亚临界汽水两相流量计在注汽炉中应用

摘要：针对我国油田大量使用亚临界注汽锅炉,但其流量干度测量问题却还没有解决的现状,采用分流分相的测量原理,研制出亚临界汽水两相流量计,实现了注气过程中的流量、干度等参数的在线测量。详细介绍了亚临界汽水两相流量计的结构组成及特点、工作原理、室内和现场试验及推广应用情况。试验表明,亚临界汽水两相流量计流量测量误差小于5%,干度测试误差小于6%,工作稳定且操作方便,完全满足现场使用要求。
引言
注蒸汽热力采油是当今世界开采稠油的方法之一。目前,稠油热采生产注汽难度加大,普遍采用高温高压的亚临界注汽锅炉进行注汽,虽然亚临界注汽锅炉已在油田大量应用,但随之而来的流量、干度测量问题却还没有解决。主要问题是在亚临界参数范围内,由于蒸汽与水的特性进一步接近,蒸汽-水两相流体的流动过程趋向平稳,各种测量信号的脉动特性基本消失,同时不同节流元件的差压信号的特性也趋于相同,因而导致现有的基于脉动原理和组合原理的两相流仪表基本失效。因此,要解决亚临界注汽参数的流量和干度测量问题就必须寻求新的测量方法。鉴于此,采用分流分相测量方法[1,2]开发了亚临界汽水两相流量计,解决了注汽过程中流量、干度等参数的在线测量问题。
亚临界汽水两相流量计是一种新型多相流体流量测量仪表,经过5年多的实验室研究,已进入产品开发阶段。该亚临界汽水两相流量计是从两相流中取出一小股汽-水混合物,将其分离成单相蒸汽和水,然后分别计量得到汽-水的流量和干度。目前该仪器已经成功应用油田多个采油厂,取得了很好的经济效益和社会效益。
技术分析
1.测试机理
亚临界汽水两相流量计测量采用的是分流分相法的测量原理:即采用分流技术从汽-水两相流中按比例分流出一小股汽-水混合物,并将其分离成单相蒸汽和水,然后再分别用单相流量计测量它们的流量,最后仍将这部分流体返回被测两相流体的管道。蒸汽-水两相流体的各相总流量则根据比例关系而定。
2.结构组成
亚临界汽水两相流量计主要由仪表体、变送器和工控机等3部分组成,仪表整体结构见图1。

1,5—U形管;2—接线盒;3—主管;4—分离筒;6,11—变送器;7,10—流量测量元件;8—温度测量元件;9—压力变送器;12—计算机
仪表体包括主管、分离筒体(主要是由分配器和分离器组成)、U形管、流量测量元件和温度计套管。整个仪表体通过卡箍组件与蒸汽管线相连接,测量仪共使用了4个变送器,变送器分别通过托架固定在仪表体上,4路信号线在接线盒内集中后再用屏蔽电缆与工控机连接。工控机内包括直流电源、A/D卡、主机及显示器等。
3.工作原理
被测两相流体(蒸汽)进入主管流过分配器时被分成2部分,一部分(80%～90%)沿原通道继续向下游流动,称这部分流体为主流体,这一支路为主流体回路;另一部分两相流体(10%～20%)则进入分离器,称这部分流体为分流体,这一支路为分流体回路。分流体经分离器分离后,气体和液体分别进入气体流量计和液体流量计进行计量,最后重新与主流体汇合,其工作原理见图2。测得流量、干度和压力等数据在工控机的显示屏上显示,流量、干度和压力等测量值每分钟更新1次,每10min存储1组数据,每天自动生成1个数据文件存储在工控机的硬盘上,可随时调出查看每天的注汽情况,也可保存和打印。

4.主要技术参数
流量测量范围:4～11.5t/h;
干度测量范围:20%～85%;
最高工作压力:22MPa;
最高工作温度:374℃;
流量测量精度:5%;
干度测量精度:6%(绝对误差)。
5.主要技术特点
分流分相法是将两相流体的流量测量变成了单相流测量,仅有很小的体积,便于做成仪表广泛应用。由于所有仪表都工作在单相流中,不仅能显著提高测量仪表的稳定性和可靠性,而且测量过程与流体的性质无关,既适合于亚临界注蒸汽测试,也适合于高压注蒸汽测试。它可以连续不间断对整个注汽过程进行测试,起到对整个注汽过程中注汽质量的监督,也可以对高压难注打排放进行注汽的井进行流量的准确计量。
室内试验及现场应用
1.室内试验情况
室内试验项目主要包括二次仪表的性能考核、蒸汽-水流量计标定、分流系数测定和模拟现场测量试验。
(1)二次仪表的性能考核对选用的二次仪表进行了长时间的性能考核。对压力变送器进行了加压和加温性能试验,证明各项指标符合要求,精度达到0.5%以内。对差压变送器进行了耐高压和长时间连续加载实验,证明变送器性能稳定,精度能达到0.2%。工控机的考核连续持续了300h,无任何故障。对数据采集板也进行了仔细的校核,证明了其高可靠性和精度。
(2)流量计标定对蒸汽和水流量计分别用水进行了标定。试验在多相流实验回路上完成,参考流量值(或标准流量)由Coriolis质量流量计测量,精度0.05%。图3、4分别为蒸汽和水流量计的标定结果。最大相对误差均小于0.57%。

(3)分流系数标定在多相流实验台上用空气-水模拟测量了分流系数值,该值为0.01347,精度1.5%。试验Re=5×103～2.8×104。现场试验证明,蒸汽的实际值与该值很接近,可以作为现场校核的基础。随着数据的积累,可望完全通过室内试验确定仪表的分流系数值。
(4)连机模拟测量试验为模拟注汽现场的情况,在多相流实验台上用空气-水代替蒸汽对测量仪做了性能考核。由于空气与蒸汽有很大差异,试验只是定性的,目的在于检验仪表的反应能力、二次仪表的稳定性和测量软件的可靠性。室内试验表明,亚临界汽水两相流量计完全达到设计要求。
2.现场应用情况
汽水两相流量计在胜利油田坨826井上进行了2井次的测试应用,注汽中最高压力20.5MPa,平均18MPa左右,无节流现象,井口压力与锅炉出口压力一致,测试仪运行稳定,未发生任何故障;汽量、水量的测量信号曲线平稳,未见明显波动;流量干度指示值稳定,无超过测量精度的跳动;能灵敏地反映锅炉的压力、流量和干度变化,尤其对熄火、烧干和燃烧变化反映迅速,与锅炉报警信号同步;干度测量值与化验值相差小于3%,流量值在锅炉给定范围内;自动记录测量结果,自动存盘和生成报表,停电时未见数据丢失。通过测试能及时掌握注汽锅炉的注汽质量,提醒工作人员及时调整锅炉运行状况,确保高质量的蒸汽注入油井,提高了坨826井的试油效果。
结论
(1)亚临界汽水两相流量计用分流分相法很好地解决了亚临界注汽过程中蒸汽流量和干度计量问题。
(2)室内标定和现场应用证明,该流量计在其测量范围内,流量测量误差小于5%,干度测量误差小于6%,完全满足现场应用要求。
(3)该流量计测量过程与流体的性质无关,既适合于亚临界注蒸汽测试,也适合于高压注蒸汽测试。
(4)该流量计具有测量范围大、误差小、工作稳定及现场操作方便等优点。它提升了汽-水两相流的测试水平,可进一步在稠油热采注汽测试中推广应用,为提高稠油热采开发效果提供了有力的保障手段。