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1、湿蒸汽两相流计量技术交流,CPE新疆设计院、唐山博信 2011.12.20,前言,随着新疆油田稠油规模的不断扩大，生产方式的不断进步与转变，湿蒸汽两相流计量一直是制约稠油开发更好发展的技术瓶颈。 CPE新疆设计院新技术公司与唐山博信电子仪表有限公司、清华大学等合作，共同开发研制了湿蒸汽两相流计量技术，为新疆油田稠油产能建设与稠油老区二次开发贡献自己的一份力量。,蒸汽的分类,按蒸汽的存在形式分类，蒸汽可分为：饱和蒸汽和过热蒸汽两种。 过热蒸汽 过热蒸汽是一种单一的蒸汽形式，在过热蒸汽中是不存在饱和水的，测量其流量相对来说比较容易，只要进行温度压力在线密度补偿和修正就可得到准确测量。 饱和蒸汽 饱
2、和蒸汽由于其湿度的差别，又可以分为：干饱和蒸汽和湿饱和蒸汽。 干饱和蒸汽是纯饱和蒸汽，干饱和蒸汽的密度是其温度或者是其压力的单一函数，只要测量出它的温度值或者是压力值，便能确定它的密度大小，从而进行准确流量测量；而湿饱和蒸汽实际上就是含有一部分饱和水的湿蒸汽，严格地说，湿蒸汽是蒸汽和水的混合物（与湿空气中含有一部分水蒸汽相似）。,稠油热采高压蒸汽特点,1、湿蒸汽是稠油热采过程中的必要热载体，由于建设投资、运行成本、直流注汽锅炉的特点，普通直流注汽锅炉生产出的高压蒸汽干度小于80%； 2、过热注汽锅炉生产出的过热蒸汽过热度仅20左右，过热蒸汽经过管道输送，沿程不断散耗热量，至井口时，已经变成严格
3、意义上的湿蒸汽； 3、对于吞吐期转汽驱稠油热采方式，注入湿蒸汽的流量是必须控制的； 4、对于SAGD稠油热采开采方式，注入蒸汽的流量是必须控制的。,测量湿蒸汽是世界性难题1,在现实生产中，湿蒸汽中夹带的饱和水有两个来源。一是在饱和蒸汽生产过程中产生的；二是在蒸汽输送过程中产生的。蒸汽在管道中流动时，由于散热而损失一部分热量，如果此时饱和蒸汽的压力保持不变，对应的饱和蒸汽的温度同样也会保持不变。那么，散发（或者是损失）的这部分热量由谁来提供呢？它们是由一部分饱和蒸汽冷凝为饱和水，释放出汽化热来提供的。这个过程会使饱和蒸汽中含有的饱和水量增加，饱和蒸汽的湿度会进一步加大。,测量湿蒸汽是世界性难题2
4、,运行条件的不确定，使湿蒸汽中含有的饱和水份额不能准确地确定。湿蒸汽中含有的饱和水虽然体积很小，但其质量却很大，它的存在对于饱和蒸汽实际密度的影响是很大的。实际的饱和蒸汽的含水量是不可知的。因此，实际的湿饱和蒸汽的密度补偿、修正都没有可能（这里指的是湿饱和蒸汽含水量部分的密度补偿和修正，他们有别于温度、压力变化引起的干饱和蒸汽密度的修正和补偿）。在这样的状况下产生的流量测量偏差是不能够通过简单的方法消除的。所以大家戏称：（湿）饱和蒸汽流量的精确测量是“世界难题”。,湿蒸汽测量的现状,如何解决湿饱和蒸汽在线密度的测量问题，在上世纪八十年代以来已有很多科研人员在研究，最近也形成相应得产品投入试用，
5、但其效果差强人意，主要问题是测量精度不高。 其根源有二：其一是饱和蒸汽流量测量精度不高，因为饱和蒸汽是处在一个临界状态，任何的温度、压力变化都可能引起饱和蒸汽与饱和水之间的相互转化而导致介质密度变化，从而使测量结果出现很大偏差。而现在市场上使用的测量饱和蒸汽的流量计几乎都是差压式流量计，而差压如果是由于有插入件或截流件产生的，就不可避免的会引起流量计附近介质密度的瞬间变化，从而使测量结果出现或大或小的误差，这是无法避免的。其二在线介质密度的获得很困难，目前世界上还没有一种仪器可以精确的测量出湿饱和蒸汽密度，需要配合相应装置经过间接计算才能获得比较理想的密度测量结果。,工作原理,在使用不同流量计
6、测量饱和蒸汽过程中，由于它们的工作原理的不同，所测量的目标参数也是不一样的。我们就利用它们的不同，提出一种由直弯管流量计和进口涡街流量计组合式流量测量装置的构想。,工作原理（直弯管1）,直弯管流量计的工作原理，那就是惯性原理。 当流体流过直弯管传感器时，由于流体受到直弯管管壁的束缚，被迫作类似的圆周运动。于是使直弯管传感器的内外两侧产生了一个外侧为正、内侧为负的差压值。该差压值的大小与直弯管传感器的弯径比、流体的流速、流体的密度、直弯管传感器的管径等等参数有关。我们利用差压变送器测量出这个差压值，并通过必要的转换、运算就可以获得流体的真实流量值。,工作原理(直弯管2）,物体在作圆周运动时，遵从
7、的力学公式是这样的： F=MV2/R 其中：F-作圆周运动物体具有的离心力； M-作圆周运动物体的质量； V-作圆周运动物体的线速度； R-作圆周运动物体重心至旋转中心的距离，即旋转半径。,工作原理(直弯管3),由公式经过推导得出直弯管流量计流量公式 V=（，P，R，D）- 其中： -直弯管传感器修正系数（无量纲），通过试验获得 P -直弯管传感器产生的差压值（Pa）； -流体的密度（kg/m3）； v -流体在直弯管传感器中的平均流速（m/s）； R -直弯管传感器的中心曲率半径（m）； D -直弯管传感器的内径（m）； 对于一套直弯管流量计来说，R，D是固定不变的，所以上面的公式可简化速度
8、、差压值和密度的函数： V=（P，）-,工作原理（涡街1）,涡街流量计是应用流体振荡原理来测量流量的，流体在管道中经过涡街流量变送器时，在三角柱的旋涡发生体后上下交替产生正比于流速的两列旋涡，旋涡的释放频率与流过旋涡发生体的流体平均速度及旋涡发生体特征宽度有关，可用下式表示： fSt*vd- 式中:f为旋涡的释放频率，Hz；v为流过旋涡发生体的流体平均速度，m/s；d为旋涡发生体特征宽度，m；St为斯特罗哈数，无量纲，它的数值范围为0.140.27。St是雷诺数的函数，St=f（l/Re）。,工作原理（涡街2）,通过测量旋涡频率就可以计算出流过旋涡发生体的流体平均速度v，经过对涡街流量计进行实
9、流标定，能准确得出速度、和漩涡频率的函数：f=v， 为标定系数。由此可以得出用涡街流量计测量流速v完全可行，经过实流标定的涡街流量计精度能达到0.5%。,工作原理（组合1）,公式：V=（P，） 使用直弯管流量计测量湿蒸汽流量，除了差压值是真实介质在通过直弯管传感器时产生的真实数值之外，介质的密度和介质通过直弯管传感器时的流速都是未知数。在不知道湿饱和蒸汽干度的条件下是不能够通过简单的方法（温度或者压力补偿）获得湿饱和蒸汽的真实密度的。于是，我们必须解决湿饱和蒸汽在线密度或者是速度这两个未知量中的一个，我们才可以计算出另外一个未知量，最终获得准确的流量值。 我们利用涡街流量计的特点，将它作为一种
10、纯速度计使用。公式：fSt*vd，将它安装在饱和蒸汽的管道中，测量出饱和蒸汽在管道中的真实流速。 公式带入公式得到公式：d*f/St=（P，）- 将涡街流量计测量出来的饱和蒸汽流速提供给直弯管流量计，在直弯管流量计测量出直弯管传感器获得真实差压值的条件下，计算出饱和蒸汽在管道中的真实密度。这个密度是湿饱和蒸汽在管道中的真实密度。,工作原理（组合2）,我们测量出管道中饱和蒸汽的温度或者是压力值，计算出干饱和蒸汽的密度值。这两个密度的差值就是饱和蒸汽中的含水量。 得到了湿饱和蒸汽中饱和水的含量，也就是饱和蒸汽的干度，所有的干饱和蒸汽流量、饱和水流量以及湿饱和蒸汽的总流量就都可以方便的获得。这时，饱
11、和蒸汽的流量计量问题就完满解决了。 在这里我们着重说一下，之所以选用直弯管流量计，是因为它没有插入件、节流件，不会使湿蒸汽流经流量计时发生瞬时密度变化，这对准确计量很重要。,直弯管技术特点,精确地确定了湿蒸汽的在线密度； 在直弯管流量计中没有插入件、节流件，使介质流过流量计时密度不发生变化，流量测量精度得到保证； 直弯管流量计无插入件、节流件，耐磨损，使其可长周期稳定运行，避免了一个测量点频繁更换流量计重复投资的问题； 直弯管流量计可采用直接焊接安装，解决了跑、冒、滴、漏问题； 结构简单、附加阻力非常小，节省了运行费用； 重复精度和测量精度高； 环境适应性好，不受现场高温、粉尘、脏污、潮湿、电
12、磁场等环境影响； 免维修，维护非常简单，节省人力、物力投入； 性价比高。,美国进口涡街流量计技术特点, 智能型电子元件扩大了测量范围（雷诺数可低至5000）； 理想的蒸汽测量产品； 5种过程测量输出值可供选择（质量流量 、体积流量、温度、压力、密度）； 现场设置量程、报警、输出和显示防爆产品可使用磁铁通过防爆窗口进行设置； 变化幅度可达30:1； 温度可达750F（400C）； 压力可达1500磅/平方英寸（表压）； 插入式，管道式可选； FM认证； CSA，ATEX认证待定； 获中华人民共和国计量器具批准证书（CPA）； 通过防爆视窗面板上的六个按键和磁铁开关进行现场设置； 带HART协议。,BXBZ-1湿蒸汽两相流计量装置,CPE新疆设计院新技术公司、唐山博信和清华大学合作经过多年的研究与实验研制出了BXBZ-1型湿蒸汽两相流计量装置，科学合理地解决了湿蒸汽测量的问题，测量精度达到1.5级以上，完全满足工业现场要求。,系统组成,直弯管传感器 温度元件 压力元件 差压变送器 积算微机 显示屏幕 涡街传感器 二次表阀 伴热带 电源组件等,湿蒸汽两相流计量装置,系统图,拓扑图,汇报结束 敬请各位领导、专家 批评指正！,
