蒸汽干度測量方法概述

邱麗燦，張輪亭

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

分析測試

蒸汽干度測量方法概述

邱麗燦，張輪亭

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

熱注蒸汽開采稠油時，蒸汽干度是一個關鍵的參數(shù)，它不僅會影響鍋爐的安全運行，也會直接關系到稠油的開采效率。介紹了油田熱注蒸汽干度測量方法，闡述了各種測量方法的原理、特點及應用情況，并展望了油田熱注蒸汽干度測量方法的發(fā)展趨勢。

熱注蒸汽；干度；測量方法

熱注蒸汽開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立的參數(shù)，所以只通過壓力或溫度不能確定濕蒸汽的狀態(tài)，通常用干度來表示濕蒸汽的狀態(tài)[1]。蒸汽干度是指單位質量濕蒸汽中飽和蒸汽所占的比例，水飽和時蒸汽的干度為零，蒸汽飽和時干度為100%[2]。干度過低，不能滿足后續(xù)工藝對工質的要求；干度過高，水中的鹽分易于附著于爐管壁上，使爐管結垢，降低鍋爐熱效率，影響設備安全運行。干度是表征蒸汽特性的重要參數(shù)，注汽井根據(jù)干度測量結果可確定正常生產時需要的蒸汽量和注汽時間，這對油田計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)定運行，快速、準確測量注汽鍋爐出口處濕蒸汽干度成為當今氣液兩相流學界研究的熱點，近年來，國內外很多專家學者對干度測試進行了大量研究。本文主要對這些研究方法進行綜合介紹，并展望其發(fā)展趨勢。目前，蒸汽干度測量方法主要有人工化驗方法、熱力學法、非熱力學法和數(shù)學模型法。

1 人工化驗方法

人工化驗法是通過對鍋爐中爐水取樣，再根據(jù)水中的鹽與石蕊試液接觸時會變色的原理測出水中鹽含量，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，是應用較早的一種干度測量方法[3]。此方法簡單，易于操作，精確度相對較高，但分析時間滯后，不能及時反映現(xiàn)場生產情況，測量結果還會由于操作精細程度、熟練程度帶來誤差[4]。

2 熱力學法

熱力學法采用的是與熱力學有關的理論來測量蒸汽干度的。熱力學法主要有節(jié)流法、混合法、加熱法、相分離法、凝結法等，這類方法均屬于抽氣取樣法，對取樣方式要求較高[5]。

2.1 節(jié)流法

節(jié)流法是利用孔板與臨界流量節(jié)流器來測量蒸汽干度的。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，但它無法直接測量出干度值，需要和孔板共同作用，孔板位于節(jié)流器的上方，進行二次測量，通過聯(lián)立關聯(lián)式求解獨立的質量流量方程式，計算蒸汽干度[6,7]。美國Texaco 公司成功的在加利福尼亞克恩河油田蒸汽驅中進行了試驗，現(xiàn)場結果證明此方法適用可行，測量的蒸汽干度精度為正負 5個干度點[6]。蒸汽干度測量裝置示意圖如圖1所示。

圖1 節(jié)流法蒸汽干度測量裝置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，絕熱條件下與外界引進的熱空氣充分混合，使混合后的空氣中水分含量尚未達到飽和，根據(jù)質能守恒定律推導出干度的表達式，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，質量流量w2，3-3截面處壓力為p3，溫度t3，質量流量w3，這種方法不需要測量流量，誤差較小，但為確保管道出口處空氣中水分含量未達到飽和，必須送入大量的空氣，這便增加了測試的難度[5]。張海鵬、龔圣捷等人[8]采用混合法測量了水、蒸汽兩相流的干度，文中介紹了干度測量原理及實驗操作方法，并通過計算得出水、蒸汽兩相流的干度，該方法簡單，實用性強。

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，把待測濕蒸汽試樣加熱成過熱蒸汽，然后測量其壓力和溫度從而確定對應溫度下的焓值，同時測量待測蒸汽試樣的質量及加熱成過熱蒸汽需要的熱量，再通過查表確定取樣點一定壓力下的飽和蒸氣焓值，從而計算出蒸汽干度值[3]，但加熱量及蒸汽試樣的質量是待測參數(shù)，由于散熱等因素的影響，誤差將會很大，修正工作也很復雜，加熱法測量原理圖如圖 3所示[5]。蘇云龍、王新軍等人[9]對加熱法測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量濕蒸汽濕度的測量原理，推導了濕度的計算公式，并編程計算了算例，分析了測量誤差，為后人使用該方法提供了寶貴的經(jīng)驗，該方法設備簡單、測量精確度高。

圖3 加熱法測量原理圖Fig.3 Heating method schematic diagram

2.4 相分離法

相分離法是一種應用最早的汽液兩相流干度測量方法，由于汽液兩相流密度不同，可將液相和汽相分離，再分別測量各相流體的質量流量，從而得到蒸汽的干度。目前，利用此方法可以實現(xiàn)在線測量，且方法簡單，但是缺點是汽液兩相無法被完全分離，特別是對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量了汽液兩相流的干度，通過測量被分離出來的單相氣體來確定氣液兩相流的干度，簡化了復雜兩相流干度的測試過程，并通過對測量設備的改進，測量精度大幅度提高。圖4為T型三通示意圖，X1、X2、X3分別為主管入口、直通支管出口、側支管出口干度；G1、G2、G3分別為主管入口、直通支管出口、側支管出口入口質量流速。

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

2.5 凝結法

凝結法與加熱法測量原理相反，它是將待測蒸汽通到一個絕熱的間壁式冷卻器中，與冷卻水換熱，使蒸汽凝結成水，測量一定時間內冷卻水吸收的熱量、凝結水溫度和質量[3]，根據(jù)熱力學原理及能量平衡方程可以計算出蒸汽的干度。此方法需要測量抽氣量、冷卻水量，會給測量結果帶來一定的誤差，修正也是很麻煩的，圖5為凝結式量熱計原理圖[5]。李世武、康芹、霍文達[11,12]研制了凝結式蒸汽干度測量裝置，以靜態(tài)混合法測量干度為基準依據(jù)，對凝結式蒸汽干度測量裝置精度進行了分析，通過現(xiàn)場實驗測試，驗證了凝結式蒸汽干度測量裝置的工程實用性。

圖5 凝結式量熱計原理圖Fig.5 Condensation schematic diagram

3 非熱力學法

非熱力學法主要有光學測量法、微波測量法、放射法、電導率法、示蹤法、臨界速度法等。

3.1 光學測量法

光學測量法是根據(jù)光線對濕蒸汽折射率的響應，通過對蒸汽中氣液兩相折射率采樣、分析，得到氣液兩相比例、密度，由折射率的響應進一步計算得出其干度，采用此方法測量蒸汽干度，干擾度較小，且測量范圍大，可以無間斷輸出待測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，折射率調制原理圖如圖6所示，Io入射光強度，IR反射光強度，i入射角。目前稠油熱采中已采用光學測量法測量蒸汽的干度，并且實際測量結果與油田注汽情況一致[13]。梁培、余建軍等人[14]進行了蒸汽干度光學折射率法的測量研究，研制了相應測量裝置，通過實驗室測試分析，并在溫度160 ℃，壓力0.6 MPa的鍋爐輸氣管道中運用，測試結果與鍋爐的輸氣過程相吻合，為以后的推廣和應用奠定了基礎。

圖6 折射率調制原理圖Fig.6 Refractive index schematic diagram

3.2 微波測量法

微波測量法是根據(jù)諧振腔內介質介電常數(shù)的變化會使腔內諧振頻率發(fā)生變化來測量蒸汽干度的。由于濕蒸汽是氣液兩相混合物，并且存在相變，當濕蒸汽經(jīng)過微波諧振腔時，會導致介電常數(shù)發(fā)生變化，諧振腔就會受到微擾，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，進而確定蒸汽干度[15]。祝曉燕、王繼選等人[16]研究了微波測量法在濕度測量中的應用，介紹了微波法測量原理，通過測試水的介電常數(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量法的研究中介紹了測量原理，進行了濕蒸汽發(fā)生器與過熱蒸汽中膨脹產生的濕蒸汽進行了測量，通過與計算值比較，測量誤差小于 1%，精度高，測試系統(tǒng)簡單，諧振腔微擾測量法測量蒸汽干度系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 諧振腔微擾測量法測量蒸汽干度系統(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與流量計來測量蒸汽干度的，它是根據(jù)氫密度對中子的衰減性以及熱中子散射敏感性較高這一原理來測量蒸汽干度的，中子密度計原理圖如圖8所示。此方法現(xiàn)場使用方便，但是該設備成本較高、操作繁瑣，并且會對環(huán)境造成嚴重污染，長期使用測量精度就會因中子輻射積累下來的影響而下降[3,6,18]。

圖8 中子密度計原理圖Fig.8 Neutron densimeter schematic diagram

3.4 電導率法

電導率法是根據(jù)蒸汽的電導率與添加物的濃度有一定比例關系來測量蒸汽干度的方法。添加物可以是濕蒸汽中原有的，通過測量鍋爐給水與鍋爐水的導電率，便可以計算出蒸汽干度；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生的離子能夠改變蒸汽的導電性，因此直接測量電導率就不準確了，通常需要將蒸汽冷凝、除氣后，再測量其電導率，并確定凝結水中的離子濃度，然后與鍋爐給水中的離子濃度進行比較，即可以得到蒸汽的干度[3,5]。此方法工業(yè)中應用的相對廣泛，有必要進一步完善和研究，其主要突破方向應在取樣和去除可溶氣體及消除導電雜質等方面影響。趙建華[19]在油田注汽鍋爐干度控制系統(tǒng)中對油田注汽鍋爐給水和濃縮水的電導率進行在線測量，進而計算出干度，并實現(xiàn)自動控制系統(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，實驗表明系統(tǒng)運行可靠，精度達標，可在油田系統(tǒng)中推廣應用。

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量，其原理是在鍋爐給水中添加某種化學物質或放射性物質，水在高溫下會蒸發(fā)，被帶入蒸汽中的水滴里會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量；對于遠距離輸送，溫度會降低，干度也會受到影響，示蹤法就不再適用了[5]。脈沖中子活化（PNA）技術[20]是首先應用在流動測量中的，這是一種非擾動示蹤技術，在充滿水的相同規(guī)格管子中，每個脈沖的活化量為已知時，則通過PNA技術便可測得各相流速和截面含汽率，根據(jù)這些數(shù)據(jù)即可計算出蒸汽干度，該方法不需要取樣，誤差減小，但操作相對復雜，設備造價較高，目前僅于實驗研究中使用，PNA測量原理如圖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)一個音速噴嘴時存在一個臨界流速的現(xiàn)象來測量蒸汽干度的，臨界流速是干度的函數(shù)，根據(jù)預先標定好的干度與臨界流速的關系曲線就能得到蒸汽的干度。由于臨界流速對壓力變化特別敏感，因此必須修正由于壓力變化而給干度帶來的影響，阻力問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要求的場合，例如油井出口的油氣計量、核泄漏分析等[21,22]。文獻[21,22]介紹了該方法在測量水及水蒸氣混合物干度方面的應用。

圖10 PNA測量原理圖Fig.10 PNA schematic diagram

4 數(shù)學模型法

數(shù)學模型法測量濕蒸汽干度是將人工神經(jīng)網(wǎng)絡理論、模糊數(shù)學方法、數(shù)據(jù)庫技術、信號處理技術及計算機技術等引用到蒸汽其他參數(shù)的測試，利用這些參數(shù)與蒸汽干度的關系便可測量蒸汽干度，主要有軟測量模型法和遼寧石油化工大學課題組首次提出的體積變化式干度測量技術[3]。

4.1 軟測量法

軟測量法是根據(jù)某種最優(yōu)理論規(guī)則，把易測的蒸汽狀態(tài)參數(shù)作為輸入?yún)?shù)，再通過計算機對蒸汽干度進行計算測量。該測量法是利用輔助變量與主導變量之間的關系，估算出主導變量的值。在蒸汽干度測量中，干度可依據(jù)飽和蒸汽質量流量方程計算得出，軟測量模型結構圖如圖11所示[23,24]。解仲坤[25]通過軟測量法對遼河油田某監(jiān)控系統(tǒng)采集的樣本仿真研究，并將該軟測量模型應用于飽和蒸汽流量測量中，證明了該軟測量模型可以實時計算蒸汽干度， 干度軟測量法精度高，適應性好。

圖11 軟測量模型結構圖Fig.11 Block diagram of the soft sensing

4.2 體積變化式測量法

遼寧石油化工大學提出的體積變化式干度測量技術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，通過對注汽鍋爐的蒸汽壓力、蒸汽溫度、鍋爐給水溫度與壓力的測量，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系模型，計算得到注汽鍋爐蒸汽的干度[3][26]。該技術的關鍵是如何測量注汽鍋爐出口蒸汽的體積流量，此方法測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定，精度達±5%，同時具自潔功能，并在遼河油田錦州采油廠、歡喜嶺采油廠、高升采油廠，測量效果良好。

5 結束語

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

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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)于中國石油大學（華東）石油工程專業(yè)，研究方向：從事石油開采工藝及設備管理技術工作。E-mail：qiulc@cnooc.com.cn。