是将采取的试样放入一混合室内，绝热条件下与外界引进的热空气充分混合，使混合后的空气中水分含量尚未达到饱和，根据质能守恒定律推导出干度的表达式，混合法原理图如图2所示，其中t1为1-1截面入口处温度，2-2截面处压力为p2，温度t2，质量流量w2，3-3截面处压力为p3，温度t3，质量流量w3，这种方法不需要测量流量，误差较小，但为确保管道出口处空气中水分含量未达到饱和，必须送入大量的空气，这便增加了测试的难度[5]。张海鹏、龚圣捷等人[8]采用混合法测量了水、蒸汽两相流的干度，文中介绍了干度测量原理及实验操作方法，并通过计算得出水、蒸汽两相流的干度，该方法简单，实用性强。

图2 混合法原理图Fig.2 Mixed method schematic diagram

2.3 加热法

加热法是利用特定的装置，把待测湿蒸汽试样加热成过热蒸汽，然后测量其压力和温度从而确定对应温度下的焓值，同时测量待测蒸汽试样的质量及加热成过热蒸汽需要的热量，再通过查表确定取样点一定压力下的饱和蒸气焓值，从而计算出蒸汽干度值[3]，但加热量及蒸汽试样的质量是待测参数，由于散热等因素的影响，误差将会很大，修正工作也很复杂，加热法测量原理图如图 3所示[5]。苏云龙、王新军等人[9]对加热法测量湿蒸汽湿度的误差分析做了深入的研究，文中介绍了加热法测量湿蒸汽湿度的测量原理，推导了湿度的计算公式，并编程计算了算例，分析了测量误差，为后人使用该方法提供了宝贵的经验，该方法设备简单、测量精确度高。

图3 加热法测量原理图Fig.3 Heating method schematic diagram

2.4 相分离法

相分离法是一种应用最早的汽液两相流干度测量方法，由于汽液两相流密度不同，可将液相和汽相分离，再分别测量各相流体的质量流量，从而得到蒸汽的干度。目前，利用此方法可以实现在线测量，且方法简单，但是缺点是汽液两相无法被完全分离，特别是对油田油井注入的湿蒸汽分离效果更差[3]。王栋、林宗虎[10]主要利用三通的相分离特征测量了汽液两相流的干度，通过测量被分离出来的单相气体来确定气液两相流的干度，简化了复杂两相流干度的测试过程，并通过对测量设备的改进，测量精度大幅度提高。图4为T型三通示意图，X1、X2、X3分别为主管入口、直通支管出口、侧支管出口干度；G1、G2、G3分别为主管入口、直通支管出口、侧支管出口入口质量流速。

图4 T型三通示意图Fig.4 T type tee schematic diagram

2.5 凝结法

凝结法与加热法测量原理相反，它是将待测蒸汽通到一个绝热的间壁式冷却器中，与冷却水换热，使蒸汽凝结成水，测量一定时间内冷却水吸收的热量、凝结水温度和质量[3]，根据热力学原理及能量平衡方程可以计算出蒸汽的干度。此方法需要测量抽气量、冷却水量，会给测量结果带来一定的误差，修正也是很麻烦的，图5为凝结式量热计原理图[5]。李世武、康芹、霍文达[11,12]研制了凝结式蒸汽干度测量装置，以静态混合法测量干度为基准依据，对凝结式蒸汽干度测量装置精度进行了分析，通过现场实验测试，验证了凝结式蒸汽干度测量装置的工程实用性。

图5 凝结式量热计原理图Fig.5 Condensation schematic diagram

3 非热力学法

非热力学法主要有光学测量法、微波测量法、放射法、电导率法、示踪法、临界速度法等。

3.1 光学测量法

光学测量法是根据光线对湿蒸汽折射率的响应，通过对蒸汽中气液两相折射率采样、分析，得到气液两相比例、密度，由折射率的响应进一步计算得出其干度，采用此方法测量蒸汽干度，干扰度较小，且测量范围大，可以无间断输出待测蒸汽中气液两相体积比例信息，据此可直接判断蒸汽的物性，折射率调制原理图如图6所示，Io入射光强度，IR反射光强度，i入射角。目前稠油热采中已采用光学测量法测量蒸汽的干度，并且实际测量结果与油田注汽情况一致[13]。梁培、余建军等人[14]进行了蒸汽干度光学折射率法的测量研究，研制了相应测量装置，通过实验室测试分析，并在温度160 ℃，压力0.6 MPa的锅炉输气管道中运用，测试结果与锅炉的输气过程相吻合，为以后的推广和应用奠定了基础。

图6 折射率调制原理图Fig.6 Refractive index schematic diagram

3.2 微波测量法

微波测量法是根据谐振腔内介质介电常数的变化会使腔内谐振频率发生变化来测量蒸汽干度的。由于湿蒸汽是气液两相混合物，并且存在相变，当湿蒸汽经过微波谐振腔时，会导致介电常数发生变化，谐振腔就会受到微扰，频率发生偏移，一定压力或温度下，湿蒸汽介电常数与干度有关，进而确定蒸汽干度[15]。祝晓燕、王继选等人[16]研究了微波测量法在湿度测量中的应用，介绍了微波法测量原理，通过测试水的介电常数，即可以间接得到湿蒸汽干度；韩中合、田松峰[17]的蒸汽湿度微波谐振腔微扰测量法的研究中介绍了测量原理，进行了湿蒸汽发生器与过热蒸汽中膨胀产生的湿蒸汽进行了测量，通过与计算值比较，测量误差小于 1%，精度高，测试系统简单，谐振腔微扰测量法测量蒸汽干度系统如图7所示。

图7 谐振腔微扰测量法测量蒸汽干度系统Fig.7 Resonant cavity disturbance measure Stream dryness

3.3 放射法

放射法是利用中子密度计与流量计来测量蒸汽干度的，它是根据氢密度对中子的衰减性以及热中子散射敏感性较高这一原理来测量蒸汽干度的，中子密度计原理图如图8所示。此方法现场使用方便，但是该设备成本较高、操作繁琐，并且会对环境造成严重污染，长期使用测量精度就会因中子辐射积累下来的影响而下降[3,6,18]。

图8 中子密度计原理图Fig.8 Neutron densimeter schematic diagram

3.4 电导率法

电导率法是根据蒸汽的电导率与添加物的浓度有一定比例关系来测量蒸汽干度的方法。添加物可以是湿蒸汽中原有的，通过测量锅炉给水与锅炉水的导电率，便可以计算出蒸汽干度；添加物也可以是额外添加的，如一些易溶于水且能形成离子的气体，这些气体溶于水后产生的离子能够改变蒸汽的导电性，因此直接测量电导率就不准确了，通常需要将蒸汽冷凝、除气后，再测量其电导率，并确定凝结水中的离子浓度，然后与锅炉给水中的离子浓度进行比较，即可以得到蒸汽的干度[3,5]。此方法工业中应用的相对广泛，有必要进一步完善和研究，其主要突破方向应在取样和去除可溶气体及消除导电杂质等方面影响。赵建华[19]在油田注汽锅炉干度控制系统中对油田注汽锅炉给水和浓缩水的电导率进行在线测量，进而计算出干度，并实现自动控制系统，油田注汽锅炉蒸汽干度控制系统图如图9所示，A1给水含盐量，A2炉水含盐量，X蒸汽出口干度，实验表明系统运行可靠，精度达标，可在油田系统中推广应用。

图9 油田注汽锅炉干度控制系统Fig.9 Stream dryness control system of stream-injection boiler

3.5 示踪法

示踪法有两种，一种是化学离子示踪法，一种是放射性元素示踪法，示踪法可用于蒸发器和锅炉的蒸汽干度测量，其原理是在锅炉给水中添加某种化学物质或放射性物质，水在高温下会蒸发，被带入蒸汽中的水滴里会溶入添加物的离子或放射性元素，而蒸汽的干度与给水中添加物的浓度与冷凝器中添加物的浓度有一定比例关系，根据两处示踪物的浓度，便可以确定蒸汽干度。此方法仅适用于距离锅炉和蒸发器出口处较近的蒸汽干度的测量；对于远距离输送，温度会降低，干度也会受到影响，示踪法就不再适用了[5]。脉冲中子活化（PNA）技术[20]是首先应用在流动测量中的，这是一种非扰动示踪技术，在充满水的相同规格管子中，每个脉冲的活化量为已知时，则通过PNA技术便可测得各相流速和截面含汽率，根据这些数据即可计算出蒸汽干度，该方法不需要取样，误差减小，但操作相对复杂，设备造价较高，目前仅于实验研究中使用，PNA测量原理如图10所示。

3.6 临界速度法

临界速度法是利用水和蒸气混合物在流经一个音速喷嘴时存在一个临界流速的现象来测量蒸汽干度的，临界流速是干度的函数，根据预先标定好的干度与临界流速的关系曲线就能得到蒸汽的干度。由于临界流速对压力变化特别敏感，因此必须修正由于压力变化而给干度带来的影响，阻力问题较大程度上限制了临界速度法的使用，一般只能用于压力损失无要求的场合，例如油井出口的油气计量、核泄漏分析等[21,22]。文献[21,22]介绍了该方法在测量水及水蒸气混合物干度方面的应用。

图10 PNA测量原理图Fig.10 PNA schematic diagram

4 数学模型法

数学模型法测量湿蒸汽干度是将人工神经网络理论、模糊数学方法、数据库技术、信号处理技术及计算机技术等引用到蒸汽其他参数的测试，利用这些参数与蒸汽干度的关系便可测量蒸汽干度，主要有软测量模型法和辽宁石油化工大学课题组首次提出的体积变化式干度测量技术[3]。

4.1 软测量法

软测量法是根据某种最优理论规则，把易测的蒸汽状态参数作为输入参数，再通过计算机对蒸汽干度进行计算测量。该测量法是利用辅助变量与主导变量之间的关系，估算出主导变量的值。在蒸汽干度测量中，干度可依据饱和蒸汽质量流量方程计算得出，软测量模型结构图如图11所示[23,24]。解仲坤[25]通过软测量法对辽河油田某监控系统采集的样本仿真研究，并将该软测量模型应用于饱和蒸汽流量测量中，证明了该软测量模型可以实时计算蒸汽干度， 干度软测量法精度高，适应性好。

图11 软测量模型结构图Fig.11 Block diagram of the soft sensing

4.2 体积变化式测量法

辽宁石油化工大学提出的体积变化式干度测量技术是利用锅炉给水被加热后在出口处成为湿蒸汽后其体积增加，出口处的干度与出口处的蒸汽体积成正比，水流量、燃料量、燃烧状况及地层压力等参数均能影响蒸汽干度，通过对注汽锅炉的蒸汽压力、蒸汽温度、锅炉给水温度与压力的测量，综合得到蒸汽体积的膨胀量，建立体积膨胀与干度之间的关系模型，计算得到注汽锅炉蒸汽的干度[3][26]。该技术的关键是如何测量注汽锅炉出口蒸汽的体积流量，此方法测量数据稳定，精度达±5%，同时具自洁功能，并在辽河油田锦州采油厂、欢喜岭采油厂、高升采油厂，测量效果良好。

5 结束语

本文介绍了一些常用的湿蒸汽干度测量方法，但这些方法仍存在一些实际问题，干度测量关键在于如何提高测量精度及实现在线干度检测等方面，研制出简单易行的陆地、海洋油田等领域干度测量方法及设备是亟待解决的问题。

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Measurement Methods of Stream Dryness

QIU Li-can，ZHANG Lun-ting
(CNOOC Energy Development Co., Ltd. Engineering and Technology Branch, Tianjin 300452，China)

During the process of stream-injection heavy oil production, stream dryness is a key point of secure and effective production. It has effect not only on security of the stream-injection boiler but also on the recovery efficiency of the heavy oil. The methods, theory, characteristics and application of stream dryness measurement in oil field were introduced; development tendency of stream dryness measurement method was discussed.

Stream-injection; Stream dryness; Measurement

TE 357

A

1671-0460（2016）03-0652-05

2015-09-14

邱丽灿（1981-），男，山东省兖州市人，工程师，2006年毕业于中国石油大学（华东）石油工程专业，研究方向：从事石油开采工艺及设备管理技术工作。E-mail：qiulc@cnooc.com.cn。