CN105588919A - 注热蒸汽干度测试装置及其干度值计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及注热蒸汽、稠油热采技术领域，具体为注热蒸汽干度测试装置，包括冷凝器，注汽管道连接在冷凝器汽入口，冷凝器汽出口连接排汽管道，冷凝器冷水进口连接有冷却水进口管道，冷凝器热水出口连接有冷却水出口管道，管道上分别流量调节阀、流量计、温度计、压力计等。通过测试冷凝器的进出口管路上的各物性参数值，分析计算得到进口注热蒸汽的干度值。本发明提供的注热蒸汽干度测试装置及其干度值计算方法，能够对注汽过程中蒸汽的状态进行动态实时监测，测试装置结构简单，紧凑，能实现干度的在线连续测量，可靠性高，精度较好，能有效的提高油藏采收率和降低锅炉发生爆管的概率。

Description

注热蒸汽干度测试装置及其干度值计算方法

技术领域

本发明涉及注热蒸汽、稠油热采技术领域，主要应用为对注汽管道注热蒸汽干度进行测试，以提高油藏采收率和降低发生爆管的概率，具体为注热蒸汽干度测试装置及其干度值计算方法。

背景技术

我国石油资源丰富，但许多油田含沥青质和胶质量较大，常规的采油方法很难使大粘度、高密度性质的稠油连续的采出。目前主要采用蒸汽吞吐技术，将高温高压饱和蒸汽连续的从井口注入油井，经过一段时间的焖井，蒸汽的热量扩散到稠油油层，使得稠油的温度升高，粘度降低再开井开采。注汽过程中对蒸汽的状态进行动态监测，能够帮助油田工作人员及时了解热采过程中蒸汽的各种动态参数，监测蒸汽品质，分析井下各油层蒸汽的吸收状况，了解注汽效果，从技术和经济方面进行评估，以便调整注汽方案，确定下一步的工艺措施。干度在蒸汽参量的测量中占有重要的地位，它反映了蒸汽在湿饱和阶段的特征品质。传统的测试方法增加了测量的复杂性和延迟性，确定的干度值误差也较大，且无法实现连续的在线测量，成本较高，可操作性较差。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种注热蒸汽干度测试装置及计算方法，能实时监测注汽管道的蒸汽品质，有效的提高油藏采收率和降低发生爆管的概率。

具体技术方案为：

注热蒸汽干度测试装置，包括冷凝器，注汽管道连接在冷凝器汽入口，注汽管道上安装流量调节阀L-01、温度计T-01、压力计P-01，冷凝器汽出口连接排汽管道，排汽管道上安装有流量计F-02、温度计T-02、压力计P-02和排空阀V-02；冷凝器冷水进口连接有冷却水进口管道，冷却水进口管道上安装有截止阀V-03、压力计P-03、温度计T-03和流量调节阀L-03；冷凝器冷却水出口连接有冷却水出口管道，冷却水出口管道上安装有流量计F-04、温度计T-04、压力计P-04和排空阀V-04。

冷凝器为沉浸式盘管冷凝器，内部可承受高压，便于防腐且操作管理方便，所述的流量计为涡轮式流量计。被加热的冷却水及被冷却的饱和湿蒸汽通过排空阀进行排空处理。

注入冷凝器的冷却水可将注汽管道注入的饱和湿蒸汽在规定时间内冷却到饱和温度以下。

通过注热蒸汽干度测试装置测得冷凝器的管路上的各物性参数值，分析计算得到进口注热蒸汽的干度值。

干度值计算方法为：

$\mathrm{\χ}=\frac{(\frac{C_{4w}\·m\·(T_4-T_3)}{{\mathrm{\ρ}}_{2w}{V}_{2w}}+h_{2w}(p_2,T_2\left)\right)-h_{1w}(p_1,T_1)}{h_{1v}(p_1,T_1)-h_{1w}(p_1,T_1)}$

C_4w为p₄下水的定压比热容，kJ/(kg·K)；

m为冷却水的质量流量，kg/h；

T₃为冷却水进口温度，K；

T₄为冷却水出口温度，K；

ρ_2w为在P2、T2下凝结水的密度，kg/m³；

V_2w为凝结水的瞬时流量，由F-02测得，m³/h；

h_1v为在P1、T1下干饱和蒸汽的比焓，kJ/kg；

h_1w为在P1、T1下的水的比焓，kJ/kg；

h_2w为在P2、T2下的凝结水的比焓，kJ/kg。

实验测试蒸汽干度换热过程分为饱和蒸汽冷凝和饱和水冷却两个过程：

(1)饱和蒸汽冷凝过程中，饱和蒸汽冷凝换热系数较饱和液态水的换热系数要大得多，为满足工程实际需要饱和蒸汽冷凝过程中的换热系数采用饱和水的换热系数为基准，整个换热过程中，壁温与流体主体温度间的温差较大，近壁面与管中心的流体粘度相差较大，在给热关联式中，应加入包括壁温的粘度修正项，可用下式计算求得努赛尔特数：

$N_u=0.023{R_e}^{0.8}{P_r}^{0.33}{\left(\frac{\mathrm{\μ}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\ω}}}\right)}^{0.14}$

R_e>10000，P_r＝0.6～160，管长管径之比L/d>50，式中：

$R_e=\frac{du\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\μ}}$

d-管径m，u-速度m/s，ρ-水密度kg/m³，μ-水的动力粘度Pa·s，μ_ω-壁温下水的粘度Pa·s，P_r-水的普朗特数，其他物理性质均按流体进出口算术平均温度取值；

$N_u=\frac{\mathrm{\α}d}{\mathrm{\λ}}$

α-表面传热系数w/(m²·k)，λ-水导热系数w/(m·k)；

可分别求得饱和蒸汽冷凝过程中及饱和水冷却过程中的对流传热系数α；

(2)冷凝器换热量

Q＝Mh₁-Mh₂

M-质量流量kg/h，h₁-初始状态的比焓kJ/kg，h₂-终了状态的比焓kJ/kg；

平均传热温差由下式表示：

${\mathrm{\Δt}}_m=\frac{{\mathrm{\Δt}}_1-{\mathrm{\Δt}}_2}{ln({\mathrm{\Δt}}_1-{\mathrm{\Δt}}_2)}$

Δt₁、Δt₂分别为冷凝器两端冷热流体的温差；

估算换热面积：

盘管的长度：

$L=\frac{A_p}{\mathrm{\π}d}$

可分别求得饱和蒸汽冷凝及饱和水冷却过程中所需的换热盘管总长度。

本发明提供的注热蒸汽干度测试装置及其干度值计算方法，能够对注汽过程中蒸汽的状态进行动态实时监测，测试装置结构简单，紧凑，能实现干度的在线连续测量，可靠性高，精度较好，能有效的提高油藏采收率和降低锅炉发生爆管的概率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明所述的冷凝器结构示意图。

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，注热蒸汽干度测试装置，包括冷凝器(14)，注汽管道1连接在冷凝器(14)汽入口，注汽管道1上安装流量调节阀L-01、温度计T-01、压力计P-01，冷凝器(14)汽出口连接排汽管道9，排汽管道9上安装有流量计F-02(10)、温度计T-02、压力计P-02和排空阀V-02(8)；冷凝器14冷水进口连接有冷却水进口管道12，冷却水进口管道12上安装有截止阀V-03(11)、压力计P-03、温度计T-03和流量调节阀L-03(13)；冷凝器14冷却水出口连接有冷却水出口管道6，冷却水出口管道6上安装有流量计F-04、温度计T-04、压力计P-04和排空阀V-04。

干度值计算方法为：

$\mathrm{\χ}=\frac{(\frac{C_{4w}\·m\·(T_4-T_3)}{{\mathrm{\ρ}}_{2w}{V}_{2w}}+h_{2w}(p_2,T_2\left)\right)-h_{1w}(p_1,T_1)}{h_{1v}(p_1,T_1)-h_{1w}(p_1,T_1)}$

C_4w为p₄下水的定压比热容，kJ/(kg·K)；

m为冷却水的质量流量，kg/h；

T₃为冷却水进口温度，K；

T₄为冷却水出口温度，K；

ρ_2w为在P2、T2下凝结水的密度，kg/m³；

V_2w为凝结水的瞬时流量，由F-02测得，m³/h；

h_1v为在P1、T1下干饱和蒸汽的比焓，kJ/kg；

h_1w为在P1、T1下的水的比焓，kJ/kg；

h_2w为在P2、T2下的凝结水的比焓，kJ/kg。

实验测试蒸汽干度换热过程分为饱和蒸汽冷凝和饱和水冷却两个过程：

(1)饱和蒸汽冷凝过程中，饱和蒸汽冷凝换热系数较饱和液态水的换热系数要大得多，为满足工程实际需要饱和蒸汽冷凝过程中的换热系数采用饱和水的换热系数为基准，整个换热过程中，壁温与流体主体温度间的温差较大，近壁面与管中心的流体粘度相差较大，在给热关联式中，应加入包括壁温的粘度修正项，可用下式计算求得努赛尔特数：

$N_u=0.023{R_e}^{0.8}{P_r}^{0.33}{\left(\frac{\mathrm{\μ}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\ω}}}\right)}^{0.14}$

R_e>10000，P_r＝0.6～160，管长管径之比L/d>50，式中：

$R_e=\frac{du\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\μ}}$

d-管径m，u-速度m/s，ρ-水密度kg/m³，μ-水的动力粘度Pa·s，μ_ω-壁温下水的粘度Pa·s，P_r-水的普朗特数，其他物理性质均按流体进出口算术平均温度取值；

$N_u=\frac{\mathrm{\α}d}{\mathrm{\λ}}$

α-表面传热系数w/(m²·k)，λ-水导热系数w/(m·k)；

可分别求得饱和蒸汽冷凝过程中及饱和水冷却过程中的对流传热系数α；

(2)冷凝器换热量

Q＝Mh₁-Mh₂

M-质量流量kg/h，h₁-初始状态的比焓kJ/kg，h₂-终了状态的比焓kJ/kg；

平均传热温差由下式表示：

${\mathrm{\Δt}}_m=\frac{{\mathrm{\Δt}}_1-{\mathrm{\Δt}}_2}{ln({\mathrm{\Δt}}_1-{\mathrm{\Δt}}_2)}$

Δt₁、Δt₂分别为冷凝器两端冷热流体的温差；

估算换热面积：

盘管的长度：

$L=\frac{A_p}{\mathrm{\π}d}$

可分别求得饱和蒸汽冷凝及饱和水冷却过程中所需的换热盘管总长度。

根据稠油热采中的工程经验，饱和蒸汽的最高压力17.2Mpa，进口饱和蒸汽353.25℃，出口冷却液体60℃，进口蒸汽流量50Kg/h，冷却水进口温度20℃，出口温度40℃，冷凝管的工况下，对冷凝器内的沉浸式盘管换热结构进行了相关设计，设计过程中假设进口状态干度为1，即全为饱和干蒸汽，计算过程为：

(1)饱和蒸汽冷凝过程中，采用同温度下饱和水的换热系数作为基准，在饱和温度353.25℃下，查得饱和水各物性参数，饱和液密度ρ＝560.85Kg/m³，饱和液粘度μ＝0.64×10^-4pa·s，饱和液pr＝1.72(满足要求)，饱和液导热系数λ＝0.428w/(m·k)，壁温取冷却水进出口的平均温度30℃，μ_30℃＝0.797×10^-3pa·s，饱和汽比焓h₁＝2544KJ/Kg，饱和液比焓h₂＝1700KJ/Kg，由质量流量Q_m＝50Kg/h，管径

速度：

$u=\frac{Q_m}{{\mathrm{\ρ\πr}}^2}=\frac{50Kg/h}{560.85Kg/m^3\×3.14\×0.003m^2\×3600s}=0.88m/s$

雷诺数：

$R_e=\frac{du\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\μ}}=\frac{0.006m\×0.88m/s\×560.85Kg/m^3}{0.64\×{10}^{-4}pa\·s}=4.63\×{10}^4>10000,$ 满足要求

努赛尔数：

$\begin{array}{c}{N}_u=0.23{R_e}^{0.8}{P_r}^{0.33}{\left(\frac{\mathrm{\μ}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\ω}}}\right)}^{0.14}\\ =0.023\×{(4.63\×{10}^4)}^{0.8}\×{1.72}^{0.33}\×{\left(\frac{0.64\×10-4pa\·s}{0.797\×{10}^{-3}pa\·s}\right)}^{0.14}\\ =104.37\end{array}$

表面传热系数：

饱和蒸汽冷凝过程中的换热量：

$Q={\mathrm{Mh}}_1-{\mathrm{Mh}}_2=\frac{50Kg}{h}\×\frac{2544KJ}{Kg}-\frac{50Kg}{h}\×\frac{1700KJ}{Kg}=42200KJ/h$

平均传热温差：

Δt₁＝353.25℃-20℃＝333.25℃

Δt₂＝353.25℃-40℃＝313.25℃

传热面积：

盘管的长度：

$L=\frac{A_p}{\mathrm{\π}d}=\frac{0.236m^2}{3.14\×0.006m}=12.53m$

L/d＝12.53m/0.006m＝2088.3>50，验证公式成立。

(2)饱和水冷却过程中，由饱和温度353.25℃冷却到60℃过程中，定性温度t_m＝(353.25℃+60℃)/2＝206.625℃，查得各物性参数ρ＝869.35Kg/m³，粘度μ＝0.133×10^-3pa·s，pr＝0.879，导热系数取饱和态λ＝0.428w/(m·k)，壁温取冷却水进出口的平均温度30℃，·_30℃＝0.797×10^-3pa·s，饱和液比焓h₁＝1700KJ/Kg,60℃液态水比焓h₂＝265.36KJ/Kg，由质量流量Q_m＝50Kg/h，管径

速度：

$u=\frac{Q_m}{{\mathrm{\ρ\πr}}^2}=\frac{50Kg/h}{869.35Kg/m^3\×3.14\×0.003m^2\×3600s}=0.57m/s$

雷诺数：

$R_e=\frac{du\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\μ}}=\frac{0.006m\×0.57m/s\×869.35Kg/m^3}{0.133\×{10}^{-3}pa\·s}=2.235\×{10}^4>10000,$ 满足要求

努赛尔数：

$\begin{array}{c}{N}_u=0.023{R_e}^{0.8}{P_r}^{0.33}{\left(\frac{\mathrm{\μ}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\ω}}}\right)}^{0.14}\\ =0.023\×{(2.235\×{10}^4)}^{0.8}\×{0.879}^{0.33}\×{\left(\frac{0.133\×{10}^{-3}pa\·s}{0.797\×{10}^{-3}pa\·s}\right)}^{0.14}\\ =51.74\end{array}$

表面传热系数：

饱和水冷却过程中的换热量：

$Q={\mathrm{Mh}}_1-{\mathrm{Mh}}_2=\frac{50Kg}{h}\×\frac{1700KJ}{Kg}-\frac{50Kg}{h}\×\frac{265.36KJ}{Kg}=71732KJ/h$

平均传热温差：

Δt₁＝353.25℃-40℃＝313.25℃

Δt₂＝60℃-20℃＝40℃

传热面积：

盘管的长度：

$L=\frac{A_p}{\mathrm{\π}d}=\frac{0.400m^2}{3.14\×0.006m}=21.24m$

L/d＝21.24m/0.006m＝3540>50，验证公式成立。

(3)如图2，冷凝盘管的设计，考虑污垢清洗因素及换热效果，故使蒸汽走管程，冷却水走壳程。冷凝管选用Φ10×2不锈钢钢管，d_o＝0.010m，d_i＝0.006m，材料选用304不锈钢，具有良好的耐腐蚀和成型性。饱和蒸汽冷凝过程与饱和水冷却过程所需盘管总长度为12.53m+21.24m＝33.77m，取换热盘管总长度为L_t＝35m，设计冷凝管为3层盘管结构，最里面第一层盘管圈直径D_c1＝100mm(满足Φ10的钢管可弯制的最小半径为25mm的要求)，第二层盘管圈直径D_c2＝150mm，第三层盘管圈直径D_c3＝200mm，取管间距t＝2d＝0.020m，则计算得到每圈盘管的长度：

$\begin{array}{c}L=\sqrt{{({\mathrm{\πD}}_{c1}+{\mathrm{\πD}}_{c2}+{\mathrm{\πD}}_{c3})}^2+t^2}\\ =\sqrt{{(\mathrm{\π}\×0.45)}^2+{0.02}^2}=1.414m\end{array}$

圈数：

N＝Lt/L＝35m/1.414m＝24.76

考虑换热余量，取25圈，则冷凝盘管长度方向距离为：

L_s≈0.02m×25＝0.5m

(4)筒体设计

筒体壁厚设计：壳程冷却水工作压力取为0.5Mpa，材料选Q235B，内径DN＝250mm，根据内压薄壁容器的壁厚设计计算，设计厚度t_d可由以下公式计算得出：

式中t_d——设计厚度，mm；

p_c——计算压力，MPa；

D_i——圆筒内直径，mm；

——焊接接头系数，

[σ]^t——设计温度下的材料许用应力，MPa，[σ]^t＝113MPa(100℃)；

C₂——腐蚀裕量，mm，取2mm。

$t_d=\frac{0.5\×250}{2\×113\×0.85-0.5}+2=2.65mm$

考虑到开孔及制造要求，厚度负偏差及圆整度，取筒体设计厚度t_d＝5mm。

封头设计：采用椭圆型封头结构，与筒体焊接联接，材料与筒体相同均为Q235B，内径DN＝250mm。根据中国容器标准中的计算公式，椭圆形封头计算厚度可按下式计算：

式中K——应力增强系数；

D_i——筒体内径，mm；

[σ]^t——设计温度下的许用应力，MPa，[σ]^t＝86MPa(400℃)：

p_c——设计压力，MPa。

对于标准椭圆形封头(a/b＝2)，此时应力增强系数K的值取1，筒体内径D_i取250mm，设计压力p_c取0.5MPa，故：

$t_c=\frac{0.5\×250}{2\×86\×0.85-0.5\×0.5}=0.86$

腐蚀裕量C₂取2mm，当钢板厚度为2mm以内时，负偏差C1可取0.18mm，故：

t_n＝t_c+C₁+C₂+圆整＝5mm

即封头壁厚取5mm。

冷却水接管设计：

冷凝水定性温度：

t_c＝(20+40)/2＝30℃

设冷凝器中冷却水的平均压力为0.5Mpa，则换热量Q还可以表示为：

$Q=C_{p_w}\·M\·(T_4-T_3)$

式中—水在0.5MPa下的定压比热容；

M—冷却水质量流量；

Q—换热量，前述计算已求得，113932KJ/h；

T₄＝40℃，T₃＝20℃，

$Q=C_{p_w}\·M\·(T_4-T_3)=4.2\·M\·(40-20)$

M＝1356.3kg/h

管径的确定取决于流速、处理量、结构协调及强度的要求，30℃下，水的粘度μ(μPa·s)＝0.801<1，据相关参考值查得最大流速为2.5m/s，选取流速为2m/s，接管直径可表示为：

$d=\sqrt{\frac{4q_v}{\mathrm{\&pi;}u}}=\sqrt{\frac{M}{0.785u\mathrm{\&rho;}}}=15.6mm$

取d＝16mm。

盘管冷凝器设计使用的盘管为Φ10×2不锈钢钢管，采用管螺纹设计密封。考虑到直径略小，拟将一内螺纹固件焊接在管子的边缘，根据GB/T1271660°密封管螺纹，采用圆锥管螺纹进行密封。

对于所设计的冷凝器盘管结构饱和水冷却阶段进行了计算流体力学仿真模拟(Fluent)，模拟结果满足实验要求，具有一定的可行性。

Claims (3)

1.注热蒸汽干度测试装置，其特征在于：包括冷凝器(14)，注汽管道(1)连接在冷凝器(14)汽入口，注汽管道(1)上安装流量调节阀L-01(2)、温度计T-01、压力计P-01，冷凝器(14)汽出口连接排汽管道(9)，排汽管道(9)上安装有流量计F-02(10)、温度计T-02、压力计P-02和排空阀V-02(8)；冷凝器(14)冷水进口连接有冷却水进口管道(12)，冷却水进口管道(12)上安装有截止阀V-03(11)、压力计P-03、温度计T-03和流量调节阀L-03(13)；冷凝器(14)冷却水出口连接有冷却水出口管道(6)，冷却水出口管道(6)上安装有流量计F-04(3)、温度计T-04(4)、压力计P-04(5)和排空阀V-04(7)。

2.根据权利要求1所述的注热蒸汽干度测试装置，其特征在于，所述的冷凝器(14)为沉浸式盘管冷凝器，设计冷凝管为3层盘管结构，最里面第一层盘管圈直径D_c1＝100mm，满足Φ10的钢管可弯制的最小半径为25mm的要求，第二层盘管圈直径D_c2＝150mm，第三层盘管圈直径D_c3＝200mm。

3.根据权利要求1所述的注热蒸汽干度测试装置的干度值计算方法为：

$\mathrm{\&chi;}=\frac{(\frac{C_{4w}\&CenterDot;m\&CenterDot;(T_4-T_3)}{{\mathrm{\&rho;}}_{2w}{V}_{2w}}+h_{2w}(p_2,T_2\left)\right)-h_{1w}(p_1,T_1)}{h_{1v}(p_1,T_1)-h_{1w}(p_1,T_1)}$

C_4w为p₄下水的定压比热容，kJ/(kg·K)；

m为冷却水的质量流量，kg/h；

T₃为冷却水进口温度，K；

T₄为冷却水出口温度，K；

ρ_2w为在P2、T2下凝结水的密度，kg/m³；

V_2w为凝结水的瞬时流量，由F-02测得，m³/h；

h_1v为在P1、T1下干饱和蒸汽的比焓，kJ/kg；

h_1w为在P1、T1下的水的比焓，kJ/kg；

h_2w为在P2、T2下的凝结水的比焓，kJ/kg。