油田注汽蒸汽干度計(jì)量技術(shù)分析

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摘要：注蒸汽熱采是稠油開發(fā)中普遍采用的助采方式，注入蒸汽的流量和干度直接影響油井的采出率，濕蒸汽是一種兩相流，濕蒸汽計(jì)量存在較大的技術(shù)困難。本文對(duì)比雙差壓、單孔板噪音、雙渦街等計(jì)量技術(shù)，經(jīng)過理論分析和實(shí)際應(yīng)用對(duì)比，總結(jié)出了多種蒸汽計(jì)量技術(shù)的特點(diǎn)和適用范圍。

關(guān)鍵詞：飽和濕蒸汽；兩相流；雙差壓；雙渦街

注蒸汽熱采是稠油開發(fā)和油田中后期開發(fā)中普遍應(yīng)用的助采方式，在遼河油田就存在蒸汽吞吐、SAGD、蒸汽驅(qū)多種蒸汽助采開發(fā)方式。注汽井注入蒸汽的流量和干度直接影響油井的采出率和油汽比，對(duì)單井注入蒸汽的流量和干度進(jìn)行比較準(zhǔn)確地測(cè)量和控制，有助于實(shí)現(xiàn)蒸汽的精細(xì)管理，在保證助采效果的情況下減少能源浪費(fèi)，提高熱采效率。濕蒸汽是一種兩相流，而且蒸汽狀態(tài)隨溫度、壓力的變化而變化，流量和干度的測(cè)量存在較大的技術(shù)困難。目前，國(guó)內(nèi)外研究的飽和濕蒸汽測(cè)量方法主要有：汽水分離法、雙差壓法、單孔板噪音法、雙渦街傳感器測(cè)量、單渦街測(cè)量法、渦街+V錐流量計(jì)閥法、等。由于濕蒸汽為兩相流，而且狀態(tài)不穩(wěn)定，目前濕蒸汽干度和流量測(cè)量沒有統(tǒng)一的、普遍認(rèn)可和廣泛適用的技術(shù)手段，每種技術(shù)手段都有其局限性和優(yōu)缺點(diǎn)。遼河油田稠油開采中，蒸汽助采是最重要的手段，經(jīng)過理論分析和實(shí)際應(yīng)用對(duì)比，總結(jié)出各種蒸汽計(jì)量技術(shù)的特點(diǎn)和適用范圍。

1技術(shù)比選

1.1雙差壓法測(cè)量技術(shù)

雙差壓法測(cè)量技術(shù)原理是將一標(biāo)準(zhǔn)孔板與一經(jīng)典文丘里管串聯(lián)于濕蒸汽管道中，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，流經(jīng)兩流量計(jì)的質(zhì)量流量相同，忽略沿程熱量損失及壓力損失，濕蒸汽無相變，則流經(jīng)兩流量計(jì)的濕蒸汽干度也相同。兩種差壓測(cè)量元件的流量計(jì)算公式不同，從而計(jì)算出蒸汽流量和干度。兩質(zhì)量流量方程中只有質(zhì)量流量qm與干度x兩個(gè)未知數(shù)，聯(lián)立以上方程求解，即可得出x值。將得出的干度值x代入質(zhì)量流量方程求出瞬時(shí)質(zhì)量流量，再對(duì)時(shí)間積分得出累積質(zhì)量流量、載熱量。標(biāo)準(zhǔn)孔板與經(jīng)典文丘里管組合的雙差壓法飽和濕蒸汽干度測(cè)量方法詳細(xì)計(jì)算公式如下：以上計(jì)算公式僅為簡(jiǎn)易、理論公式，經(jīng)過理論計(jì)算與大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到比較準(zhǔn)確的計(jì)算模型。

1.2單孔板噪音法測(cè)量技術(shù)

單孔板噪音法測(cè)量原理是：飽和濕蒸汽的兩相流流過孔板時(shí)，孔板對(duì)液相產(chǎn)生阻滯和脈沖噴放，孔板前后壓差會(huì)產(chǎn)生一定的脈動(dòng)“噪音”，噪音強(qiáng)度、頻率與飽和濕蒸汽的流量、干度密切相關(guān)，通過大量實(shí)驗(yàn)建立不同干度下孔板噪音頻率的數(shù)據(jù)模型。單孔板噪音法測(cè)量裝置降低差壓變送器的阻尼系數(shù)、提高檢測(cè)頻率，從而可以檢測(cè)到差壓脈動(dòng)噪音的幅值和頻率，計(jì)算孔板前后壓差的方根均值和差壓噪音方根均值，利用噪音頻率模型和IAPWS-IF97汽、水性質(zhì)模塊計(jì)算出飽和濕蒸汽的流量和干度。

1.3雙渦街法測(cè)量技術(shù)

普通的渦街流量計(jì)通常用于測(cè)量單相介質(zhì)的流量，為了能夠用于測(cè)量?jī)上嗔?，在渦街流量計(jì)前設(shè)置混相整流器，使高溫高壓飽和濕蒸汽中氣相和液相均勻混合，在管路上串聯(lián)兩臺(tái)渦街流量計(jì)，一臺(tái)選用普通渦街流量計(jì)測(cè)量旋渦頻率得出蒸汽的體積流量；一臺(tái)選用升力式渦街流量計(jì)，測(cè)量旋渦的幅值得出蒸汽的質(zhì)量流量qm。渦街流量計(jì)內(nèi)自帶告訴處理器，通過組合兩臺(tái)流量計(jì)信號(hào)，經(jīng)過運(yùn)算IAPWS-IF97汽水性質(zhì)模型，就可以得到蒸汽的平均密度ρ流量q和干度x：

1.4感應(yīng)式單渦街法測(cè)量技術(shù)

為降低蒸汽測(cè)量的成本，有的廠家研制了能夠同時(shí)測(cè)量旋渦頻率和旋渦幅值的感應(yīng)式渦街流量計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)單渦街測(cè)量蒸汽流量和干度，測(cè)量原理與

雙渦街測(cè)量方法相同。

1.5渦街+錐形流量計(jì)復(fù)合法測(cè)量技術(shù)

渦街+錐形流量計(jì)測(cè)量法在一個(gè)管段內(nèi)設(shè)置混相裝置、渦街流量計(jì)、錐形流量計(jì)及壓力、差壓、溫度變送器，利用渦街流量和錐形流量計(jì)不同的體積流量計(jì)算公式計(jì)算得到蒸汽流量、干度；同時(shí)利用差壓信號(hào)體現(xiàn)的兩相流信息，進(jìn)行補(bǔ)償和修正（原理同單噪音法）。

2實(shí)際應(yīng)用

遼河油田蒸汽注采應(yīng)用十分廣泛，經(jīng)過對(duì)不同工況下各種蒸汽干度計(jì)量裝置的應(yīng)用情況，總結(jié)分析了各種蒸汽計(jì)量技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。（1）雙差壓法測(cè)量技術(shù)的數(shù)學(xué)模型適用于一個(gè)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)計(jì)量管道系統(tǒng)，對(duì)每次測(cè)量均假定整個(gè)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，系統(tǒng)的參數(shù)變化應(yīng)是一個(gè)緩慢過程，在計(jì)量計(jì)算中忽略瞬變過程的影響。同時(shí)，雖然兩種節(jié)流元件的計(jì)算公式不同，但是基本原理類似、差距不大。孔板和文丘里管組合的雙差壓測(cè)量飽和濕蒸汽干度的技術(shù)，研究早、應(yīng)用比較廣泛，但計(jì)算模型適用于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)或變化緩慢的計(jì)量系統(tǒng)，在穩(wěn)定工況下測(cè)量精度可以達(dá)到≤±5%；而且該測(cè)量裝置存在安裝復(fù)雜、安裝空間大、壓損大、易泄露點(diǎn)多的缺點(diǎn)。（2）單孔板噪音法測(cè)量裝置相比雙差壓法有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，壓力損失、直管段、易泄露點(diǎn)均減少很多。單孔板噪音法的數(shù)據(jù)模型根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)擬合得到，計(jì)量穩(wěn)定性稍差；蒸汽含水量太大時(shí)孔板阻滯效果變差，適用于蒸汽干度較高的場(chǎng)所。穩(wěn)定工況下，單孔板測(cè)量裝置流量、干度測(cè)量精度可以達(dá)到±5%。（3）雙渦街雙渦街測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝空間小、維護(hù)便捷，管段泄漏風(fēng)險(xiǎn)??；在穩(wěn)定工況下，飽和濕蒸汽干度、流量精度達(dá)到±4%。（4）感應(yīng)式渦街的單渦街測(cè)量技術(shù)原理與雙渦街相同，設(shè)備尺寸和費(fèi)用成本更低，精度有所降低，可以達(dá)到5%~7%，適用于注汽井口或蒸汽管線末端，降低投資成本。（5）渦街+錐形流量計(jì)的復(fù)合型測(cè)量技術(shù)測(cè)量技術(shù)，由于渦街和錐形流量計(jì)的測(cè)量原理差距較大，測(cè)量精度優(yōu)于雙差壓法，同時(shí)綜合了單差壓噪音的測(cè)量原理，計(jì)量精度高、適用的蒸汽范圍更廣。該型蒸汽流量干度測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、壓損小，降低了使用用中的安裝要求，安裝、維護(hù)方便，設(shè)備費(fèi)用較高、計(jì)量精度高，適用于鍋爐出口、蒸汽干線等對(duì)計(jì)量精度要求高的場(chǎng)合。

3結(jié)語

多相流的測(cè)量一直是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，隨著濕蒸汽干度的變化，汽水兩相流的物理特性發(fā)生很大的變化。對(duì)比遼河油田目前常用的幾種蒸汽干度測(cè)量技術(shù)，雙差壓法適用蒸汽范圍較廣，但是裝置復(fù)雜、泄漏風(fēng)險(xiǎn)高，適用于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的工況；單孔板噪音法適用于干度較高的工況；雙渦街或感應(yīng)式單渦街法假定濕蒸汽處于飽和狀態(tài)，但是測(cè)量裝置簡(jiǎn)單便捷、安全性高；渦街+錐形流量計(jì)復(fù)合式測(cè)量技術(shù)綜合雙原理測(cè)流量、單差壓噪音法多種測(cè)量原理，計(jì)量精度和適用蒸汽干度范圍較廣，同時(shí)也增加了設(shè)備費(fèi)用。綜合以上因素，對(duì)于要求計(jì)量精度高的場(chǎng)所推薦選用渦街+錐形流量計(jì)復(fù)合式測(cè)量技術(shù)；對(duì)于應(yīng)用數(shù)量多、精度要求不高的場(chǎng)所推薦選用感應(yīng)式單渦街測(cè)量技術(shù)，有助于降低工程投資。

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作者：袁風(fēng)賓 單位：中油遼河工程有限公司