稠油热注蒸汽干度测量方法评述

稠油热注蒸汽干度测量方法评述
摘要：在整个注汽锅炉运行过程中，蒸汽干度的影响因素众多，对蒸汽干度实现有效控制具有一定的难度。

本文对各影响因素进行分析，找出影响干度的最主要因素及其与蒸汽干度的关系。

对油田热注蒸汽（湿饱和蒸汽）干度测量的几种有效方法进行了分析，指出其中的优缺点，提出了今后稠油热注蒸汽干度测量方法的发展方向。

关键词：蒸汽干度；热注蒸汽；热力学法；发展方向
辽河油田是我国生产稠油的主力油田，其产量占全国稠油产量的三分之二。

主要采用注热蒸汽采油方式，是目前开采稠油最为经济、有效的方法。

蒸汽干度可以定义为单位时间内在一定蒸汽压力和温度下纯蒸汽占介质总流量的百分比。

它是一个间接的检测参数，与注汽锅炉多个运行参数有复杂的内在联系，同时检测的噪声很多，很难对蒸汽干度进行准确的测量。

目前，蒸汽干度测量的主要控制和测量方法有数学模型类、现场人工化验法、热力学类和非热力学类。

一、干度影响因素分析
在整个注汽锅炉运行过程中，蒸汽干度的影响因素众多。

众多影响因素的作用决定了蒸汽干度是一个强祸合的被控变量，因此，对蒸汽干度实现有效控制具有一定的难度。

我们必须对各影响因素进行分析，找出影响干度的最主要因素及其与蒸汽干度的关系。

根据能量守恒，注汽锅炉存在如下的能量关系：
可以看出，给水流量、天然气流量、蒸汽压力、锅炉热效率、饱和水熔、汽化潜热、给水熔和天然气低位发热量的扰动都将引起蒸汽干度波动。

二、蒸汽干度测量方法
1.现场人工化验法
蒸汽中无任何杂质，只有水蒸气分子。

各种盐类只存在于炉水和还没有汽化的饱和水中，湿蒸汽中饱和盐液的浓度越高，注汽锅炉的干度就越大。

人工化验法首先对锅炉的炉水进行部分采样，然后在实验室里利用水中的盐可以使石蕊试液变色的原理，测得水中的含盐量，再根据干度=（炉水含盐量-生水含盐量）/炉水含盐量的计算公式，得出蒸汽的干度值。

该方法的优点是操作简单且精确度较高，易于实现；缺点是数据不能实时得到，具有滞后性。

当锅炉燃烧及给水等情况有所变化时不能及时做出反应。

到目前为止，国内大部分油田还在使用该方法。

2.热力学法
根据与热力学有关的理论来测量蒸汽干度的方法称为热力学法。

依据热力学原理所设计的干度测量装置都要对蒸汽部分取样，只要取样时满足等动力学条件，就可以把取样蒸汽引向测量段并进行测量，取样蒸汽的干度就是管线中蒸汽的干度。

主要包括以下几种方法：
2.1节流法：美国Texaco 公司为了测量油田所注蒸汽的干度研制出了一种经济实用型的装置，该试验装置中包括了孔板和流量节流元件，并将孔板安装在节流元件上游，节流元件安装在注汽井的井口。

2.2凝结法：凝结法测量湿蒸汽干度的方法是将抽取的待测蒸汽和冷却水引入到一个绝热的间壁式冷却器中并凝结成水。

再测量一定时间内冷却水的吸热量Q、凝结水的温度T 和质量M，就可以在冷却器中建立能量平衡方程从而求得干度。

2.3加热法：加热法测量蒸汽干度，是将抽取的待测湿蒸汽试样在特定装置下加热成过热蒸汽，该加热装置采用双层套管结构，对蒸汽试样进行均匀加热，然后通过测量过热蒸汽的压力和温度来确定对应状态下的焓值，同时测量待测蒸汽试样的质量和加热过程中的加热量，再查表确定取样处一定压力下的饱和蒸汽焓值，从而求出试样蒸汽的干度。

2.4相分离法：相分离法是最早的气/液两相流流量和干度测量方法，它是利用气/液两相流密度差的原理分离气相和液相，经分离器分离后再测量单相流流体的质量流量，这样就可以得到蒸汽的干度。

3. 非热力学法
3.1放射法：放射法是将中子密度计和流量计结合起来确定蒸汽干度的方法，它是利用中子的衰减性以及热中子散射对氢密度极有很高的敏感性这一原理。

因此，热中子束通过充满蒸汽管道的传输情况与蒸汽密度相关，而管道中的空隙率是由蒸汽密度和压力确定的，最后通过空隙率就可以确定蒸汽的干度。

3.2微波测量法：超声波检测蒸汽干度的原理是：谐振腔内介质的介电常数变化时，会导致腔内谐振频率发生一定的偏移。

因此，湿蒸汽通过微波谐振腔时，由于湿蒸汽是两相混合物，并且存在气/液相变，会引起介电常数的变化，谐振腔就会受到微扰，其频率发生偏移。

人们通过测量谐振腔频率的偏移变化可以得到蒸汽的介电常数，而湿蒸汽的介电常数在一定压力（或温度）下与干度有关，进而可以确定蒸汽的干度。

3.3光学测量法：由于水蒸气是气/液两相混合物，在一定的温度和压力下气相和液相具有不同的折射率，当光线通过湿蒸汽时，蒸汽的组合折射率取决于气/液两相所占的比例。

利用这一关系，通过对湿蒸汽折射率的响应，以及对气相和液相折射率进行采集与分析，得出蒸汽中气/液两相的比例，进而可以确定蒸汽的干度。

3.4电导率法：电导率法的测量原理是蒸汽的导电率与其添加物的浓度呈比例关系。

3.5示踪法：示踪法分为化学离子示踪法和放射性元素示踪法，该法适用于蒸发器和锅炉中蒸汽干度的测量。

4.数学模型法
数学模型法测量湿蒸汽干度，是把人工神经网络理论、模糊数学方法、数据库技术、信号处理技术及计算机技术等引用到蒸汽其他参数的测试，利用这些参数与蒸汽干度的关系就能实现蒸汽干度的测量。

主要有软测量模型法和体积变化式干度测量技术。

4.1软测量法：依据某种最优理论规则，把蒸汽易测的状态参数作为输入数据，再利用计算机实现对蒸汽干度的计算测量。

该测量法是利用辅助变量与主导变量间的内在关系，但又不注重每个辅助变量之间的内部联系，只是强调如何利用辅助变量估算出主导变量的值。

4.2体积变化式测量法：进入注汽锅炉的水经过对流段、光管段以及炉膛的传热后，介质获得热量，其能量增加，同时水由液相部分变为气相，显著特征是注汽锅炉炉水的体积增加，体积增加得越多，蒸汽的干度就越高。

因此，注汽锅炉中蒸汽体积的增加必然与锅炉内蒸汽的干度存在内在联系。

因此，获得了给水温度、压力、锅炉入口给水的体积流量以及炉水的体积变化量，就可以计算出湿蒸汽的干度。

三、结束语
给出了蒸汽干度的影响因素。

分析了目前蒸汽干度测量方法的原理及优缺点，由于两相流的多样性和复杂性，但蒸汽干度的测量目前还面临着很多问题，如何提高测量精度、实现高温/高压下的在线测量等方面，研制出方法简单且精度较高的价廉仪表是今后工作的重点。

参考文献
[1] 万仁溥，罗英俊.采油技术手册[M].第八册.北京：石油工业出版社，1996.
[2] 周小林，曲良孟.湿蒸汽干度的软测量技术[J].化工自动化及仪表，1994，21（4）：42-45.。