联合式湿蒸汽流量干度测量技术在稠油热采中的应用

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司　黑龙江　大庆　163513)

0　引　言

目前，国内在稠油的开采中，普遍采用注汽热采方式[1]，需向油井注入高温高压的湿饱和蒸汽。现有常规注汽锅炉大多采用直流锅炉，为防止锅炉管内结垢，产生的蒸汽一般为干度0.8左右的湿蒸汽[2]。经长距离输运，蒸汽干度一般为0.4～0.7。为减少投资风险、降低热采成本和提高经济效益，需对注汽系统参数进行监测与控制，其中蒸汽干度[3]、注汽速度[4]和注汽压力是最重要的注汽参数。常规的注汽压力较方便测量，而注汽干度与注汽流量(速度)相互耦合，不能直接获得，是注汽监测的重点和难点。

传统的单相流量计，如差压式、变面积、涡街等，在湿蒸汽的计量应用中均会存在偏差，需要进行干度修正，而由于两相流型的复杂性和汽、液之间的相变，使得干度测量成为国际上一直没有解决好的一个难题。传统的人工化验法进行干度测量无法为蒸汽干度自动控制提供实时数据。因此，需开发蒸汽干度、流量双参数的在线测量技术，以进行注汽参数的实时监测与控制。本文利用联合式测量技术进行油田湿蒸汽的计量，可实现稳定、可靠的流量、干度双参数输出，具有广泛的应用前景。

1　测量原理

差压式流量计具有价格低廉、信号稳定、量程比宽、物理意义清晰等优势，其中的V锥流量计还因其特殊形状，具有抗上游强扰动、自清洁能力强等优点，被广泛应用在蒸汽的计量中。双V锥的组合测量方式，可通过联立两者压降规律，同时输出蒸汽干度和流量。该模型理论清晰，易在计算机中实现。双V锥联合式装置示意图如图1所示。

图1　双V锥联合式测量装置示意图

该测量系统由经过标定的不同直径比的V锥作为一次测量元件，高精度压力传感器、智能型差压变送器转换并传输信号，标准4～20 mA DC信号经I/V转换成1～5 V电压信号，进入高速数据采集卡。首先在工控机中根据压力信号p调用IAPWS-IF97标准汽、水性质模块计算出饱和水、饱和蒸汽的密度及比焓，然后将V锥输出的两个差压信号，输入数学模型计算出蒸汽干度值，将得出的干度值代入质量流量方程求出瞬时质量流量，再对时间积分得出累积流量。下面介绍V锥的测量原理及联合式流量、干度测量原理。

对于V锥流量计，在单相蒸汽中，质量流量与差压、几何尺寸的关系为

(1)

式中，Wm为质量流量，kg/s；ε为可压缩系数 (对于不可压缩流体，ε=1，对于可压缩流体，ε<1)；CD为流出系数；A为最小流通面积；β为等效直径比；ρ为流体密度；Δp为差压，Pa；K1为仪表系数，下标“G”代表蒸汽相。

公式(1)为V锥测量单相质量流量公式，仪表系数K1为常数，但在湿蒸汽两相流中，K1不再为常数，因此不能直接用公式(1)直接计算湿蒸汽的质量流量。由于湿蒸汽中有液滴存在，V锥输出差压(ΔpTP)会比单相蒸汽(ΔpG)时高，导致V锥输出质量流量偏高，我们把这种现象叫做“过读”。衡量这种“过读”的过读因子(OR=WmTP/WmG)与干度存在一定的关系。由于V锥直径比不同，过读因子-干度关系也不同，有

WmTP1/WmG1=f(x1)

(2)

WmTP2/WmG2=g(x2)

(3)

根据质量守恒定律，流经两V锥的蒸汽相质量流量相同；管道经良好保温处理，忽略沿程热量损失及压力损失，湿蒸汽无相变，流经两流量计的湿蒸汽干度也相同，有

WmG1=WmG2

(4)

x1=x2

(5)

联立式(1)～(5)，即可根据差压信号、压力信号，求解得到蒸汽干度、质量流量和载热量，同时对质量流量和载热量进行累积运算。重要参数实时存储于数据路，作为历史数据以备后期调用。系统通过D/A通道或标准通讯接口输出干度、累积流量，供上位机使用。联合式流量、干度测量原理图见图2。

图2　湿蒸汽流量、干度测量原理示意图

该设备可在线测量湿蒸汽的流量和干度，可安装到支路官网，也可安装到注汽锅炉的出口管路，通过AO通道输出4～20 mA信号，作为锅炉闭环控制系统反馈信号，对湿蒸汽干度进行PID自动调节，以保证注汽锅炉的稳定运行及良好的蒸汽品质，提高注汽锅炉的热效率。

2　数学模型及修正

2.1　数学模型

过读的汽相质量流量为

(6)

式中，下标“TP”代表湿蒸汽两相流。由分相流模型[5]，过读因子

(7)

式中，XLM为L-M参数，下标“G”和“L”分别代表蒸汽相和液相。由于汽液两相流体流过V锥时流型的复杂性，应用简单的分相模型计算式所得结果，往往和实际值相差较多。林宗虎[6]以分相流模型为基础，利用相似理论得到了下述形式的过读公式

OR=1+θ·XLM

(8)

可得两V锥的过读形式

WmTP1/WmG=θ1·XLM+1

(9)

WmTP2/WmG=θ2·XLM+1

(10)

通过若干组数据对式(9)、式(10)进行标定，得到系数θ1和θ2。标定方法如下：对锅炉水量进行电子称重，得到蒸汽累计质量流量，进而计算得湿蒸汽瞬时质量流量。利用人工化验法测得真实干度，可得蒸汽相的质量流量WmG。

由式(9)和式(10)，得湿蒸汽干度

(11)

由式(6) 、式(7)和式(11)得湿蒸汽质量流量

(12)

2.2　模型修正

为保证测量精度，在湿蒸汽流量、干度计算中，进行了如下补偿：

1)对湿蒸汽密度进行温度、压力的在线补偿，采用国际上最新的IAPWS-IF97[7]汽-水性质计算模型。

2)根据蒸汽等熵指数的变化，对可膨胀系数进行补偿，提高了测量精度[8]。

3)根据湿蒸汽雷诺数的变化，对流量系数C随雷诺数的变化进行补偿，提高测量精度。

4)为提高测量精度，组装前对节流装置进行了标定。

3　现场测试

在大庆油田采油N厂，将测试设备通过旁路安装于XX井，通过测量流量与锅炉给水流量之间的对比，以及测试干度与锅炉后人工化验干度的对比，考察设备的测量误差。

在现场测试时间段内，通过人为调整锅炉的给水量并控制锅炉火量，得到不同的湿蒸汽流量和干度，记录测试设备的输出蒸汽流量、干度及锅炉给水流量和人工化验干度。做给水流量和测试流量、化验干度和测试干度之间的相关性，分别如图3和图4所示。

图3　蒸汽流量对比

对测试数据进行分析，结果如下：

质量流量最大误差为4.4 %，流量偏差的绝对平均值为2.74%，干度的最大误差为3.6 %。

图4　蒸汽干度对比

4　结　论

1)利用蒸汽两相流测量理论，建立数学模型并进行相关温度、压力的在线修正，利用双V锥联合式测量装置进行湿蒸汽干度、流量的双参数测量。

2)联合式湿蒸汽干度、流量双参数测量精度可以满足油田集中注汽方式下的单井计量要求。

3)联合式湿蒸汽干度、流量双参数测量装置可应用于所有油田湿蒸汽计量系统，具有较高推广应用价值。

[1] 王大为, 周耐强, 牟凯. 稠油热采技术现状及发展趋势[J]. 西部探矿工程, 2008, 20(12):129-131.

[2] 罗毓珊, 陈听宽, 陈宣政,等. 湿蒸汽两相流流量的测量研究[C]//中国工程热物理学会多相流学术会议. 1996:11-14.

[3] 刘雨文, 徐宏国. 稠油热采注汽系统效率评价研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2014, 34(3):62-66.

[4] 苏玉亮, 高海涛. 稠油蒸汽驱热效率影响因素研究[J]. 断块油气田, 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] 刘伟光.基于流场分析的锥形流量计优化设计[D]. 天津：天津大学，2015.