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        稠油開采已成為我國石油開采的重要部分，目前采用的注蒸汽開采手段有蒸汽吞吐和蒸汽驅(qū)動兩種方法。油田注汽采用的是濕飽和蒸汽，即汽、水兩相混合物，蒸汽干度指單位質(zhì)量內(nèi)飽和蒸汽占濕蒸汽的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。蒸汽干度越高說明能量的利用率越高，采油效率也相應(yīng)提高。蒸汽干度過低會影響熱采效率，而蒸汽干度過高則管壁易結(jié)垢，不僅浪費(fèi)熱量，影響熱量傳遞，也可能引起鍋爐爆管。注汽鍋爐控制系統(tǒng)的核心是蒸汽干度控制系統(tǒng)，因此對蒸汽干度的測量意義重大。傳統(tǒng)干度測量方法通常采用人工化驗(yàn)法，在油田熱注作業(yè)中被廣泛采用，該方法的測量精度較高，但需要每隔幾個小時就進(jìn)行一次測量，因此相關(guān)人員的勞動強(qiáng)度較大，而且測量數(shù)據(jù)的隨機(jī)性較強(qiáng)、穩(wěn)定性差。
筆者將氣體流量計(jì)運(yùn)用到稠油注汽測量過程中，在線實(shí)時檢測蒸汽干度及蒸汽壓力等參數(shù)的變化，實(shí)現(xiàn)蒸汽干度的連續(xù)測量，以提高測量效率，及時反映注汽鍋爐的運(yùn)行情況，同時降低工人的勞動強(qiáng)度。
1 氣體流量計(jì)簡介
氣體流量計(jì)具有壓力損失小、可靠、精度高及對前/后管段要求低等特點(diǎn)，既可以測量氣體又可以測量液體的體積流量。其主要組成部分是無縫鋼管、內(nèi)部節(jié)流錐體以及錐體與鋼管的連接部分，錐體前端和錐體大節(jié)流處各有一個取壓口，來流方向?yàn)楦邏喝嚎冢?即錐體） ，另一個為低壓取壓口，試驗(yàn)用氣體流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 氣體流量計(jì)的測量原理
在流量計(jì)的應(yīng)用中，直徑比是一個重要參數(shù)。對于氣體流量計(jì)而言，流體流經(jīng)的空間為一個圓環(huán)，需將此圓環(huán)的面積等效為圓面積，此圓面積與圓環(huán)面積相等，因此氣體流量計(jì)的直徑比是一個等效直徑比。設(shè)管道內(nèi)徑為D，節(jié)流錐體大節(jié)流處橫截面的直徑為d，則等效直徑比β的計(jì)算

式中s1———錐體大節(jié)流處橫截面積，mm2 ;
s2———管道內(nèi)橫截面積，mm2。
根據(jù)連續(xù)性方程和伯努力方程推導(dǎo)出鍋爐給水量qv的計(jì)算式為:

由于在取壓口處測得的壓差是一個瞬時值，而式（ 2） 中的Δp是靜壓力?？紤]氣體連接部件對壓差的影響，以便對壓差進(jìn)行修正; 同時針對蒸汽這種可壓縮流體引入膨脹系數(shù)ε，對密度進(jìn)行修正，經(jīng)修正后得到流體體積流量的計(jì)算式為:

流出系數(shù)C 為實(shí)際流量與理論流量的比值，其計(jì)算式為:

3 蒸汽干度檢測系統(tǒng)
筆者設(shè)計(jì)的蒸汽干度檢測系統(tǒng)由氣體流量計(jì)、差壓變送器、壓力變送器、溫度傳感器、PLC 和PC機(jī)組成。該試驗(yàn)在某采油廠熱注站進(jìn)行，將現(xiàn)場工況檢測所得數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室流量計(jì)流量標(biāo)定系統(tǒng)標(biāo)定所得的氣體流量計(jì)測得的流量進(jìn)行對比，二者的誤差在0.8%以內(nèi)。熱注站有一臺額定蒸汽流量為23t 的注汽鍋爐，其額定壓力為17.5MPa，由于鍋爐使用年限已久，在實(shí)際應(yīng)用中將高蒸汽流量設(shè)為18t/h，額定壓力設(shè)為16.5MPa。
給水被鍋爐加熱后成為濕蒸汽，其質(zhì)量不變，但在出口處體積增加，由于出口處的蒸汽干度與蒸汽體積成正比，鍋爐給水流量、燃料供給壓力、燃燒器燃燒狀況及蒸汽壓力等參數(shù)均對蒸汽干度產(chǎn)生影響。在鍋爐給水入口和蒸汽出口處均安裝氣體流量計(jì)，通過對采油注汽鍋爐的蒸汽壓力、蒸汽溫度、鍋爐給水溫度、壓差和壓力這些參數(shù)的測量，結(jié)合以上各個參數(shù)得到蒸汽體積膨脹量，由PLC對以上測得的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到注汽鍋爐的蒸汽干度，其關(guān)系式如下:

4 試驗(yàn)過程
稠油開采注汽鍋爐蒸汽干度檢測系統(tǒng)的試驗(yàn)裝置由注汽鍋爐、氣體流量計(jì)（ 檢測段） 、差壓變送器、壓力變送器、溫度傳感器、PLC及PC機(jī)等組成。檢測段為氣體流量計(jì)（內(nèi)徑73mm，等效直徑比0.72） ，內(nèi)部V 錐是節(jié)流裝置，整個檢測段安裝在注汽鍋爐的蒸汽出口處，與蒸汽管線串聯(lián)，檢測段共兩個引壓口，來流方向?yàn)楦邏喝憾耍硪粋€為低壓取壓端，蒸汽流經(jīng)檢測段，壓力由檢測段引壓口導(dǎo)出。壓力變送器連接到檢測段高壓引壓口上，差壓變送器連接到兩個引壓口上，得到高壓取壓口與低壓取壓口的壓力差。連接過程需要注意高、低壓引壓端的連接方向，溫度傳感器安裝在檢測段前端管線處，壓力變送器、差壓變送器、溫度傳感器分別與PLC 和PC 機(jī)連接，將測得的信號輸入PLC，檢測段參數(shù)在程序中設(shè)置好，蒸汽體積流量由式（1） 、（4） 求出，將鍋爐給水流量、溫度、蒸汽壓力和檢測段壓差作為輸入量，以蒸汽干度作為輸出量。
注汽鍋爐產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)過鍋爐出口管線流經(jīng)檢測段，在檢測段處通過壓力變送器和差壓變送器得到壓力與壓差，溫度由熱電偶測得。試驗(yàn)所用鍋爐的蒸汽流量為18t/h，試驗(yàn)過程中分別調(diào)節(jié)蒸汽流量為15、16、17、18t /h，油田為了提高采油效率，蒸汽干度一般控制在75%; 試驗(yàn)過程中蒸汽干度由60%升至80%，每間隔約5% 作為一個干度監(jiān)測點(diǎn)，由氣體流量計(jì)在取壓口測得對應(yīng)干度下的壓力和溫度。
人工化驗(yàn)法檢測蒸汽干度χ 的計(jì)算式為:

式中a、b———爐水與生水消耗硫酸的體積，mL。本試驗(yàn)以人工化驗(yàn)方法連續(xù)檢測得到的蒸汽干度作為參照，將參照值與筆者設(shè)計(jì)的氣體流量計(jì)檢測系統(tǒng)得到的干度值作對比，具體的對比曲線如圖2 所示，可以看出通過V 錐流量計(jì)檢測系統(tǒng)測得的蒸汽干度具有較好的準(zhǔn)確性，其誤差在3%以內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)較為的在線測量，得到蒸汽干度與蒸汽壓力的連續(xù)關(guān)系，及時反映蒸汽干度的變化情況和對應(yīng)的蒸汽壓力。

圖2 蒸汽干度的人工化驗(yàn)值與氣體流量計(jì)檢測值對比曲線
注汽鍋爐出口蒸汽干度與壓力的關(guān)系如圖3所示，蒸汽壓力對蒸汽干度的影響很大，蒸汽干度隨著壓力的升高而增大，對于不同的蒸汽流量都存在一個蒸汽壓力，在低于該壓力值的情況下，蒸汽干度隨蒸汽壓力的升高變化不大，超過此壓力值時蒸汽干度隨蒸汽壓力的升高增加很快。由于蒸汽干度較低時壓力也很低，干度對蒸汽的影響不明顯，曲線出現(xiàn)交叉; 隨著時間的推移，油井注汽量逐漸增大，井壓也隨之變化，導(dǎo)致不同蒸汽流量在相同壓力下具有相同的蒸汽干度。

圖3 蒸汽干度與蒸汽壓力的關(guān)系曲線
蒸汽流量對蒸汽干度的影響也很大，在相同壓力時，蒸汽流量越大蒸汽干度越低。當(dāng)蒸汽干度相同時，對于不同的蒸汽流量，需要的蒸汽壓力也不相同; 對于同一蒸汽干度，蒸汽壓力隨蒸汽流量的升高而升高，注汽鍋爐的額定壓力決定了蒸汽流量。
由圖4 可以看出，在同一蒸汽流量下蒸汽干度與壓差成近似一次函數(shù)關(guān)系，蒸汽干度隨檢測段壓差的增大而增大，不同蒸汽流量下蒸汽干度與壓差形成的曲線為近似平行直線。將蒸汽干度以5%為間隔，從60%調(diào)節(jié)到80%，蒸汽壓差的變化范圍為7.08 ～ 12.04kPa，蒸汽流量每提高1t/h，在達(dá)到相同干度的情況下壓差變化相近。壓差與干度的這種對應(yīng)關(guān)系對于估計(jì)蒸汽干度能提供一定的參考。

圖4 蒸汽干度與壓差的關(guān)系曲線
5 結(jié)束語
筆者設(shè)計(jì)的稠油開采注汽鍋爐蒸汽干度氣體流量計(jì)檢測系統(tǒng)已投入實(shí)際應(yīng)用，能夠?qū)ψ⑵仩t的給水量和出口蒸汽流量進(jìn)行實(shí)時、測量; 對影響蒸汽干度的蒸汽壓力、蒸汽流量及壓差等重要參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通過調(diào)節(jié)參數(shù)，對于單一油井蒸汽干度實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確測量。蒸汽干度與氣體流量計(jì)測得的壓差具有近似的一次函數(shù)關(guān)系，在注汽鍋爐運(yùn)行過程中對其壓力及壓差等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測與調(diào)節(jié)，保障注汽鍋爐的安全運(yùn)行，對稠油開采的持續(xù)、穩(wěn)定進(jìn)行具有重要意義。