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V锥流量计在蒸汽干度计量中应用
发布时间:2018-11-07

摘要:针对稠油开采过程中采用人工化验法进行蒸汽干度测量时,随机性强且稳定性差的缺陷,采用V锥流量计结合流体体积变化法测量蒸汽干度,在线监测蒸汽干度及蒸汽压力等参数。通过分析蒸汽干度与蒸汽压力以及V锥流量计测得的压差之间的关系,证实蒸汽压力、流量和压差是影响蒸汽干度的主要因素,得出蒸汽干度与压差值成近似一次函数关系的结论。
  稠油开采已成为我国石油开采的重要部分,目前采用的注蒸汽开采手段有蒸汽吞吐和蒸汽驱动两种方法[1]。油田注汽采用的是湿饱和蒸汽,即汽、水两相混合物,蒸汽干度指单位质量内饱和蒸汽占湿蒸汽的质量百分数。蒸汽干度越高说明能量的利用率越高,采油效率也相应提高。蒸汽干度过低会影响热采效率,而蒸汽干度过高则管壁易结垢,不仅浪费热量,影响热量传递,也可能引起锅炉爆管。注汽锅炉控制系统的核心是蒸汽干度控制系统,因此对蒸汽干度的精确测量意义重大。传统干度测量方法通常采用人工化验法,在油田热注作业中被广泛采用,该方法的测量精度较高,但需要每隔几个小时就进行一次测量,因此相关人员的劳动强度较大,而且测量数据的随机性较强、稳定性差。
  笔者将V锥流量计运用到稠油注汽测量过程中,在线实时检测蒸汽干度及蒸汽压力等参数的变化,实现蒸汽干度的连续测量,以提高测量效率,及时反映注汽锅炉的运行情况,同时降低工人的劳动强度。
1.V锥流量计简介
  V锥流量计具有压力损失小、可靠、精度高及对前/后管段要求低等特点,既可以测量气体又可以测量液体的体积流量[2,3]。其主要组成部分是无缝钢管、内部节流锥体以及锥体与钢管的连接部分,锥体前端和锥体最大节流处各有一个取压口,来流方向为高压取压口(即锥体最尖端),另一个为低压取压口,试验用V锥流量计的结构如图1所示。
V锥流量计结构示意图
2.V锥流量计的测量原理
  在流量计的应用中,直径比是一个重要参数。对于V锥流量计而言,流体流经的空间为一个圆环,需将此圆环的面积等效为圆面积,此圆面积与圆环面积相等,因此V锥流量计的直径比是一个等效直径比。设管道内径为D,节流锥体最大节流处横截面的直径为d,则等效直径比β的计算式为:

式中
s1———锥体最大节流处横截面积,mm2;
s2———管道内横截面积,mm2。
根据连续性方程和伯努力方程推导出锅炉给水量qv的计算式为:

式中
Δp———检测段压差,Pa;
qv———锅炉给水体积流量,m3/s;
ρ———节流件上游处流体密度,kg/m3。
  由于在取压口处测得的压差是一个瞬时值,而式(2)中的Δp是静压力。考虑V锥连接部件对压差的影响,以便对压差进行修正;同时针对蒸汽这种可压缩流体引入膨胀系数ε,对密度进行修正,经修正后得到流体体积流量的计算式为:

流出系数C为实际流量与理论流量的比值,其计算式为:

3蒸汽干度检测系统
  笔者设计的蒸汽干度检测系统由V锥流量计、差压变送器压力变送器温度传感器、PLC和PC机组成。该试验在某采油厂热注站进行,将现场工况检测所得数据与实验室流量计流量标定系统标定所得的V锥流量计测得的流量进行对比,二者的误差在0.8%以内。热注站有一台额定蒸汽流量为23t的注汽锅炉,其额定压力为17.5MPa,由于锅炉使用年限已久,在实际应用中将最高蒸汽流量设为18t/h,额定压力设为16.5MPa。
  给水被锅炉加热后成为湿蒸汽,其质量不变,但在出口处体积增加,由于出口处的蒸汽干度与蒸汽体积成正比,锅炉给水流量、燃料供给压力、燃烧器燃烧状况及蒸汽压力等参数均对蒸汽干度产生影响[4]。在锅炉给水入口和蒸汽出口处均安装V锥流量计,通过对采油注汽锅炉的蒸汽压力、蒸汽温度、锅炉给水温度、压差和压力这些参数的测量,结合以上各个参数得到蒸汽体积膨胀量,由PLC对以上测得的参数进行计算,得到注汽锅炉的蒸汽干度[5],其关系式如下:

式中
p———湿蒸汽压力,MPa;
T———湿蒸汽温度,K;
χ———蒸汽干度,%。
4试验过程
  稠油开采注汽锅炉蒸汽干度检测系统的试验装置由注汽锅炉、V锥流量计(检测段)、差压变送器、压力变送器、温度传感器、PLC及PC机等组成[6]。检测段为V锥流量计(内径73mm,等效直径比0.72),内部V锥是节流装置,整个检测段安装在注汽锅炉的蒸汽出口处,与蒸汽管线串联,检测段共两个引压口,来流方向为高压取压端,另一个为低压取压端,蒸汽流经检测段,压力由检测段引压口导出。压力变送器连接到检测段高压引压口上,差压变送器连接到两个引压口上,得到高压取压口与低压取压口的压力差。连接过程需要注意高、低压引压端的连接方向,温度传感器安装在检测段前端管线处,压力变送器、差压变送器、温度传感器分别与PLC和PC机连接,将测得的信号输入PLC,检测段参数在程序中设置好,蒸汽体积流量由式(1)、(4)求出,将锅炉给水流量、温度、蒸汽压力和检测段压差作为输入量,以蒸汽干度作为输出量。
  注汽锅炉产生的蒸汽经过锅炉出口管线流经检测段,在检测段处通过压力变送器和差压变送器得到压力与压差,温度由热电偶测得。试验所用锅炉的蒸汽流量为18t/h,试验过程中分别调节蒸汽流量为15、16、17、18t/h,油田为了提高采油效率,蒸汽干度一般控制在75%;试验过程中蒸汽干度由60%升至80%,每间隔约5%作为一个干度监测点,由V锥流量计在取压口测得对应干度下的压力和温度[7,8]。
人工化验法检测蒸汽干度χ的计算式为:

式中a、b———炉水与生水消耗硫酸的体积,mL。
  本试验以人工化验方法连续检测得到的蒸汽干度作为参照,将参照值与笔者设计的V锥流量计检测系统得到的干度值作对比,具体的对比曲线如图2所示,可以看出通过V锥流量计检测系统测得的蒸汽干度具有较好的准确性,其误差在3%以内,可以实现较为精确的在线测量,得到蒸汽干度与蒸汽压力的连续关系,及时反映蒸汽干度的变化情况和对应的蒸汽压力。
蒸汽干度的人工化验值与V锥流量计检测值对不曲线图
  注汽锅炉出口蒸汽干度与压力的关系如图3所示,蒸汽压力对蒸汽干度的影响很大,蒸汽干度随着压力的升高而增大,对于不同的蒸汽流量都存在一个蒸汽压力,在低于该压力值的情况下,蒸汽干度随蒸汽压力的升高变化不大,超过此压力值时蒸汽干度随蒸汽压力的升高增加很快。由于蒸汽干度较低时压力也很低,干度对蒸汽的影响不明显,曲线出现交叉;随着时间的推移,油井注汽量逐渐增大,井压也随之变化,导致不同蒸汽流量在相同压力下具有相同的蒸汽干度。
V锥流量计蒸汽干度与蒸汽压力的关系曲线图
  蒸汽流量对蒸汽干度的影响也很大,在相同压力时,蒸汽流量越大蒸汽干度越低。当蒸汽干度相同时,对于不同的蒸汽流量,需要的蒸汽压力也不相同;对于同一蒸汽干度,蒸汽压力随蒸汽流量的升高而升高,注汽锅炉的额定压力决定了蒸汽流量。
由图4可以看出,在同一蒸汽流量下蒸汽干度与压差成近似一次函数关系,蒸汽干度随检测段压差的增大而增大,不同蒸汽流量下蒸汽干度与压差形成的曲线为近似平行直线。将蒸汽干度以5%为间隔,从60%调节到80%,蒸汽压差的变化范围为7.08~12.04kPa,蒸汽流量每提高1t/h,在达到相同干度的情况下压差变化相近。压差与干度的这种对应关系对于估计蒸汽干度能提供一定的参考。
V锥流量计蒸汽干度与压差的关系曲线图
5结束语
  笔者设计的稠油开采注汽锅炉蒸汽干度V锥流量计检测系统已投入实际应用,能够对注汽锅炉的给水量和出口蒸汽流量进行实时、精确测量;对影响蒸汽干度的蒸汽压力、蒸汽流量及压差等重要参数进行数值计算,通过调节参数,对于单一油井蒸汽干度实现了准确测量。蒸汽干度与V锥流量计测得的压差具有近似的一次函数关系,在注汽锅炉运行过程中对其压力及压差等参数进行实时监测与调节,保障注汽锅炉的安全运行,对稠油开采的持续、稳定进行具有重要意义。

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