联合式湿蒸汽流量测量技术研究

摘要：国内、国际对于汽水两相流流量计量技术进行了大量试验研究，油田注汽锅炉的湿蒸汽流量计量隶属于这一范畴，发达国家投入大量的人力和物力资源，研制了一系列的复杂测量装置，具有代表性的有γ射线密度计-涡轮流量计-文丘利管组合装置和γ射线密度计-网状靶组合装置等测量装置。但是这些方法过于复杂，且运行成本过高，实际应用并不理想。本项目完成了锅炉湿蒸汽流量干度测量技术研究，进行了管路沿程热损失、压力损失计算，并通过现场试验验证，可使注汽质量流量和干度测量精度达到5.0%以下。

关键词：注汽锅炉 两相流 干度 流量

蒸汽吞吐是热力开采稠油油藏的主要方式, 湿蒸汽的流量及干度计量也就成为生产效果的有力保障，同时为了防止注汽锅炉的炉管内结垢，要求锅炉出口的蒸汽为干度为70-80%为宜。由于湿蒸汽的计量为流量、干度双参数计量，十分复杂。从国内的研究状况来看，还没有非常成熟的应用技术，有限的几种方法，具有一定的局限性。国际上具代表性的测量装置有γ射线密度计-涡轮流量计-文丘利管组合装置和γ射线密度计-网状靶组合装置等测量装置，但是投资昂贵，运行费用高。

本技术是在单相流标准孔板、文丘利管[1]的基础上加以发展，根据汽、水两相流通过标准孔板、文丘利管的压降规律，建立数学模型，开发了联合式湿蒸汽流量、干度测量装置，经过现场实际运行，解决这一测量难题，满足工程实际的生产需要。

1、测试原理研究

该测量系统由经过标定的标准孔板、经典文丘利管作为一次测量元件，高精度压力传感器、智能型差压变送器[2]转换并传输标准信号，标准4～20mA DC信号经I/V转换成1～5V电压信号，进入高速数据采集卡，首先在工控机中根据压力信号P调用IAPWS-IF97标准汽、水性质模块计算出饱和水、饱和蒸汽的密度及比焓；

对于标准孔板及经典文丘利管两节流件有以下两流量方程

Qm1= （ΔP1，X1）

（1）

Qm2= （ΔP2，X2）

（2）

根据质量守恒定律，流经两流量计的质量流量相同；管道经良好保温处理，忽略沿程热量损失及压力损失，湿蒸汽无相变，流经两流量计的湿蒸汽干度也相同。

则有条件

Qm1= Qm2

（3）

X1 = X2

（4）

注：下标1代表标准孔板处的参数，下标2代表文丘利管处的参数 Qm为质量流量，ΔP为压差，X1为干度

联立方程1、2、3、4即可根据差压信号、汽水密度算出湿蒸汽的干度、质量流量、载热量，同时对质量流量、载热量进行累积运算。重要参数适时存储于数据库，作为历史数据以备后期调用。系统通过D/A通道或标准通讯接口输出干度、累积流量，供上位机使用。原理图如下：

图1 联合式湿蒸汽流量测量工程原理图

汽、水性质模块执行最新的IAPWS-IF97公式，与IF-67相比计算精度提高10倍以上，且重复计算精度高。而运算速度提高4～12倍。

2、两相流测量数学模型[3]

对于直流锅炉，在稳定工况下，根据流体连续性原理可知，其湿蒸汽的质量流量近似等于给水质量流量。则湿蒸汽的质量流量、干度和孔板差压之间的关系可以抽象地用下式描述：

（5）

式中：G为湿蒸汽的质量流量，P为孔板差压，X为蒸汽干度， 为蒸汽和水的热物性参数向量。

对于饱和蒸汽与水的热物性参数向量有：

（6）

式中：P为局部工作压力。

求解非线性方程（5），（6）就可以计算出锅炉出口的蒸汽干度。考虑到汽水两相流为单组份流，并且工作压力较高，其流动特性近似于单相流动，因此可选用均相流孔板测量模型来处理试验数据。所用的均相流模型为：

（7）

式中：G为两相流总质量流量， 为孔板在饱和蒸汽中的流量系数， 为饱和蒸汽的流束膨胀系数，F为孔板流通截面积， 为两相流等效平均密度，P为孔板的差压，K为系数，取决于计算常数及单位。

两相流的等效平均密度 由下面的经验公式进行计算：

（8）

式中： 为饱和水的密度， 为饱和汽的密度，X 为蒸汽干度，C 为两相流经验修正因子。

影响修正因子C的主要因素为两相流速之比，即滑移比。在一定条件下可以近似的认为滑移比主要表现为两相密度比的函数。对于汽水两相流，两相密度比取决于工作压力与水的临界压力之比。因此，可认为两相流修正因子C是工作压力与临界压力之比的函数：

（9）

式中： 为工作压力，P0为临界压力

用数学回归的方法整理不同的压力下的实验数据，给出了修正因子的经验公式：

用于锅炉出口 （10）

用于井口 （11）

实验证明，对于孔板比在0.5～0.7，汽水两相流干度在0.2～0.9范围内，用此模型测量流量其均方误差小于3%。

因锅炉出口的蒸汽流量等于锅炉给水的流量，而给水流量是已知的，即：

（12）

式中：G0为锅炉给水流量，Gmax为给水流量计量程，P0为给水流量的差压，Pmax为给水差压变送器的量程。

求解非线性方程（7）、（8）、（9）、（12）就可以计算出锅炉出口的蒸汽干度。即：

（13）

式中：

K---等熵值数

支路蒸汽的参数测量：

在计量支路分井的流量与干度时，假定蒸汽干度的分配是均匀的，即两个支路的流体平均焓是相等的。在能量守恒关系中，可采用热能守恒的关系，这对于工业测量系统使用热能守恒来说，具有足够的精确度。

锅炉出口蒸汽的平均焓为：

(14)

式中：h为混合蒸汽的平均焓, h′为饱和水的焓，X为蒸汽干度，r为锅炉出口压力下的汽化潜能。