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摘要：針對(duì)稠油開采過(guò)程中采用人工化驗(yàn)法進(jìn)行蒸汽干度測(cè)量時(shí)，隨機(jī)性強(qiáng)且穩(wěn)定性差的缺陷，采用V錐流量計(jì)結(jié)合流體體積變化法測(cè)量蒸汽干度，在線監(jiān)測(cè)蒸汽干度及蒸汽壓力等參數(shù)。通過(guò)分析蒸汽干度與蒸汽壓力以及V錐流量計(jì)測(cè)得的壓差之間的關(guān)系，證實(shí)蒸汽壓力、流量和壓差是影響蒸汽干度的主要因素，得出蒸汽干度與壓差值成近似一次函數(shù)關(guān)系的結(jié)論。
　　稠油開采已成為我國(guó)石油開采的重要部分，目前采用的注蒸汽開采手段有蒸汽吞吐和蒸汽驅(qū)動(dòng)兩種方法［1］。油田注汽采用的是濕飽和蒸汽，即汽、水兩相混合物，蒸汽干度指單位質(zhì)量?jī)?nèi)飽和蒸汽占濕蒸汽的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。蒸汽干度越高說(shuō)明能量的利用率越高，采油效率也相應(yīng)提高。蒸汽干度過(guò)低會(huì)影響熱采效率，而蒸汽干度過(guò)高則管壁易結(jié)垢，不僅浪費(fèi)熱量，影響熱量傳遞，也可能引起鍋爐爆管。注汽鍋爐控制系統(tǒng)的核心是蒸汽干度控制系統(tǒng)，因此對(duì)蒸汽干度的精確測(cè)量意義重大。傳統(tǒng)干度測(cè)量方法通常采用人工化驗(yàn)法，在油田熱注作業(yè)中被廣泛采用，該方法的測(cè)量精度較高，但需要每隔幾個(gè)小時(shí)就進(jìn)行一次測(cè)量，因此相關(guān)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度較大，而且測(cè)量數(shù)據(jù)的隨機(jī)性較強(qiáng)、穩(wěn)定性差。
　　將V錐流量計(jì)運(yùn)用到稠油注汽測(cè)量過(guò)程中，在線實(shí)時(shí)檢測(cè)蒸汽干度及蒸汽壓力等參數(shù)的變化，實(shí)現(xiàn)蒸汽干度的連續(xù)測(cè)量，以提高測(cè)量效率，及時(shí)反映注汽鍋爐的運(yùn)行情況，同時(shí)降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。
1.V錐流量計(jì)簡(jiǎn)介
　　V錐流量計(jì)具有壓力損失小、可靠、精度高及對(duì)前/后管段要求低等特點(diǎn)，既可以測(cè)量氣體又可以測(cè)量液體的體積流量［2，3］。其主要組成部分是無(wú)縫鋼管、內(nèi)部節(jié)流錐體以及錐體與鋼管的連接部分，錐體前端和錐體最大節(jié)流處各有一個(gè)取壓口，來(lái)流方向?yàn)楦邏喝�壓�?即錐體最尖端)，另一個(gè)為低壓取壓口，試驗(yàn)用V錐流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.V錐流量計(jì)的測(cè)量原理
　　在流量計(jì)的應(yīng)用中，直徑比是一個(gè)重要參數(shù)。對(duì)于V錐流量計(jì)而言，流體流經(jīng)的空間為一個(gè)圓環(huán)，需將此圓環(huán)的面積等效為圓面積，此圓面積與圓環(huán)面積相等，因此V錐流量計(jì)的直徑比是一個(gè)等效直徑比。設(shè)管道內(nèi)徑為D，節(jié)流錐體最大節(jié)流處橫截面的直徑為d，則等效直徑比β的計(jì)算式為:

式中
s1———錐體最大節(jié)流處橫截面積，mm2;
s2———管道內(nèi)橫截面積，mm2。
根據(jù)連續(xù)性方程和伯努力方程推導(dǎo)出鍋爐給水量qv的計(jì)算式為:

式中
Δp———檢測(cè)段壓差，Pa;
qv———鍋爐給水體積流量，m3/s;
ρ———節(jié)流件上游處流體密度，kg/m3。
　　由于在取壓口處測(cè)得的壓差是一個(gè)瞬時(shí)值，而式(2)中的Δp是靜壓力�？紤]V錐連接部件對(duì)壓差的影響，以便對(duì)壓差進(jìn)行修正;同時(shí)針對(duì)蒸汽這種可壓縮流體引入膨脹系數(shù)ε，對(duì)密度進(jìn)行修正，經(jīng)修正后得到流體體積流量的計(jì)算式為:

流出系數(shù)C為實(shí)際流量與理論流量的比值，其計(jì)算式為:

3蒸汽干度檢測(cè)系統(tǒng)
　　設(shè)計(jì)的蒸汽干度檢測(cè)系統(tǒng)由V錐流量計(jì)、差壓變送器、壓力變送器、溫度傳感器、PLC和PC機(jī)組成。該試驗(yàn)在某采油廠熱注站進(jìn)行，將現(xiàn)場(chǎng)工況檢測(cè)所得數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室流量計(jì)流量標(biāo)定系統(tǒng)標(biāo)定所得的V錐流量計(jì)測(cè)得的流量進(jìn)行對(duì)比，二者的誤差在0．8%以內(nèi)。熱注站有一臺(tái)額定蒸汽流量為23t的注汽鍋爐，其額定壓力為17．5MPa，由于鍋爐使用年限已久，在實(shí)際應(yīng)用中將最高蒸汽流量設(shè)為18t/h，額定壓力設(shè)為16．5MPa。
　　給水被鍋爐加熱后成為濕蒸汽，其質(zhì)量不變，但在出口處體積增加，由于出口處的蒸汽干度與蒸汽體積成正比，鍋爐給水流量、燃料供給壓力、燃燒器燃燒狀況及蒸汽壓力等參數(shù)均對(duì)蒸汽干度產(chǎn)生影響［4］。在鍋爐給水入口和蒸汽出口處均安裝V錐流量計(jì)，通過(guò)對(duì)采油注汽鍋爐的蒸汽壓力、蒸汽溫度、鍋爐給水溫度、壓差和壓力這些參數(shù)的測(cè)量，結(jié)合以上各個(gè)參數(shù)得到蒸汽體積膨脹量，由PLC對(duì)以上測(cè)得的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到注汽鍋爐的蒸汽干度［5］，其關(guān)系式如下：

式中
p———濕蒸汽壓力，MPa;
T———濕蒸汽溫度，K;
χ———蒸汽干度，%。
4試驗(yàn)過(guò)程
　　稠油開采注汽鍋爐蒸汽干度檢測(cè)系統(tǒng)的試驗(yàn)裝置由注汽鍋爐、V錐流量計(jì)(檢測(cè)段)、差壓變送器、壓力變送器、溫度傳感器、PLC及PC機(jī)等組成［6］。檢測(cè)段為V錐流量計(jì)(內(nèi)徑73mm，等效直徑比0．72)，內(nèi)部V錐是節(jié)流裝置，整個(gè)檢測(cè)段安裝在注汽鍋爐的蒸汽出口處，與蒸汽管線串聯(lián)，檢測(cè)段共兩個(gè)引壓口，來(lái)流方向?yàn)楦邏喝�壓端，另一個(gè)為低壓取壓端，蒸汽流經(jīng)檢測(cè)段，壓力由檢測(cè)段引壓口導(dǎo)出。壓力變送器連接到檢測(cè)段高壓引壓口上，差壓變送器連接到兩個(gè)引壓口上，得到高壓取壓口與低壓取壓口的壓力差。連接過(guò)程需要注意高、低壓引壓端的連接方向，溫度傳感器安裝在檢測(cè)段前端管線處，壓力變送器、差壓變送器、溫度傳感器分別與PLC和PC機(jī)連接，將測(cè)得的信號(hào)輸入PLC，檢測(cè)段參數(shù)在程序中設(shè)置好，蒸汽體積流量由式(1)、(4)求出，將鍋爐給水流量、溫度、蒸汽壓力和檢測(cè)段壓差作為輸入量，以蒸汽干度作為輸出量。
　　注汽鍋爐產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)過(guò)鍋爐出口管線流經(jīng)檢測(cè)段，在檢測(cè)段處通過(guò)壓力變送器和差壓變送器得到壓力與壓差，溫度由熱電偶測(cè)得。試驗(yàn)所用鍋爐的蒸汽流量為18t/h，試驗(yàn)過(guò)程中分別調(diào)節(jié)蒸汽流量為15、16、17、18t/h，油田為了提高采油效率，蒸汽干度一般控制在75%;試驗(yàn)過(guò)程中蒸汽干度由60%升至80%，每間隔約5%作為一個(gè)干度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，由V錐流量計(jì)在取壓口測(cè)得對(duì)應(yīng)干度下的壓力和溫度［7，8］。
人工化驗(yàn)法檢測(cè)蒸汽干度χ的計(jì)算式為:

式中a、b———爐水與生水消耗硫酸的體積，mL。
　　人工化驗(yàn)方法連續(xù)檢測(cè)得到的蒸汽干度作為參照，將參照值與設(shè)計(jì)的V錐流量計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)得到的干度值作對(duì)比，具體的對(duì)比曲線如圖2所示，可以看出通過(guò)V錐流量計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)得的蒸汽干度具有較好的正確性，其誤差在3%以內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)較為正確的在線測(cè)量，得到蒸汽干度與蒸汽壓力的連續(xù)關(guān)系，及時(shí)反映蒸汽干度的變化情況和對(duì)應(yīng)的蒸汽壓力。

　　注汽鍋爐出口蒸汽干度與壓力的關(guān)系如圖3所示，蒸汽壓力對(duì)蒸汽干度的影響很大，蒸汽干度隨著壓力的升高而增大，對(duì)于不同的蒸汽流量都存在一個(gè)蒸汽壓力，在低于該壓力值的情況下，蒸汽干度隨蒸汽壓力的升高變化不大，超過(guò)此壓力值時(shí)蒸汽干度隨蒸汽壓力的升高增加很快。由于蒸汽干度較低時(shí)壓力也很低，干度對(duì)蒸汽的影響不明顯，曲線出現(xiàn)交叉;隨著時(shí)間的推移，油井注汽量逐漸增大，井壓也隨之變化，導(dǎo)致不同蒸汽流量在相同壓力下具有相同的蒸汽干度。

　　蒸汽流量對(duì)蒸汽干度的影響也很大，在相同壓力時(shí)，蒸汽流量越大蒸汽干度越低。當(dāng)蒸汽干度相同時(shí)，對(duì)于不同的蒸汽流量，需要的蒸汽壓力也不相同;對(duì)于同一蒸汽干度，蒸汽壓力隨蒸汽流量的升高而升高，注汽鍋爐的額定壓力決定了蒸汽流量。
由圖4可以看出，在同一蒸汽流量下蒸汽干度與壓差成近似一次函數(shù)關(guān)系，蒸汽干度隨檢測(cè)段壓差的增大而增大，不同蒸汽流量下蒸汽干度與壓差形成的曲線為近似平行直線。將蒸汽干度以5%為間隔，從60%調(diào)節(jié)到80%，蒸汽壓差的變化范圍為7．08～12．04kPa，蒸汽流量每提高1t/h，在達(dá)到相同干度的情況下壓差變化相近。壓差與干度的這種對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)于估計(jì)蒸汽干度能提供一定的參考。

5結(jié)束語(yǔ)
　　設(shè)計(jì)的稠油開采注汽鍋爐蒸汽干度V錐流量計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)已投入實(shí)際應(yīng)用，能夠?qū)ψ⑵�鍋爐的給水量和出口蒸汽流量進(jìn)行實(shí)時(shí)、正確測(cè)量;對(duì)影響蒸汽干度的蒸汽壓力、蒸汽流量及壓差等重要參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)，對(duì)于單一油井蒸汽干度實(shí)現(xiàn)了正確測(cè)量。蒸汽干度與V錐流量計(jì)測(cè)得的壓差具有近似的一次函數(shù)關(guān)系，在注汽鍋爐運(yùn)行過(guò)程中對(duì)其壓力及壓差等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與調(diào)節(jié)，保障注汽鍋爐的安全運(yùn)行，對(duì)稠油開采的持續(xù)、穩(wěn)定進(jìn)行具有重要意義。

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