朱承綱，郜斌

（遼河油田齊40塊蒸汽驅(qū)項(xiàng)目部，遼寧盤錦124010）

流體測量在工業(yè)和科學(xué)研究試驗(yàn)中的應(yīng)用廣泛，但大多數(shù)流量計(jì)只能測量單相介質(zhì)的體積流量。能同時(shí)測量濕飽和蒸汽兩相流量及其干度和密度的質(zhì)量流量計(jì)是人類正在努力攻克的難題。

1 油田采油注氣安全計(jì)量的重要性

兩相流濕飽和蒸汽的測量一直是油田采油注汽的重要環(huán)節(jié)。國內(nèi)許多油田處于后期開發(fā)階段，以遼河油田公司為例，大部分稠油主力區(qū)塊已進(jìn)入蒸汽吞吐后期開發(fā)階段，稠油儲(chǔ)藏已沒有加密的余地，吞吐效果差。為了保持產(chǎn)量規(guī)模的穩(wěn)定，注汽開采稠油技術(shù)已被公認(rèn)為一種有效手段，但其汽－水兩相流的計(jì)量問題至今還被認(rèn)為是一個(gè)世界性難題。一爐一井的計(jì)量問題還可估算，一爐多井或數(shù)臺(tái)爐子同走一條干線分注數(shù)口井的計(jì)量就存在問題。由于各井吸氣能力或管線配置長短不一，注入到各井的蒸汽量和蒸汽質(zhì)量相差很大。有的井注入熱量太少，產(chǎn)油也少，甚至還可能不出油；而有的井注入量過大，造成能源浪費(fèi)，嚴(yán)重者形成汽竄，為今后開采造成不可彌補(bǔ)的損失。由于注汽計(jì)量的不確定性，因此，汽－水兩相流較為理想的安全準(zhǔn)確計(jì)量成為油田急待解決的問題。

2 蒸汽質(zhì)量的重要性

目前，蒸汽鍋爐生產(chǎn)過程中的干度測量是靠人工檢測和化驗(yàn)方式進(jìn)行的。人工控制蒸汽干度時(shí)，需要有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的鍋爐工進(jìn)行操作。即便如此，還需手動(dòng)調(diào)節(jié)燃油、燃?xì)饬亢惋L(fēng)門的精度，但很難一次調(diào)準(zhǔn)。因此，需要改變干度時(shí)的調(diào)整時(shí)間較長，即便調(diào)到所需要的干度值，由于各種因素的影響，該值在相對(duì)穩(wěn)定后也會(huì)變化。為使鍋爐安全生產(chǎn)，保證蒸汽質(zhì)量，尚需人工不間斷地檢查、化驗(yàn)、調(diào)整，工作十分繁重，也存在安全隱患，生產(chǎn)效率低。而實(shí)現(xiàn)干度測量使鍋爐生產(chǎn)自控成為可能。

濕飽和蒸汽是汽液兩相流，尤其當(dāng)干度低于70%時(shí)，其兩相流的特征越趨明顯，流體的狀態(tài)更加復(fù)雜多變。這種復(fù)雜性及理論上的不完善，給兩相流測量造成困難。因此，用于單向流體的流量計(jì)無法適應(yīng)這種狀態(tài)的測量。為解決這一難題，筆者作了大量研究工作，取得了階段性成果。

3 旋轉(zhuǎn)式整流裝置

經(jīng)過大量實(shí)踐，筆者設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)式整流測量裝置，它對(duì)復(fù)雜的流體進(jìn)行攪拌，改變其狀態(tài)。如將汽－水狀態(tài)攪拌均勻后，再經(jīng)多孔管束調(diào)節(jié)整流裝置進(jìn)行整流，最終達(dá)到或基本接近單相流的狀態(tài)，使之滿足流量計(jì)的測量要求。一般情況下，大于80%的飽和蒸汽的流動(dòng)狀態(tài)滿足單相流的測量要求，但隨著干度的下降，單相流體向多相流體轉(zhuǎn)變，特別是干度低于75%時(shí)，多相流的復(fù)雜狀態(tài)開始凸顯。即干度越低，兩相流的復(fù)雜性和不確定性越突出，以致使流量計(jì)無法測量。

實(shí)踐驗(yàn)明，該旋轉(zhuǎn)式整流裝置在干度大于50%的條件下，能使流量計(jì)較穩(wěn)定地工作，基本達(dá)到或滿足現(xiàn)場使用要求。

4 干度定值補(bǔ)償和溫度在線補(bǔ)償

經(jīng)旋轉(zhuǎn)式整流裝置處理后的流體，筆者采用了高溫高壓型電容式渦街流量計(jì)，其特點(diǎn)是抗振性能強(qiáng)、耐高溫和抗沖擊能力較強(qiáng)，適應(yīng)流體各種復(fù)雜的干擾，工作穩(wěn)定。

眾所周知，流量計(jì)一般測得的是體積流量，只有測得流體的密度，才有辦法測得其質(zhì)量流量。飽和蒸汽的密度與介質(zhì)的壓力或溫度呈對(duì)應(yīng)關(guān)系，而濕飽和蒸汽則不然。在同一個(gè)測量時(shí)間點(diǎn)測量密度，必須要同時(shí)測量干度值和溫度值或壓力值。很顯然，干度的測量是整個(gè)測量過程中的難點(diǎn)，在無有效辦法測量干度的情況下，筆者采用干度定值補(bǔ)償法解決了該難題。該補(bǔ)償法是在大致確定的干度變化范圍內(nèi)取平均值，將其輸入CPU，通過下列運(yùn)算達(dá)到測量目的。

式中：qm——蒸汽質(zhì)量流量，t／h；K——流量計(jì)的儀表系數(shù)；f——流體產(chǎn)生的頻率；CV′——飽和水比容；CV——干飽和蒸汽比容；X——干度。

式中引入了系數(shù)K。由于濕飽和蒸汽的特性，該系數(shù)雖經(jīng)過旋轉(zhuǎn)整流裝置的處理，但它并不完全表明單相介質(zhì)的特性。因此，原儀表系數(shù)不能代表濕飽和蒸汽。在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得到不同干度范圍的系數(shù)K。

由現(xiàn)場數(shù)據(jù)的多次采集看出，對(duì)油井注汽的高壓濕飽和蒸汽的計(jì)量誤差主要表現(xiàn)在：現(xiàn)場蒸汽溫度變化造成的誤差，其范圍為280～325℃；現(xiàn)場蒸汽干度造成的誤差，其范圍為72%～78%。溫度變化造成的誤差通過流量儀表自身所帶的溫度傳感器直接進(jìn)行補(bǔ)償解決；而第二種情況，只能通過定值干度進(jìn)行補(bǔ)償，定值干度的取值直接決定了流量儀表的綜合誤差限。從現(xiàn)場多次采集數(shù)據(jù)觀測，現(xiàn)場蒸汽的干度值變化比較穩(wěn)定，這為實(shí)現(xiàn)定值干度補(bǔ)償?shù)於嘶A(chǔ)。現(xiàn)場采集的蒸汽在不同干度及溫度下的密度見表1所列。

表1 蒸汽在不同干度及溫度下的密度kg／m3

從表1看出，在一定溫度下，如果不增加干度補(bǔ)償，將會(huì)造成6%～8%左右的密度誤差。如果增加干度定值補(bǔ)償，那么密度誤差限可以控制在±3.5%以內(nèi)。另外，從表1中還可以看出，如果不增加溫度補(bǔ)償，在310～325℃內(nèi)會(huì)造成21%～28%的誤差，綜合誤差大于30%，這一點(diǎn)也充分說明增加溫度補(bǔ)償?shù)谋匾浴?/p>

5 應(yīng)用成果

從現(xiàn)場運(yùn)行狀態(tài)來看，在不同的干度下，儀表輸出頻率信號(hào)非常穩(wěn)定，說明儀表輸出信號(hào)質(zhì)量和管道內(nèi)蒸汽流場良好，從而證明用渦街流量計(jì)對(duì)濕飽和蒸汽平均流速進(jìn)行測量的可能性，為濕飽和蒸汽計(jì)量打下了基礎(chǔ)。

從2006年11月至今，已在遼河油田蒸汽驅(qū)項(xiàng)目的幾十個(gè)蒸汽站中共安裝了160余套筆者改進(jìn)的流量計(jì)。5號(hào)站現(xiàn)場記錄的數(shù)據(jù)見表2所列，誤差在±5%以內(nèi)，基本實(shí)現(xiàn)了人工定量控制注汽量，該流量計(jì)于2010年12月獲得國家優(yōu)質(zhì)工程銀質(zhì)獎(jiǎng)。

表2 5號(hào)站現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)

筆者采用太陽能電池供電和GPRS數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，不用人工在現(xiàn)場抄錄數(shù)據(jù)，有利于加強(qiáng)管理和減少安全隱患。隨著應(yīng)用的深入和現(xiàn)場數(shù)據(jù)的積累與分析，該流量計(jì)滿足與賽博公司共同探討包括干度（或密度）在內(nèi)的測量方法，需繼續(xù)開展后續(xù)試驗(yàn)工作，為科學(xué)生產(chǎn)和管理提供更完善的測量系統(tǒng)。

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