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汽液兩相流計(jì)量比對(duì)裝置的設(shè)計(jì)原理及實(shí)驗(yàn)步驟

由于稠油的黏度大、流動(dòng)性差、凝固點(diǎn)高等因素決定了稠油難以像稀油那樣直接采出，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，90%以上依靠蒸汽吞吐或蒸汽驅(qū)動(dòng)進(jìn)行稠油開采。而在蒸汽注入過(guò)程中，蒸汽的計(jì)量問(wèn)題卻一直困擾著稠油生產(chǎn)。注入蒸汽無(wú)法計(jì)量造成了實(shí)際注入單井的蒸汽成了未知量，而依靠人工經(jīng)驗(yàn)計(jì)算的蒸汽注入量精度不高，因而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中造成了蒸汽利用率低、浪費(fèi)大的現(xiàn)象�，F(xiàn)有的濕蒸汽計(jì)量裝置，就目前來(lái)看還沒(méi)有合適的性能評(píng)價(jià)方法。
本文的目的是論述一種適合油田生產(chǎn)的濕蒸汽計(jì)量裝置，并建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)方法，結(jié)合國(guó)內(nèi)外濕蒸汽計(jì)量方法，研究開發(fā)出適合油田生產(chǎn)條件的蒸汽計(jì)量比對(duì)裝置。
一、設(shè)計(jì)原理
濕飽和蒸汽計(jì)量的難點(diǎn)在于其為汽、液兩相流，且隨著壓力的變化液體水和汽之間會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)換。對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量流量、干度、焓等參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量計(jì)算已成為蒸汽應(yīng)用過(guò)程中的一項(xiàng)極為重要的工作。然而，濕蒸汽是典型的汽液兩相流，受其流動(dòng)機(jī)理的復(fù)雜性影響，其參數(shù)僅依靠理論分析和計(jì)算很難準(zhǔn)確建模和描述，還必須依賴實(shí)驗(yàn)修正。蒸汽計(jì)量比對(duì)裝置原理如圖１所示，該裝置采用分離法對(duì)飽和蒸汽進(jìn)行分離，得到單一相態(tài)的汽和飽和水，再用標(biāo)準(zhǔn)表對(duì)分離出的水、汽分別進(jìn)行計(jì)量，計(jì)量后的汽和水重新?lián)交斐蓾耧柡驼羝ㄟ^(guò)摻混前后蒸汽的熱力學(xué)性質(zhì)不變的原理，計(jì)算出濕飽和蒸汽的流量、干度，以此為標(biāo)準(zhǔn)值實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢表的校準(zhǔn)，該方法已經(jīng)申請(qǐng)國(guó)家專利。
二、現(xiàn)場(chǎng)工藝
現(xiàn)場(chǎng)工藝流程如圖2所示，汽源采用11.5t/h移動(dòng)注汽鍋爐，鍋爐產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)過(guò)F5閥門進(jìn)入汽水分離器，分離出的汽通過(guò)蒸汽流量計(jì)進(jìn)行體積流量計(jì)量，分離出的水通過(guò)熱水流量計(jì)進(jìn)行體積流量計(jì)量，同時(shí)在蒸汽流量計(jì)與熱水流量計(jì)前端安裝有壓力、溫度儀表，根據(jù)水和水蒸氣熱力性質(zhì)公式IAPWS-IF97計(jì)算在不同壓力下的汽、水的密度及焓，配合體積流量計(jì)計(jì)算出汽、水質(zhì)量流量、干度、熱量等參數(shù)。計(jì)算方法如下：
qm總＝qm水＋qm汽
X＝qm汽/qm總
式中：qm總———總質(zhì)量流量；qm水———水質(zhì)量流量；qm汽———汽質(zhì)量流量；X———干度。
由于移動(dòng)鍋爐蒸汽輸出有下限限制，因而采用閥門F7與F5配合用以分流進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的蒸汽總量，閥門F11與F12用來(lái)分流出一部分水用以提高標(biāo)定系統(tǒng)的蒸汽干度。
Fz和Fs為汽、水取樣裝置，用以檢驗(yàn)汽水分離器的分離效率。FD1為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，用以調(diào)節(jié)分離器的液位，F(xiàn)13為系統(tǒng)調(diào)壓閥，用以提高或者降低系統(tǒng)壓力。

圖1　蒸汽計(jì)量比對(duì)裝置原理示意

圖2　蒸汽計(jì)量比對(duì)裝置現(xiàn)場(chǎng)工藝流程示意

三、汽水分離器效率驗(yàn)證
該裝置的基本技術(shù)路線是將濕蒸汽分離為干飽和氣與飽和水，如果分離效果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，分離后的介質(zhì)仍然是兩相流，則計(jì)量數(shù)據(jù)不可靠。因此，需要對(duì)分離后的介質(zhì)是否為單相流進(jìn)行驗(yàn)證。
1.化學(xué)分析法
蒸汽狀態(tài)的水不含有氯離子，通過(guò)化驗(yàn)飽和水及蒸汽中的氯離子的量濃度，可以得出汽中液態(tài)水的量濃度，氯離子化驗(yàn)結(jié)果見表1所列。

續(xù)表1

通過(guò)表1可以看出，分離后的汽中氯離子的量濃度非常低。經(jīng)計(jì)算，其液態(tài)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.098％，即分離后的蒸汽干度為99.002％，達(dá)到了99.9％的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
2.分離器液位控制
汽水分離器分離效果的好壞更多地反應(yīng)在氣路是否含液上，只要保證液位控制在設(shè)計(jì)區(qū)間，即可保證液中不含氣體。分離器的液位設(shè)計(jì)高度為325～675mm，裝置平穩(wěn)工作后，分離器的平均液位一直保持在525mm左右，只有在壓力調(diào)節(jié)時(shí)會(huì)發(fā)生少量波動(dòng)，滿足了設(shè)計(jì)要求，可以保證水中沒(méi)有氣體。汽水分離器的液位趨勢(shì)變化如圖3所示。

圖3　汽水分離器的液位趨勢(shì)示意

相態(tài)驗(yàn)證結(jié)論：分離后的干飽和蒸汽和水為單相流，可以用普通流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量。
四、試驗(yàn)結(jié)果
鍋爐流量為移動(dòng)鍋爐來(lái)水質(zhì)量流量，由鍋爐自帶孔板流量計(jì)測(cè)量；鍋爐干度采用手持電導(dǎo)率儀進(jìn)行測(cè)量；平均干度、平均流量為標(biāo)定裝置2h內(nèi)測(cè)量結(jié)果的算術(shù)平均值，2個(gè)/s采集點(diǎn)，如圖4所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，質(zhì)量流量、干度相對(duì)偏差在5%以內(nèi)。

圖4　質(zhì)量流量和干度實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)偏差示意

五、結(jié)束語(yǔ)
從圖4可以看出，實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的流量、干度相對(duì)于鍋爐進(jìn)水量與鍋爐化驗(yàn)干度的偏差在5%以內(nèi)。由于鍋爐進(jìn)水量、干度測(cè)量存在一定偏差，因而系統(tǒng)偏差應(yīng)該小于5%。

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汽液兩相流計(jì)量比對(duì)裝置的設(shè)計(jì)原理及實(shí)驗(yàn)步驟

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