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V锥流量计在蒸汽干度测量中的应用

日期:2019-02-14 14:51:37

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。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。

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。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,其关系式如下:

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式中p——湿蒸汽压力,MPa;T——湿蒸汽温度,K;x——蒸汽干度,%。

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。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”。

人工化验法检测蒸汽干度x的计算式为:X=(a-b)/a

式中a、b—一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。

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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。

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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。

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