我國(guó)擁有豐富的稠油資源，是繼美國(guó)、加拿大和委內(nèi)瑞拉之后的四大稠油生產(chǎn)國(guó)。在油層的稠油開(kāi)采中，由于超稠油粘度高、油層條件下流動(dòng)能力低，傳統(tǒng)的壓差驅(qū)動(dòng)方式不再適用，熱力學(xué)方法中的蒸汽吞吐投資少、工藝技術(shù)簡(jiǎn)單、增產(chǎn)快，是優(yōu)選的采油方法。注蒸汽熱力采油是一種高成本的工藝技術(shù)，無(wú)論是蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)還是SAGD，都需要向油井注入高溫高壓的濕飽和蒸汽。為減少投資風(fēng)險(xiǎn)、降低熱采成本和提高經(jīng)濟(jì)效益，需對(duì)注汽系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制。這些注汽參數(shù)主要包括:蒸汽流量、蒸汽干度、蒸汽壓力等。其中，蒸汽流量與干度，由于兩者相互耦合，不能直接獲得，是注汽監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
1 蒸汽計(jì)量技術(shù)在生產(chǎn)應(yīng)用中的現(xiàn)狀
1．1 流量測(cè)量
目前已有很多種類(lèi)型的流量計(jì)應(yīng)用到蒸汽的流量測(cè)量中。其中，差壓式流量計(jì)(如孔板、文丘里、噴嘴、V錐等)是蒸汽領(lǐng)域應(yīng)用*廣泛的流量計(jì)，其包含一個(gè)局部阻流體，通過(guò)測(cè)量阻流體前后差壓，并根據(jù)流出系數(shù)和流體密度得到質(zhì)量流率。需要注意的是，差壓式流量計(jì)的精度除了與差壓測(cè)量精度有關(guān)，還與蒸汽密度有關(guān)，因此需同時(shí)測(cè)量蒸汽干度并進(jìn)行密度修正，才能得到較高的測(cè)量精度。
渦街流量計(jì)作為速度式流量計(jì)，因其無(wú)可動(dòng)部件、耐高溫高壓等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在蒸汽測(cè)量中。其根據(jù)流體振動(dòng)原理，通過(guò)測(cè)量振動(dòng)頻率，得到體積流量，進(jìn)而計(jì)算質(zhì)量流量。需要注意的是，渦街在高溫下使用需進(jìn)行儀表系數(shù)修正。
變面積流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是量程比大、直管段要求低、流量線(xiàn)性好、耐振性好、**度高，有浮子變面積流量計(jì)和彈簧變面積流量計(jì)兩種，但因其壓損較大并有可動(dòng)部件，限制了其應(yīng)用場(chǎng)合。
除了上述流量計(jì)，常用的還有超聲流量計(jì)、科式力流量計(jì)、渦輪流量計(jì)等。為了方便蒸汽測(cè)量選型，對(duì)常用蒸汽流量計(jì)，就典型應(yīng)用場(chǎng)合、典型量程比、典型精度、優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，結(jié)果見(jiàn)表 1，節(jié)流件典型壓損的比較見(jiàn)圖 1。
典型蒸汽流量計(jì)比較
各種節(jié)流件長(zhǎng)久壓損比較
1．2 干度測(cè)量
蒸汽干度測(cè)量按方法分類(lèi)，主要有人工化驗(yàn)法、熱力學(xué)法、非熱力學(xué)法和其他方法等。人工化驗(yàn)法需采樣后實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，不適宜制成工程上的實(shí)時(shí)測(cè)量?jī)x器 。
非熱力學(xué)方法造價(jià)高、使用場(chǎng)合限制多、測(cè)量精度和使用壽命不理想，工程應(yīng)用中存在著較大的局限與不足。熱力法和光學(xué)法是比較有發(fā)展前途的流動(dòng)濕蒸汽濕度的測(cè)量方法。光學(xué)法較復(fù)雜，其應(yīng)用受到光波長(zhǎng)、沉積污染等限制。相比其他方法，熱力學(xué)法測(cè)量原理簡(jiǎn)單、結(jié)果準(zhǔn)確性較高，采用優(yōu)良法測(cè)量濕度，不受汽流中水滴直徑的限制，無(wú)需對(duì)濕度結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定。因此，下面主要介紹熱力學(xué)法測(cè)量濕蒸汽干度的方法，均為部分蒸汽取樣測(cè)量。除上述凝結(jié)法外，常用的還有混合法、加熱法和相分離法。混合法將濕蒸汽和水充分混合并使其處于濕蒸汽區(qū)，假設(shè)系統(tǒng)與渦街無(wú)熱交換，根據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒得到干度。加熱法對(duì)濕蒸汽在裝置中加熱為過(guò)熱蒸汽，由加熱段能量守恒得到蒸汽干度。相分離法是*早的兩相流量和干度測(cè)量方法，利用兩相密度差分離氣相和液相，再分別測(cè)出單相流的質(zhì)量流量，得兩相的干度。對(duì)常用干度測(cè)量方法進(jìn)行總結(jié)、比較，結(jié)果見(jiàn)表2。
各種熱力學(xué)干度測(cè)量方法的測(cè)量精度比較及誤差來(lái)源
2 蒸汽計(jì)量技術(shù)的研究與發(fā)展
2．1 流量測(cè)量理論研究
需要注意的是，上述流量計(jì)均為單相流量計(jì)，在測(cè)量濕蒸汽流量時(shí)，均會(huì)出現(xiàn)測(cè)量值(質(zhì)量流量)偏低的情況，需要進(jìn)行相關(guān)修正。Hussein 和 Owen ［14］ 通過(guò)濕蒸汽實(shí)驗(yàn)，比較了不同流量計(jì)的蒸汽修正系數(shù)。結(jié)果表明:孔板的修正系數(shù)*大，變面積流量計(jì)次之，渦街流量計(jì)的修正因子*小。因此，在修正不夠**的濕蒸汽情況下，渦街流量計(jì)計(jì)量性能更好一些。
由前所述，蒸汽流量與干度相互耦合，要想準(zhǔn)確測(cè)量濕蒸汽流量，需對(duì)傳統(tǒng)的單相流量計(jì)進(jìn)行干度修正。目前基于組合式儀表的蒸汽測(cè)量方法，為濕蒸汽的流量和干度測(cè)量提供了新的思路。很多研究者進(jìn)行了濕蒸汽雙參數(shù)測(cè)量特性的相關(guān)研究。很多杰出公司也進(jìn)行了組合式儀表的研制，這些組合儀表主要包括:雙差壓式、渦街與差壓式組合 ［22］ 、雙渦 街法、超聲流量計(jì)與科式力組合 ［24］ 等。這些均為雙參數(shù)測(cè)量，可同時(shí)測(cè)量濕蒸汽的流量與干度。
2．2 干度測(cè)量理論研究
干度在實(shí)際應(yīng)用中很重要，但由于兩相流型的復(fù)雜性和汽、液之間的相變，使的干度的測(cè)量成為上一直沒(méi)有解決好的一個(gè)難題。除了上述人工化驗(yàn)法和熱力學(xué)法，*主要的是非熱力學(xué)法，主要包括放射法、微波測(cè)量法、光學(xué)測(cè)量法、示蹤法、臨界流速法等。其他方法還有稱(chēng)重法、數(shù)學(xué)模型法等。
2.3 計(jì)量自動(dòng)控制的研究與應(yīng)用
在稠油熱采中，需要對(duì)注汽流量和干度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并進(jìn)行自動(dòng)控制。蒸汽流量和干度通過(guò)調(diào)節(jié)鍋爐水量和火量進(jìn)行控制。蒸汽流量和干度的測(cè)量可通過(guò)上述介紹的方法，將干度和流量以 4 ～20 mA 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，傳輸?shù)?PLC，從微機(jī)終端設(shè)定的蒸汽干度作為給定值。PLC將測(cè)量值和給定值進(jìn)行運(yùn)算，經(jīng) PLC 的輸出模塊輸出調(diào)節(jié)信號(hào)，將測(cè)量值和給定值進(jìn)行運(yùn)算，經(jīng) PLC 的輸出模塊輸出調(diào)節(jié)信號(hào)，在火量相對(duì)穩(wěn)定的情況下，對(duì)水量進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，控制柱塞泵變頻器來(lái)調(diào)節(jié)柱塞泵的排量，以達(dá)到恒干度閉環(huán)控制的目的。當(dāng)調(diào)節(jié)水量無(wú)法滿(mǎn)足控制需要量，即水量在*大或*小長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，再調(diào)節(jié)火量進(jìn)行控制。即為主調(diào)水、副調(diào)火的自動(dòng)控制模式。綜上，蒸汽計(jì)量技術(shù)及計(jì)量精度的提高，是蒸汽流量和干度自動(dòng)控制的基礎(chǔ)。蒸汽計(jì)量技術(shù)對(duì)于熱力采油的安全運(yùn)行、采油效率和經(jīng)濟(jì)效益提高有重要影響，需要進(jìn)一步深入研究。
3 結(jié) 論
本文系統(tǒng)介紹了蒸汽流量計(jì)量技術(shù)在熱力采油注汽系統(tǒng)中的應(yīng)用?？偨Y(jié)并比較了常用的蒸汽流量和干度的測(cè)量方法，對(duì)流量、干度的測(cè)量理論研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，*后介紹了計(jì)量自動(dòng)控制的研究與應(yīng)用。蒸汽計(jì)量技術(shù)的合理、有效應(yīng)用，再結(jié)合蒸汽計(jì)量自動(dòng)控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)蒸汽流量、干度的自動(dòng)控制，對(duì)提高蒸汽熱力采油的經(jīng)濟(jì)效益、降低熱采成本、保證安全運(yùn)行有重要意義。
