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。
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。
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
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。
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正确性，其误差在3%以内，可以实现较为正确的在线测量，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。
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。
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。
5结束语
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、正确测量;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正确测量。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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