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蒸汽计量技术在热力采油注汽系统中的应用

摘要:在热力采油中,为提高经济效益、降低热采成本、保证安全运行,需对蒸汽流量和干度进行实时监测并进行控制,蒸汽计量技术在注汽系统监测中起到重要作用。就蒸汽流量和蒸汽干度的测量,总结、比较了常用的测量方法,并综述了蒸汽流量、干度测量理论的研究进展,最后介绍了计量自动控制的研究与应用。
我国拥有丰富的稠油资源,是继美国、加拿大和委内瑞拉之后的世界第四大稠油生产国。在油层的稠油开采中,由于超稠油粘度高、油层条件下流动能力低,传统的压差驱动方式不再适用,热力学方法中的蒸汽吞吐投资少、工艺技术简单、增产快,是首选的采油方法。注蒸汽热力采油是一种高成本的工艺技术,无论是蒸汽吞吐、蒸汽驱还是SAGD,都需要向油井注入高温高压的湿饱和蒸汽。为减少投资风险、降低热采成本和提高经济效益,需对注汽系统参数进行监测与控制。这些注汽参数主要包括:蒸汽流量、蒸汽干度、蒸汽压力等。其中,蒸汽流量与干度,由于两者相互耦合,不能直接获得,是注汽监测的重点和难点。
1、蒸汽计量技术在生产应用中的现状
1.1流量测量
目前已有很多种类型的流量计应用到蒸汽的流量测量中。其中,差压式流量计(如孔板、文丘里、喷嘴、V锥等)是蒸汽领域应用最广泛的流量计,其包含一个局部阻流体,通过测量阻流体前后差压,并根据流出系数和流体密度得到质量流率。需要注意的是,差压式流量计的精度除了与差压测量精度有关,还与蒸汽密度有关,因此需同时测量蒸汽干度并进行密度修正,才能得到较高的测量精度。
涡街流量计作为速度式流量计,因其无可动部件、耐高温高压等优点,被广泛应用在蒸汽测量中。其根据流体振动原理,通过测量振动频率,得到体积流量,进而计算质量流量。需要注意的是,涡街在高温下使用需进行仪表系数修正。
变面积流量计的优点是量程比大、直管段要求低、流量线性好、耐振性好、精确度高,有浮子变面积流量计和弹簧变面积流量计两种,但因其压损较大并有可动部件,限制了其应用场合。
除了上述流量计,常用的还有超声流量计、科式力流量计、涡轮流量计等。为了方便蒸汽测量选型,对常用蒸汽流量计,就典型应用场合、典型量程比、典型精度、优点及缺点进行总结,结果见表1,节流件典型压损的比较见图1。
1.2干度测量
蒸汽干度测量按方法分类,主要有人工化验法、热力学法、非热力学法和其他方法等。人工化验法需采样后实验室检测,不适宜制成工程上的实时测量仪器。
非热力学方法造价高、使用场合限制多、测量精度和使用寿命不理想,工程应用中存在着较大的局限与不足。热力法和光学法是比较有发展前途的流动湿蒸汽湿度的测量方法。光学法较复杂,其应用受到光波长、沉积污染等限制。相比其他方法,热力学法测量原理简单、结果准确性较高,采用绝对法测量湿度,不受汽流中水滴直径的限制,无需对湿度结果进行标定。因此,下面主要介绍热力学法测量湿蒸汽干度的方法,均为部分蒸汽取样测量。除上述凝结法外,常用的还有混合法、加热法和相分离法。混合法将湿蒸汽和水充分混合并使其处于湿蒸汽区,假设系统与涡街无热交换,根据质量守恒和能量守恒得到干度。加热法对湿蒸汽在装置中加热为过热蒸汽,由加热段能量守恒得到蒸汽干度。相分离法是最早的两相流量和干度测量方法,利用两相密度差分离气相和液相,再分别测出单相流的质量流量,得两相的干度。对常用干度测量方法进行总结、比较,结果见表2。
2、蒸汽计量技术的研究与发展
2.1流量测量理论研究
需要注意的是,上述流量计均为单相流量计,在测量湿蒸汽流量时,均会出现测量值(质量流量)偏低的情况,需要进行相关修正。Hussein和Owen通过湿蒸汽实验,比较了不同流量计的蒸汽修正系数。结果表明:孔板的修正系数最大,变面积流量计次之,涡街流量计的修正因子最小。因此,在修正不够精确的湿蒸汽情况下,涡街流量计计量性能更好一些。
由前所述,蒸汽流量与干度相互耦合,要想准确测量湿蒸汽流量,需对传统的单相流量计进行干度修正。目前基于组合式仪表的蒸汽测量方法,为湿蒸汽的流量和干度测量提供了新的思路。很多研究者进行了湿蒸汽双参数测量特性的相关研究。很多著名公司也进行了组合式仪表的研制,这些组合仪表主要包括:双差压式、涡街与差压式组合、双涡街法、超声流量计与科式力组合等。这些均为双参数测量,可同时测量湿蒸汽的流量与干度。
2.2干度测量理论研究
干度在实际应用中很重要,但由于两相流型的复杂性和汽、液之间的相变,使的干度的测量成为国际上一直没有解决好的一个难题。除了上述人工化验法和热力学法,最主要的是非热力学法,主要包括放射法、微波测量法、光学测量法、示踪法、临界流速法等。其他方法还有称重法、数学模型法等。
2.3计量自动控制的研究与应用
在稠油热采中,需要对注汽流量和干度进行实时监测并进行自动控制。蒸汽流量和干度通过调节锅炉水量和火量进行控制。蒸汽流量和干度的测量可通过上述介绍的方法,将干度和流量以4~20mA标准信号,传输到PLC,从微机终端设定的蒸汽干度作为给定值。PLC将测量值和给定值进行运算,经PLC的输出模块输出调节信号,将测量值和给定值进行运算,经PLC的输出模块输出调节信号,在火量相对稳定的情况下,对水量进行适当调节,控制柱塞泵变频器来调节柱塞泵的排量,以达到恒干度闭环控制的目的。当调节水量无法满足控制需要量,即水量在最大或最小长时间运行,再调节火量进行控制。即为主调水、副调火的自动控制模式。综上,蒸汽计量技术及计量精度的提高,是蒸汽流量和干度自动控制的基础。蒸汽计量技术对于热力采油的安全运行、采油效率和经济效益提高有重要影响,需要进一步深入研究。
3、结论
本文系统介绍了蒸汽计量技术在热力采油注汽系统中的应用。总结并比较了常用的蒸汽流量和干度的测量方法,对流量、干度的测量理论研究进展进行了综述,最后介绍了计量自动控制的研究与应用。蒸汽计量技术的合理、有效应用,再结合蒸汽计量自动控制技术,可实现蒸汽流量、干度的自动控制,对提高蒸汽热力采油的经济效益、降低热采成本、保证安全运行有重要意义。