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湿饱和蒸汽两相流量计测量方案

时间:2018/06/08来源:未知

要:针对新疆油田凤城作业区油井,进行了现场分析,提出了解决方案。油田注汽锅炉的湿蒸汽流量计量采用汽水两相流流量计量技术。使用涡街-V 锥联合式湿蒸汽两相流量测量装置,对作业区SAGD 工艺井口的注入蒸汽流量进行测量监控,完成工况条件下,锅炉湿蒸汽干度和流量的测量。取得汽质量流量精度达到±5.0%,湿蒸汽干度精度±5.0%的测量精度。为进一步提高油井的开采率提供技术保障。

1、概述:
  在油田的稠油开采中,一般采用注汽热采的方式。蒸汽辅助重力泄油 SAGD(Steam Assisted GravityDrainage)工艺,要求向注汽井连续注入高温、高干度蒸汽,而从锅炉出口到井口,由于管路沿程热损失和压力损失,因此在实际生产过程中对传输管道湿蒸汽的流量、干度的计量对稠油开采管理十分重要。
涡街和 V 锥是用于单相流体的传统测量元件,由于其结构简单、工作可靠、技术成熟,因而得到了广泛应用。湿饱和蒸汽两相流量测量装置在涡街、V 锥的基础上加以发展,根据汽、水两相流通过涡街和 V 锥的流量特性,建立数学模型,开发了联合式湿蒸汽流量、干度测量装置,经过现场实际测试, 解决这一测量难题,满足工程实际的生产需要,是一种高性价比的技术方案。
 
2、设备原理及数学模型:
2.1、设备原理:
  该测量系统(见图 1)由经过标定的涡街、V 锥作为一次测量元件,涡街频率信号处理模块,高精度压力传感器、智能型差压变送器转换并传输标准信号,标准 4~20 mA DC 信号经 I/V 转换成 1~5 V 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
序号 名称 单位 数量
1 涡街流量计 1
2 V 锥流量计 1
3 差压变送器 1
4 压力变送器 2
5 温度变送器 2
6 自适应流量计算机 1
8 排风扇 1
9 防水仪表控制箱 1

  根据频率,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。原理见图 2。
图 1  测量系统	图 2 原理


图 1  测量系统 图 2 原理

2.2、数学模型:
涡街流量计是应用流体振荡原理来测量流量的,当流体经过旋涡发生体时,交替产生正比于流速的两列旋涡,旋涡的频率与流体的平均速度成正比。
涡街流量计的流量计算公式为:
Q f

v1
1
式中 f——漩涡频率;K1——标定系数,实际计算时需加入补偿
锥形流量计也是一种差压式仪表,与其他通用的差压流量计原理相同,都是基于密闭管道中能量相互转化的伯努利定律。在稳定流场的情况下,管道中的流速与差压的平方根成正比。利用流体的连续性方程和伯努利方程,即可推导出测量流量与输出差压的数学关系式。流量公式如下:

Qv 2
K2e
 
式中 Qv2——体积流量;ρ2——为流体工况密度;Δp——差压;ε——气体膨胀系数;
K2——常数(与流出系数 C,节流比 β,等效开孔直径 d 有关)

K2 = C
π d 2 1

从工作原理可知,涡街流量计是一种与密度无关的纯速度式流量计,而锥形流量计所测差压与密度是有直接关系的。两者质量流量可分别表示为:
Qm1  =  K r
1   1
Qm 2 = K2e
根据连续性方程: Qm1 = Qm 2
 
两仪表位置很近: r1 » r2 = r
上述两式相除可得气液两相流的工况密度:
r = K 2e 2DpK 2 
2 1
f 2
  有了实际密度 ρ,代入涡街或 V 锥的流量公式即可求得实际的质量流量。管道中饱和蒸汽的干密度,通过测管道温度,压力可以直接求得。有了干密度和实际密度它们的比值就得到干度。
2.3、数学模型修正:
  流出系数 C 是指通过节流装置的实际流量值与理论流量值之比,将它应用到理论流量方程中以获得实际的流量。在一定条件下,对于给定的节流装置,该值仅与雷诺数有关,对于不同的节流装置,只要这些装置是几何相似,并且在相同的雷诺数条件下,则 C 值是相同的,流出系数 C 的计算式是以大量实验所确定的数值为依据,并以标准的形式给出。
  传统的节流装置量程比较窄,主要是流出系数 C、可膨胀性系数 ε 等中间参数引起的。传统的节流式流量计是将流出系数C 和可膨胀性系数ε 视为定值(C 和ε 由专门的节流装置设计计算App计算得到),置入现场的流量积算仪。下图是一台典型节流件的系数曲线。
图 曲线

图中曲线表明:
ReD=3×104C=0.6101;ReD=1×104C=0.617 6;平均值 C=0.613 9,即在 3×104~1×104 范围内
(3:1)其不确定度为 0.61%。
ReD =5×104,C=0.608 1;ReD =5×103C=0.626 4;平均值 C=0.617 3,即在 5×104~5×103 范围内
(10:1)其不确定度为 1.5%。
在实际测量中,由于流量变化而使雷诺数小于界限值的情况时有发生,如果不进行修正,仍按计算书的 C 值来计算流量,会带来较大的误差。
同样,可膨胀性系数 ε 在超测量范围情况下,所引起的测量不确定度更不容忽视。
例如,一台角接取压 V 锥流量计(D=100 mm,β=0.5)测量过热蒸汽(压力=4 MPa,温度=400 ℃),雷诺数在 28×105~2.8×105(介质流速:52~5.2 m/s)范围内,可膨胀系数 ε 的不确定度为 3.0%。
流量计算机可自动实时计算流出系数 C 和流速可膨胀系数 ε,这是实现节流式流量计宽量程自动补偿的关键所在。
为了保证单表测量精度,在湿蒸汽流量计算中,还采取了如下补偿措施:
1) 对湿蒸汽密度进行了温度、压力的补偿计算,并且在补偿算法上采用了国际上最新的 IAPWS-IF97 汽、水性质计算模块,比通常采用的查表法、插值法、多项式曲线拟合法精度大幅提高。而且与以往的IF-67 汽、水性质计算模块相比计算精度提高 10 倍以上,且重复计算精度高。而运算速度提高 4~12 倍。
2) 根据压力的变化,对流出系数 C 随压力的变化进行了补偿,提高了测量精度。
3) 根据温度的变化,还对 V 锥直径 d 随温度的变化进行了补偿,提高了测量精度。
4) 为消除流量变化对 V 锥流出系数 C 的影响,组装前对节流装置进行标定,提高了测量精度。

3、安全评价:
3.1、工艺先容:
(1)流量计的安装
  设备在安装前应检查节流装置编号和尺寸是否符合管道位置的要求;新装管路系统,必须在管道冲洗后再进行设备的安装;注意设备安装方向按箭头标记。流量计中心应该和管道中心线相重合,同心度误差不得超过 0.015(1/β-1)的数值。流量计在管道中安装时保证其端面与管道轴线垂直,垂直度误差不超过±1°。设备安装处必须严格密封,不允许有泄漏现象存在。因此,安装工作必须在管道试压前进行。导压管应垂直或倾斜敷设,其倾斜度不得小于 1:12。为了避免差压讯号传送失真,正负导压管应尽量靠近敷设,严寒地区还应采取防冻措施。可采用电伴热或蒸汽伴热保温,但要防止被测介质过热汽化和在导压管中产生气体造成假差压。流量计安装在水平主管道上时,取压口位置应保证冷凝液回流如下图所示。
冷凝液回流图

  为了避免高温蒸汽的影响,在仪表和节流装置之间的导压管线上,必须安装两个位于同高度上的冷凝器,并在冷凝器、导压管和高低压室内充满冷凝水,以避免高温对仪表损害。最好将仪表装在节流装置下方,这样可以防止气体进入导压管和仪表内,冷凝器应安装在尽量靠近节流装置处。
设备安装完毕,经过压力试验后即可投入运行。就地仪表的精度直接影响系统的精度,因此投运前, 应保证冷凝器及导压管路中建立起水柱,并将管路中的气泡排出,以免产生附加误差。
  投运前所有阀门处于关闭状态,首先开启平衡阀,以免单向高静压力冲击损伤差压变送器,然后交替开启正负压取压阀门,全开后逐渐关闭平衡阀。
此操作方法在检修、维护、排污过程中同样应用,开启平衡阀,再交替开启正负压取压阀门。
(1) 流量显示表的安装
流量显示表安装在仪表房内,在该仪表房内有 220 V 交流电源接口。
(2) 流量显示表的连线
流量显示表按照电源要求,连接交流电 220 V 或 DC24V。
流量显示表有四个两线制 4~20 mA 电流信号输入接口,按照说明书,将其与流量计上四个两线制
4~20mA 电流信号输入接口连接。
(3) 仪表房(箱)的设置
必须为本仪表设置仪表房(箱)。
仪表房(箱)应防水防雨防雪侵入,且有通风孔,在冬季应保持仪表房(箱)内温度不低于-10 ℃。其中包括流量计和流量显示表,应安置在该仪表房(箱)内。

3.2、安全评价:
  本测量装置承压部件选择优质钢材,经过严格的探伤;外购零部件(阀门、变送器)严格实行ISO9001-2000 程序规定的分供方考察方法;所有电气元件实行相关标准,强电与弱电分开原则,避免相互干扰,保证原始信号不受干扰;主管路焊接均采用氩弧焊打底,自动电弧焊盖面,焊缝突出高度4~5mm。由于高压调节阀及卡箍头的材质为 16Mn,所以针对异种母材焊接选用高于母材的焊接材料, 为避免焊接缺陷,焊前预热 250 ℃,焊后进行消除内应力回火。所有取压管路的焊接均采用全氩弧焊。对于一次取压元件中的 V 锥,严格实行国标流量测量节流装置《GB/T2624—93》、法兰设计实行火力发电厂汽水管道零件及部件典型设计《D—GD87—07》、检验标准按中华人民共和国国家计量检定规程《JJG640—94》、测量装置设计计算及管理App《LG94—01》。对于涡街流量计,严格实行《JJG  1029—2007 涡街流量计检定规程》。)设备出厂前进行整体水压试验,试验压力 10 MPa,稳压 30 min,不允许有掉压、渗水现象。高温部分良好保温处理,避免热损失及烫伤事故。
根据装置的结构组成,三阀组、法兰焊口、仪表转换器三部分存在使用时失效或损坏的可能。为了维护设备的正常使用和员工操作的安全,必须定期对该装置进行保养。
(1)初次使用时对法兰连接处、焊口部位进行检查有无泄漏。
(2)每年对流量仪表进行一次校验以确保精度。
(3)严格按照高压端、低压端和中间阀顺序操作三阀组。
4、现场试验情况:
  2014 年 9 月 16 日至 24 日,在风城油田作业区重 37 SAGD FHW207I、FHW209I、FHW210 井完成两相流量测量装置现场安装,并逐步进行了现场试验,试验主要检验流量计对现场蒸汽流量、干度计量的准确性。从 10 月 23 日 17:15 开始到 10 月 24 日 11:15 现场对比记录共 18h,在此时间段现场试验的三块表蒸汽计量值合计 281.2 t,锅炉给水计量值为 291 t,不确定度为(291-281.2)×100%/291=3.4%,达到试验方案中测量不确定度±5.0%的精度要求。FHW207I 部分实验数据见表
流量/(t·h-1) 误差/%
FHW207I FHW207I FHW207I 锅炉 井口合并  
5.6 7.4 3.4 16.0 16.4 -2.500
4.8 7.6 3.4 16.0 15.8 1.250
5.4 7.2 3.2 16.0 15.8 1.250
5.0 7.6 3.4 16.0 16.0 0.000
5.0 7.2 3.3 16.2 15.6 3.775
5.1 6.9 3.2 15.8 15.2 4.000

从各时间段的流量对比来看,测量不确定度都在±5.0%以内。计量仪表运行稳定。
 
5、结论:
  湿饱和蒸汽两相流量装置测量的“瞬时流量”、“累积量”和“密度”均是干蒸汽和冷凝水两相混合物
(简称“混合物”)的参量。因此 207#,209#,210#三个井口,每台装置的平均瞬时流量(t/h)之和, 就是锅炉的蒸发水量。
瞬时流量(t/h)=体积流量(m3/h)×密度(t/m3)从“井口流量合计与锅炉对比数据表”的对比结论知,湿饱和蒸汽两相流量测量装置干度计测量的瞬时流量误差在 3.4%,因此(混合物)密度的测量误差优于 3.4%。
  而“干度”=干蒸汽密度÷(混合物)密度湿饱和蒸汽两相流量装置的干蒸汽密度测量方法成熟,准确度优于 2.5%,(混合物)密度测量误差优于 3.4%,符合干度的准确度优于 5%的技术要求指标。

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