邱麗燦，張輪亭

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 塘沽 300452)

分析測(cè)試

蒸汽干度測(cè)量方法概述

邱麗燦，張輪亭

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 塘沽 300452)

熱注蒸汽開(kāi)采稠油時(shí)，蒸汽干度是一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)，它不僅會(huì)影響鍋爐的安全運(yùn)行，也會(huì)直接關(guān)系到稠油的開(kāi)采效率。介紹了油田熱注蒸汽干度測(cè)量方法，闡述了各種測(cè)量方法的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用情況，并展望了油田熱注蒸汽干度測(cè)量方法的發(fā)展趨勢(shì)。

熱注蒸汽；干度；測(cè)量方法

熱注蒸汽開(kāi)采稠油采用的是濕飽和蒸汽，是目前成本較低、效率較高的方法。濕飽和蒸汽是一種兩相流，它的壓力和溫度不是相互獨(dú)立的參數(shù)，所以只通過(guò)壓力或溫度不能確定濕蒸汽的狀態(tài)，通常用干度來(lái)表示濕蒸汽的狀態(tài)[1]。蒸汽干度是指單位質(zhì)量濕蒸汽中飽和蒸汽所占的比例，水飽和時(shí)蒸汽的干度為零，蒸汽飽和時(shí)干度為100%[2]。干度過(guò)低，不能滿(mǎn)足后續(xù)工藝對(duì)工質(zhì)的要求；干度過(guò)高，水中的鹽分易于附著于爐管壁上，使?fàn)t管結(jié)垢，降低鍋爐熱效率，影響設(shè)備安全運(yùn)行。干度是表征蒸汽特性的重要參數(shù)，注汽井根據(jù)干度測(cè)量結(jié)果可確定正常生產(chǎn)時(shí)需要的蒸汽量和注汽時(shí)間，這對(duì)油田計(jì)算采油效率有重要的意義[3]。為保證稠油熱采的效率以及注汽鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行，快速、準(zhǔn)確測(cè)量注汽鍋爐出口處濕蒸汽干度成為當(dāng)今氣液兩相流學(xué)界研究的熱點(diǎn)，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外很多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)干度測(cè)試進(jìn)行了大量研究。本文主要對(duì)這些研究方法進(jìn)行綜合介紹，并展望其發(fā)展趨勢(shì)。目前，蒸汽干度測(cè)量方法主要有人工化驗(yàn)方法、熱力學(xué)法、非熱力學(xué)法和數(shù)學(xué)模型法。

1 人工化驗(yàn)方法

人工化驗(yàn)法是通過(guò)對(duì)鍋爐中爐水取樣，再根據(jù)水中的鹽與石蕊試液接觸時(shí)會(huì)變色的原理測(cè)出水中鹽含量，由公式：干度=（爐水鹽含量-生水鹽含量）/爐水鹽含量，求出蒸汽干度，是應(yīng)用較早的一種干度測(cè)量方法[3]。此方法簡(jiǎn)單，易于操作，精確度相對(duì)較高，但分析時(shí)間滯后，不能及時(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況，測(cè)量結(jié)果還會(huì)由于操作精細(xì)程度、熟練程度帶來(lái)誤差[4]。

2 熱力學(xué)法

熱力學(xué)法采用的是與熱力學(xué)有關(guān)的理論來(lái)測(cè)量蒸汽干度的。熱力學(xué)法主要有節(jié)流法、混合法、加熱法、相分離法、凝結(jié)法等，這類(lèi)方法均屬于抽氣取樣法，對(duì)取樣方式要求較高[5]。

2.1 節(jié)流法

節(jié)流法是利用孔板與臨界流量節(jié)流器來(lái)測(cè)量蒸汽干度的。臨界流量節(jié)流器位于蒸汽井口入口處，控制蒸汽注入流量，但它無(wú)法直接測(cè)量出干度值，需要和孔板共同作用，孔板位于節(jié)流器的上方，進(jìn)行二次測(cè)量，通過(guò)聯(lián)立關(guān)聯(lián)式求解獨(dú)立的質(zhì)量流量方程式，計(jì)算蒸汽干度[6,7]。美國(guó)Texaco 公司成功的在加利福尼亞克恩河油田蒸汽驅(qū)中進(jìn)行了試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果證明此方法適用可行，測(cè)量的蒸汽干度精度為正負(fù) 5個(gè)干度點(diǎn)[6]。蒸汽干度測(cè)量裝置示意圖如圖1所示。

圖1 節(jié)流法蒸汽干度測(cè)量裝置Fig.1 Throttling method measure stream dryness device

2.2 混合法

混合法是將采取的試樣放入一混合室內(nèi)，絕熱條件下與外界引進(jìn)的熱空氣充分混合，使混合后的空氣中水分含量尚未達(dá)到飽和，根據(jù)質(zhì)能守恒定律推導(dǎo)出干度的表達(dá)式，混合法原理圖如圖2所示，其中t1為1-1截面入口處溫度，2-2截面處壓力為p2，溫度t2，質(zhì)量流量w2，3-3截面處壓力為p3，溫度t3，質(zhì)量流量w3，這種方法不需要測(cè)量流量，誤差較小，但為確保管道出口處空氣中水分含量未達(dá)到飽和，必須送入大量的空氣，這便增加了測(cè)試的難度[5]。張海鵬、龔圣捷等人[8]采用混合法測(cè)量了水、蒸汽兩相流的干度，文中介紹了干度測(cè)量原理及實(shí)驗(yàn)操作方法，并通過(guò)計(jì)算得出水、蒸汽兩相流的干度，該方法簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)。

圖2 混合法原理圖Fig.2 Mixed method schematic diagram

2.3 加熱法

加熱法是利用特定的裝置，把待測(cè)濕蒸汽試樣加熱成過(guò)熱蒸汽，然后測(cè)量其壓力和溫度從而確定對(duì)應(yīng)溫度下的焓值，同時(shí)測(cè)量待測(cè)蒸汽試樣的質(zhì)量及加熱成過(guò)熱蒸汽需要的熱量，再通過(guò)查表確定取樣點(diǎn)一定壓力下的飽和蒸氣焓值，從而計(jì)算出蒸汽干度值[3]，但加熱量及蒸汽試樣的質(zhì)量是待測(cè)參數(shù)，由于散熱等因素的影響，誤差將會(huì)很大，修正工作也很復(fù)雜，加熱法測(cè)量原理圖如圖 3所示[5]。蘇云龍、王新軍等人[9]對(duì)加熱法測(cè)量濕蒸汽濕度的誤差分析做了深入的研究，文中介紹了加熱法測(cè)量濕蒸汽濕度的測(cè)量原理，推導(dǎo)了濕度的計(jì)算公式，并編程計(jì)算了算例，分析了測(cè)量誤差，為后人使用該方法提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，該方法設(shè)備簡(jiǎn)單、測(cè)量精確度高。

圖3 加熱法測(cè)量原理圖Fig.3 Heating method schematic diagram

2.4 相分離法

相分離法是一種應(yīng)用最早的汽液兩相流干度測(cè)量方法，由于汽液兩相流密度不同，可將液相和汽相分離，再分別測(cè)量各相流體的質(zhì)量流量，從而得到蒸汽的干度。目前，利用此方法可以實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量，且方法簡(jiǎn)單，但是缺點(diǎn)是汽液兩相無(wú)法被完全分離，特別是對(duì)油田油井注入的濕蒸汽分離效果更差[3]。王棟、林宗虎[10]主要利用三通的相分離特征測(cè)量了汽液兩相流的干度，通過(guò)測(cè)量被分離出來(lái)的單相氣體來(lái)確定氣液兩相流的干度，簡(jiǎn)化了復(fù)雜兩相流干度的測(cè)試過(guò)程，并通過(guò)對(duì)測(cè)量設(shè)備的改進(jìn)，測(cè)量精度大幅度提高。圖4為T(mén)型三通示意圖，X1、X2、X3分別為主管入口、直通支管出口、側(cè)支管出口干度；G1、G2、G3分別為主管入口、直通支管出口、側(cè)支管出口入口質(zhì)量流速。

圖4 T型三通示意圖Fig.4 T type tee schematic diagram

2.5 凝結(jié)法

凝結(jié)法與加熱法測(cè)量原理相反，它是將待測(cè)蒸汽通到一個(gè)絕熱的間壁式冷卻器中，與冷卻水換熱，使蒸汽凝結(jié)成水，測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)冷卻水吸收的熱量、凝結(jié)水溫度和質(zhì)量[3]，根據(jù)熱力學(xué)原理及能量平衡方程可以計(jì)算出蒸汽的干度。此方法需要測(cè)量抽氣量、冷卻水量，會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)一定的誤差，修正也是很麻煩的，圖5為凝結(jié)式量熱計(jì)原理圖[5]。李世武、康芹、霍文達(dá)[11,12]研制了凝結(jié)式蒸汽干度測(cè)量裝置，以靜態(tài)混合法測(cè)量干度為基準(zhǔn)依據(jù)，對(duì)凝結(jié)式蒸汽干度測(cè)量裝置精度進(jìn)行了分析，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了凝結(jié)式蒸汽干度測(cè)量裝置的工程實(shí)用性。

圖5 凝結(jié)式量熱計(jì)原理圖Fig.5 Condensation schematic diagram

3 非熱力學(xué)法

非熱力學(xué)法主要有光學(xué)測(cè)量法、微波測(cè)量法、放射法、電導(dǎo)率法、示蹤法、臨界速度法等。

3.1 光學(xué)測(cè)量法

光學(xué)測(cè)量法是根據(jù)光線對(duì)濕蒸汽折射率的響應(yīng)，通過(guò)對(duì)蒸汽中氣液兩相折射率采樣、分析，得到氣液兩相比例、密度，由折射率的響應(yīng)進(jìn)一步計(jì)算得出其干度，采用此方法測(cè)量蒸汽干度，干擾度較小，且測(cè)量范圍大，可以無(wú)間斷輸出待測(cè)蒸汽中氣液兩相體積比例信息，據(jù)此可直接判斷蒸汽的物性，折射率調(diào)制原理圖如圖6所示，Io入射光強(qiáng)度，IR反射光強(qiáng)度，i入射角。目前稠油熱采中已采用光學(xué)測(cè)量法測(cè)量蒸汽的干度，并且實(shí)際測(cè)量結(jié)果與油田注汽情況一致[13]。梁培、余建軍等人[14]進(jìn)行了蒸汽干度光學(xué)折射率法的測(cè)量研究，研制了相應(yīng)測(cè)量裝置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試分析，并在溫度160 ℃，壓力0.6 MPa的鍋爐輸氣管道中運(yùn)用，測(cè)試結(jié)果與鍋爐的輸氣過(guò)程相吻合，為以后的推廣和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

圖6 折射率調(diào)制原理圖Fig.6 Refractive index schematic diagram

3.2 微波測(cè)量法

微波測(cè)量法是根據(jù)諧振腔內(nèi)介質(zhì)介電常數(shù)的變化會(huì)使腔內(nèi)諧振頻率發(fā)生變化來(lái)測(cè)量蒸汽干度的。由于濕蒸汽是氣液兩相混合物，并且存在相變，當(dāng)濕蒸汽經(jīng)過(guò)微波諧振腔時(shí)，會(huì)導(dǎo)致介電常數(shù)發(fā)生變化，諧振腔就會(huì)受到微擾，頻率發(fā)生偏移，一定壓力或溫度下，濕蒸汽介電常數(shù)與干度有關(guān)，進(jìn)而確定蒸汽干度[15]。祝曉燕、王繼選等人[16]研究了微波測(cè)量法在濕度測(cè)量中的應(yīng)用，介紹了微波法測(cè)量原理，通過(guò)測(cè)試水的介電常數(shù)，即可以間接得到濕蒸汽干度；韓中合、田松峰[17]的蒸汽濕度微波諧振腔微擾測(cè)量法的研究中介紹了測(cè)量原理，進(jìn)行了濕蒸汽發(fā)生器與過(guò)熱蒸汽中膨脹產(chǎn)生的濕蒸汽進(jìn)行了測(cè)量，通過(guò)與計(jì)算值比較，測(cè)量誤差小于 1%，精度高，測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)單，諧振腔微擾測(cè)量法測(cè)量蒸汽干度系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 諧振腔微擾測(cè)量法測(cè)量蒸汽干度系統(tǒng)Fig.7 Resonant cavity disturbance measure Stream dryness

3.3 放射法

放射法是利用中子密度計(jì)與流量計(jì)來(lái)測(cè)量蒸汽干度的，它是根據(jù)氫密度對(duì)中子的衰減性以及熱中子散射敏感性較高這一原理來(lái)測(cè)量蒸汽干度的，中子密度計(jì)原理圖如圖8所示。此方法現(xiàn)場(chǎng)使用方便，但是該設(shè)備成本較高、操作繁瑣，并且會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，長(zhǎng)期使用測(cè)量精度就會(huì)因中子輻射積累下來(lái)的影響而下降[3,6,18]。

圖8 中子密度計(jì)原理圖Fig.8 Neutron densimeter schematic diagram

3.4 電導(dǎo)率法

電導(dǎo)率法是根據(jù)蒸汽的電導(dǎo)率與添加物的濃度有一定比例關(guān)系來(lái)測(cè)量蒸汽干度的方法。添加物可以是濕蒸汽中原有的，通過(guò)測(cè)量鍋爐給水與鍋爐水的導(dǎo)電率，便可以計(jì)算出蒸汽干度；添加物也可以是額外添加的，如一些易溶于水且能形成離子的氣體，這些氣體溶于水后產(chǎn)生的離子能夠改變蒸汽的導(dǎo)電性，因此直接測(cè)量電導(dǎo)率就不準(zhǔn)確了，通常需要將蒸汽冷凝、除氣后，再測(cè)量其電導(dǎo)率，并確定凝結(jié)水中的離子濃度，然后與鍋爐給水中的離子濃度進(jìn)行比較，即可以得到蒸汽的干度[3,5]。此方法工業(yè)中應(yīng)用的相對(duì)廣泛，有必要進(jìn)一步完善和研究，其主要突破方向應(yīng)在取樣和去除可溶氣體及消除導(dǎo)電雜質(zhì)等方面影響。趙建華[19]在油田注汽鍋爐干度控制系統(tǒng)中對(duì)油田注汽鍋爐給水和濃縮水的電導(dǎo)率進(jìn)行在線測(cè)量，進(jìn)而計(jì)算出干度，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)，油田注汽鍋爐蒸汽干度控制系統(tǒng)圖如圖9所示，A1給水含鹽量，A2爐水含鹽量，X蒸汽出口干度，實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)運(yùn)行可靠，精度達(dá)標(biāo)，可在油田系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。

圖9 油田注汽鍋爐干度控制系統(tǒng)Fig.9 Stream dryness control system of stream-injection boiler

3.5 示蹤法

示蹤法有兩種，一種是化學(xué)離子示蹤法，一種是放射性元素示蹤法，示蹤法可用于蒸發(fā)器和鍋爐的蒸汽干度測(cè)量，其原理是在鍋爐給水中添加某種化學(xué)物質(zhì)或放射性物質(zhì)，水在高溫下會(huì)蒸發(fā)，被帶入蒸汽中的水滴里會(huì)溶入添加物的離子或放射性元素，而蒸汽的干度與給水中添加物的濃度與冷凝器中添加物的濃度有一定比例關(guān)系，根據(jù)兩處示蹤物的濃度，便可以確定蒸汽干度。此方法僅適用于距離鍋爐和蒸發(fā)器出口處較近的蒸汽干度的測(cè)量；對(duì)于遠(yuǎn)距離輸送，溫度會(huì)降低，干度也會(huì)受到影響，示蹤法就不再適用了[5]。脈沖中子活化（PNA）技術(shù)[20]是首先應(yīng)用在流動(dòng)測(cè)量中的，這是一種非擾動(dòng)示蹤技術(shù)，在充滿(mǎn)水的相同規(guī)格管子中，每個(gè)脈沖的活化量為已知時(shí)，則通過(guò)PNA技術(shù)便可測(cè)得各相流速和截面含汽率，根據(jù)這些數(shù)據(jù)即可計(jì)算出蒸汽干度，該方法不需要取樣，誤差減小，但操作相對(duì)復(fù)雜，設(shè)備造價(jià)較高，目前僅于實(shí)驗(yàn)研究中使用，PNA測(cè)量原理如圖10所示。

3.6 臨界速度法

臨界速度法是利用水和蒸氣混合物在流經(jīng)一個(gè)音速?lài)娮鞎r(shí)存在一個(gè)臨界流速的現(xiàn)象來(lái)測(cè)量蒸汽干度的，臨界流速是干度的函數(shù)，根據(jù)預(yù)先標(biāo)定好的干度與臨界流速的關(guān)系曲線就能得到蒸汽的干度。由于臨界流速對(duì)壓力變化特別敏感，因此必須修正由于壓力變化而給干度帶來(lái)的影響，阻力問(wèn)題較大程度上限制了臨界速度法的使用，一般只能用于壓力損失無(wú)要求的場(chǎng)合，例如油井出口的油氣計(jì)量、核泄漏分析等[21,22]。文獻(xiàn)[21,22]介紹了該方法在測(cè)量水及水蒸氣混合物干度方面的應(yīng)用。

圖10 PNA測(cè)量原理圖Fig.10 PNA schematic diagram

4 數(shù)學(xué)模型法

數(shù)學(xué)模型法測(cè)量濕蒸汽干度是將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論、模糊數(shù)學(xué)方法、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)等引用到蒸汽其他參數(shù)的測(cè)試，利用這些參數(shù)與蒸汽干度的關(guān)系便可測(cè)量蒸汽干度，主要有軟測(cè)量模型法和遼寧石油化工大學(xué)課題組首次提出的體積變化式干度測(cè)量技術(shù)[3]。

4.1 軟測(cè)量法

軟測(cè)量法是根據(jù)某種最優(yōu)理論規(guī)則，把易測(cè)的蒸汽狀態(tài)參數(shù)作為輸入?yún)?shù)，再通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)蒸汽干度進(jìn)行計(jì)算測(cè)量。該測(cè)量法是利用輔助變量與主導(dǎo)變量之間的關(guān)系，估算出主導(dǎo)變量的值。在蒸汽干度測(cè)量中，干度可依據(jù)飽和蒸汽質(zhì)量流量方程計(jì)算得出，軟測(cè)量模型結(jié)構(gòu)圖如圖11所示[23,24]。解仲坤[25]通過(guò)軟測(cè)量法對(duì)遼河油田某監(jiān)控系統(tǒng)采集的樣本仿真研究，并將該軟測(cè)量模型應(yīng)用于飽和蒸汽流量測(cè)量中，證明了該軟測(cè)量模型可以實(shí)時(shí)計(jì)算蒸汽干度， 干度軟測(cè)量法精度高，適應(yīng)性好。

圖11 軟測(cè)量模型結(jié)構(gòu)圖Fig.11 Block diagram of the soft sensing

4.2 體積變化式測(cè)量法

遼寧石油化工大學(xué)提出的體積變化式干度測(cè)量技術(shù)是利用鍋爐給水被加熱后在出口處成為濕蒸汽后其體積增加，出口處的干度與出口處的蒸汽體積成正比，水流量、燃料量、燃燒狀況及地層壓力等參數(shù)均能影響蒸汽干度，通過(guò)對(duì)注汽鍋爐的蒸汽壓力、蒸汽溫度、鍋爐給水溫度與壓力的測(cè)量，綜合得到蒸汽體積的膨脹量，建立體積膨脹與干度之間的關(guān)系模型，計(jì)算得到注汽鍋爐蒸汽的干度[3][26]。該技術(shù)的關(guān)鍵是如何測(cè)量注汽鍋爐出口蒸汽的體積流量，此方法測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定，精度達(dá)±5%，同時(shí)具自潔功能，并在遼河油田錦州采油廠、歡喜嶺采油廠、高升采油廠，測(cè)量效果良好。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一些常用的濕蒸汽干度測(cè)量方法，但這些方法仍存在一些實(shí)際問(wèn)題，干度測(cè)量關(guān)鍵在于如何提高測(cè)量精度及實(shí)現(xiàn)在線干度檢測(cè)等方面，研制出簡(jiǎn)單易行的陸地、海洋油田等領(lǐng)域干度測(cè)量方法及設(shè)備是亟待解決的問(wèn)題。

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Measurement Methods of Stream Dryness

QIU Li-can，ZHANG Lun-ting
(CNOOC Energy Development Co., Ltd. Engineering and Technology Branch, Tianjin 300452，China)

During the process of stream-injection heavy oil production, stream dryness is a key point of secure and effective production. It has effect not only on security of the stream-injection boiler but also on the recovery efficiency of the heavy oil. The methods, theory, characteristics and application of stream dryness measurement in oil field were introduced; development tendency of stream dryness measurement method was discussed.

Stream-injection; Stream dryness; Measurement

TE 357

A

1671-0460（2016）03-0652-05

2015-09-14

邱麗燦（1981-），男，山東省兗州市人，工程師，2006年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程專(zhuān)業(yè)，研究方向：從事石油開(kāi)采工藝及設(shè)備管理技術(shù)工作。E-mail：qiulc@cnooc.com.cn。