主頁 > 新聞動態 > 汽液兩相流計量比對裝置的設計原理及實驗步驟 2021-11-23

汽液兩相流計量比對裝置的設計原理及實驗步驟

由于稠油的黏度大、流動性差、凝固點高等因素決定了稠油難以像稀油那樣直接采出，在實際生產過程中，90%以上依靠蒸汽吞吐或蒸汽驅動進行稠油開采。而在蒸汽注入過程中，蒸汽的計量問題卻一直困擾著稠油生產。注入蒸汽無法計量造成了實際注入單井的蒸汽成了未知量，而依靠人工經驗計算的蒸汽注入量精度不高，因而在實際生產過程中造成了蒸汽利用率低、浪費大的現象。現有的濕蒸汽計量裝置，就目前來看還沒有合適的性能評價方法。
本文的目的是論述一種適合油田生產的濕蒸汽計量裝置，并建立相應的評價方法，結合國內外濕蒸汽計量方法，研究開發出適合油田生產條件的蒸汽計量比對裝置。
一、設計原理
濕飽和蒸汽計量的難點在于其為汽、液兩相流，且隨著壓力的變化液體水和汽之間會發生轉換。對其進行質量流量、干度、焓等參數的準確測量計算已成為蒸汽應用過程中的一項極為重要的工作。然而，濕蒸汽是典型的汽液兩相流，受其流動機理的復雜性影響，其參數僅依靠理論分析和計算很難準確建模和描述，還必須依賴實驗修正。蒸汽計量比對裝置原理如圖１所示，該裝置采用分離法對飽和蒸汽進行分離，得到單一相態的汽和飽和水，再用標準表對分離出的水、汽分別進行計量，計量后的汽和水重新摻混成濕飽和蒸汽，通過摻混前后蒸汽的熱力學性質不變的原理，計算出濕飽和蒸汽的流量、干度，以此為標準值實現對被檢表的校準，該方法已經申請國家專利。
二、現場工藝
現場工藝流程如圖2所示，汽源采用11.5t/h移動注汽鍋爐，鍋爐產生的蒸汽經過F5閥門進入汽水分離器，分離出的汽通過蒸汽流量計進行體積流量計量，分離出的水通過熱水流量計進行體積流量計量，同時在蒸汽流量計與熱水流量計前端安裝有壓力、溫度儀表，根據水和水蒸氣熱力性質公式IAPWS-IF97計算在不同壓力下的汽、水的密度及焓，配合體積流量計計算出汽、水質量流量、干度、熱量等參數。計算方法如下：
qm總＝qm水＋qm汽
X＝qm汽/qm總
式中：qm總———總質量流量；qm水———水質量流量；qm汽———汽質量流量；X———干度。
由于移動鍋爐蒸汽輸出有下限限制，因而采用閥門F7與F5配合用以分流進入標準系統的蒸汽總量，閥門F11與F12用來分流出一部分水用以提高標定系統的蒸汽干度。
Fz和Fs為汽、水取樣裝置，用以檢驗汽水分離器的分離效率。FD1為電動調節閥，用以調節分離器的液位，F13為系統調壓閥，用以提高或者降低系統壓力。

圖1　蒸汽計量比對裝置原理示意

圖2　蒸汽計量比對裝置現場工藝流程示意

三、汽水分離器效率驗證
該裝置的基本技術路線是將濕蒸汽分離為干飽和氣與飽和水，如果分離效果達不到設計要求，分離后的介質仍然是兩相流，則計量數據不可靠。因此，需要對分離后的介質是否為單相流進行驗證。
1.化學分析法
蒸汽狀態的水不含有氯離子，通過化驗飽和水及蒸汽中的氯離子的量濃度，可以得出汽中液態水的量濃度，氯離子化驗結果見表1所列。

續表1

通過表1可以看出，分離后的汽中氯離子的量濃度非常低。經計算，其液態水的質量分數為0.098％，即分離后的蒸汽干度為99.002％，達到了99.9％的設計目標。
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在氣路是否含液上，只要保證液位控制在設計區間，即可保證液中不含氣體。分離器的液位設計高度為325～675mm，裝置平穩工作后，分離器的平均液位一直保持在525mm左右，只有在壓力調節時會發生少量波動，滿足了設計要求，可以保證水中沒有氣體。汽水分離器的液位趨勢變化如圖3所示。

圖3　汽水分離器的液位趨勢示意

相態驗證結論：分離后的干飽和蒸汽和水為單相流，可以用普通流量計進行計量。
四、試驗結果
鍋爐流量為移動鍋爐來水質量流量，由鍋爐自帶孔板流量計測量；鍋爐干度采用手持電導率儀進行測量；平均干度、平均流量為標定裝置2h內測量結果的算術平均值，2個/s采集點，如圖4所示。從實驗結果來看，質量流量、干度相對偏差在5%以內。

圖4　質量流量和干度實驗結果相對偏差示意

五、結束語
從圖4可以看出，實驗范圍內的流量、干度相對于鍋爐進水量與鍋爐化驗干度的偏差在5%以內。由于鍋爐進水量、干度測量存在一定偏差，因而系統偏差應該小于5%。

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