CN108731848B - 一种蒸汽-水热量分相计量装置 - Google Patents

一种蒸汽-水热量分相计量装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种蒸汽‑水热量分相计量装置，主要由分流取样器、辅助分离管束、蒸汽计量管、液体计量管以及汇合管组成。采用分流取样器对蒸汽‑水两相流进行等比例取样，采用辅助分离管束强化对取样流体的分离。应用过程中可根据取样流体多少配置辅助分离管束。设置了双路液体计量流程，可以保障小流量下液体计量的精确性。本发明可实现蒸汽、水流量和热量的同时在线测量，可广泛应用于稠油热采注蒸汽管网中蒸汽‑水两相流量和热量的准确计量。

Description

一种蒸汽-水热量分相计量装置
技术领域：
本发明公开一种蒸汽-水热量分相计量装置，特别是一种能够同时计量蒸汽、水两相流流量和热量的装置。
背景技术：
和一般的原油相比，稠油具有黏度大、密度高、流动性差的特点。在稠油油田的开采过程中，通常需向地层注入蒸汽，提高稠油温度，从而降低粘度，改善其流动性，最终提高采收率。
稠油注入的蒸汽在输送过程中随着与环境换热，一部分蒸汽凝结，为湿饱和蒸汽。湿蒸汽属于蒸汽-水两相流，同一温度下蒸汽、水焓值差异很大。开采效果与注入热量正相关，而注气热量由蒸汽-水混合物质量流量与干度共同决定，因此监测井口注入热量必须对蒸汽、水流量以及温度压力进行同时测量。由于多相流体的复杂性，传统的单相计量方法无法适用，需要采用多相计量方法。
当前国内多相计量介质主要为井口产物，而对蒸汽、水计量研究相对较少。蒸汽具有高压、高温的特点，在一定温度压力下还存在相变，因此对计量装置提出了更高的要求。
本项目提出一种注入蒸汽的热量准确计量新方法，可用于井口蒸汽热量实时监测，为提高注蒸汽效果提供科学支撑。所研发的蒸汽热量监测装置能够实现蒸汽、水流量和热量的同时在线测量，能够在较宽的干度范围内工作，适应性强，有助于蒸汽靶向精确加注，降低能耗，提高管理精细化水平，推广应用前景广阔。
发明内容：
本发明涉及一种蒸汽-水热量分相计量装置，主要由分流取样器、辅助分离管束、蒸汽计量管、液体计量管以及汇合管组成，分流取样器包括中心分流管、分配筒、主流体出流管、分流体蒸汽相出流管以及分流体液相出流管；中心分流管的入口与蒸汽-水两相流管路相连通，中心分流管的出口穿过分配筒前端板深入到分配筒内部；主流体出口管的出口与汇合管入口相连接，主流体出口管的入口穿过分配筒体后端板深入到分配筒内部。
分流体蒸汽相出流管和分流体液相出流管分别设置在分配筒的顶部和底部；蒸汽计量管路的入口与分流体蒸汽相出流管的出口相连，蒸汽计量管路的出口与计量汇合管相连通；液体计量管路的入口与分流体液相出流管的出口相连，液体计量管路的出口与计量汇合管相连通。
辅助分离管束可为一个工型管，或由多个工型管相互拼接组成，所述的工型管由顶部水平分离管、底部水平分离管和竖直分离管组成。辅助分离管束其中一侧的顶部水平分离管与分流体蒸汽相出流管相连通，同侧的底部水平分离管与分流体液相出流管相连通；位于另一侧的顶部水平分离管和底部水平分离管末端均由盲板封闭。
所述的分配筒主要包括分流筒和分离筒，二者筒体长度相等，分流筒位于中心分流管外围，分离筒位于分流筒的外围，中心分流管、分流筒、分离筒三者保持同轴，中心分流管的外壁与分流筒的内壁之间形成分流腔，分流筒外壁与分离筒之间形成分离腔，分流管的管壁环周均匀布置有若干个分流孔，分流孔的上游安装有螺旋整流器，分流管末端封闭，一小部分分流孔通过导流管与分离腔相连通。
所述的蒸汽计量管上安装有蒸汽流量计、压力传感器、温度传感器，以及取样阀、截断阀和安全阀。
所述的液体计量管由大液量计量管和小液量计量管组成，二者并联，大液量计量管上安装有大液量流量计、截断阀和取样阀，小液量计量管上安装有小液相流量计、截断阀和取样阀。
所述的辅助分离管的顶部水平分离管和底部水平分离管上安装有球阀。
所述的分流取样器、辅助分离管束、蒸汽计量管、液体计量管以及汇合管的材质均为耐高压、耐高温的金属材质。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)能实现蒸汽-水流量和热量的同时测量；
(2)能在很大干度变化范围内工作；
(3)装置组成简单、操作方便。
附图说明：
图1为总体结构示意图；
图2为分流取样器结构示意图；
图3为分配筒截面示意图；
图4为辅助分离管束结构示意图；
图5为具有单个工型管的辅助分流管束工作原理图；
图6为具有两个工型管的辅助分离管束工作原理图；
图7为具有四个工型管的辅助分离管束工作原理图；
图8为部分球阀关闭的辅助分离管束工作原理图；
图9为蒸汽相计量管结构示意图；
图10为液相计量管结构示意图。
图中：1.分流取样器；2.辅助分离管束；3.蒸汽计量管；4.液体计量管；5.汇合管；6.中心分流管；7.分配筒；8.主流体出流管；9.分流体蒸汽相出流管；10.分流体液相出流管；11.工型管；12.顶部水平分离管；13.底部水平分离管；14.竖直分离管；15.分流筒；16.分离筒；17.分流腔；18.分离腔；19.分流孔；20.螺旋整流器；21.导流管；22.蒸汽流量计；23.压力传感器；24.温度传感器；25取样阀；26.截断阀；27.安全阀；28.大液量计量管；29.小液量计量管；30.大液量流量计；31.小液量流量计；32.球阀。
具体实施方式:
本发明涉及一种蒸汽-水热量分相计量装置，主要由分流取样器1、辅助分离管束2、蒸汽计量管3、液体计量管4以及汇合管5组成，分流取样器1包括中心分流管6、分配筒7、主流体出流管8、分流体蒸汽相出流管9以及分流体蒸汽相出流管10。中心分流管6的入口与蒸汽-水两相流管路相连通，中心分流管6的出口穿过分配筒7前端板深入到分配筒7内部；主流体出流管8的出口与汇合管5入口相连接，主流体出流管8的入口穿过分配筒7后端板深入到分配筒7内部。
分流体蒸汽相出流管9和分流体液相出流管10分别设置在分配筒7的顶部和底部；蒸汽计量管3的入口与分流体蒸汽相出流管9的出口相连，蒸汽计量管3的出口与计量汇合管5相连通；液体计量管4的入口与分流体液相出流管10的出口相连通，液体计量管4的出口与计量汇合管5相连通。
辅助分离管束2可为一个工型管11，或由多个工型管11相互拼接组成，所述的工型管11由顶部水平分离管12、底部水平分离管13和竖直分离管14组成；辅助分离管束2其中一侧的顶部水平分离管12与分流体蒸汽相出流管9相连通，同侧的底部水平分离管13与分流体液相出流管10相连通；位于另一侧的顶部水平分离管12和底部水平分离管13末端由盲板封闭。
所述的分配筒7主要包括分流筒15和分离筒16，二者筒体长度相等，分流筒15位于中心分流管6外围，分离筒16位于分流筒15的外围，中心分流管6、分流筒15、分离筒16三者保持同轴，中心分流管6的外壁与分流筒15的内壁之间形成分流腔17，分流筒15外壁与分离筒16之间形成分离腔18，中心分流管6的管壁环周均匀布置有若干个分流孔19，分流孔19的上游安装有螺旋整流器20，中心分流管6末端封闭，一小部分分流孔19通过导流管21与分离腔18相连通。
所述的分流体蒸汽相出流管9以及分流体液相出流管10的入口，均与分离腔18保持连通。
所述的蒸汽计量管3上安装有蒸汽流量计22、压力传感器23、温度传感器24，以及取样阀25、截断阀26和安全阀27。
所述的液体计量管4由大液量计量管28和小液量计量管29组成，二者并联，大液量计量管28上安装有大液量流量计30、截断阀26和取样阀25，小液量计量管29上安装有小液量流量计31、截断阀26和取样阀25。
所述的辅助分离管束2的顶部水平分离管12和底部水平分离管13上安装有球阀32。
所述的分流取样器1、辅助分离管束2、蒸汽计量管3、液体计量管4以及汇合管5的材质均为耐高压、高温的金属材质。
本发明工作原理说明如下：
如图2所示，螺旋整流器20布置在中心分流管6的内部，且位于取样孔的上游。当蒸汽-水两相流通过螺旋整流器20时，沿着螺旋流道流动从而发生旋转，因液相密度远大于蒸汽相密度，在旋转产生的离心力作用下液体被甩向管内壁，形成液膜贴着管壁流动、蒸汽在管中心流动的均匀环状流。蒸汽-水两相流通过螺旋整流器20后继续向中心分流管6下游流动，由于中心分流管6末端由盲板封闭，蒸汽-水两相来流全部通过布置在分流管管壁上的分流孔19(见图3)进行分流。由于分流孔19处流型为均匀环状流，各个小孔接触气液相的几率相等，此外，各个分流孔19入口压力也相同，因此进入各个分流孔19的气液相流量完全相同。
如图2、3所示，通过分流孔19的气液混合物被分成两部分：一部分通过分流孔19直接进入分流腔17，进而进入主流体出流管8，最后进入汇合管5(见图1)；另一部分则通过导流管21进入分离腔18，完成分离和计量后，重新返回汇合管5。
由于各个分流孔19的流动特性完全相同，进入分离腔18的蒸汽相质量流量和液相质量流量只取决于与分离器相连通的取样孔占总分流孔19的比例。
定义取样比为取样流体占上游气液混合物质量流量的比例。若总分流孔19的数目为N，通过导流管21与分离腔18相连通的分流孔19数目为n，则取样比K可用下式计算：
K＝n/N
如果要准确计量出进入分离腔18的蒸汽相体积流量VG、液相体积流量VL，则蒸汽输送管道的蒸汽、水的质量流量可用下式计算：
MG＝VG·ρG/K
ML＝VL·ρL/K
式中，MG、ML分别为蒸气管网中蒸气和水的质量流量；VG、VL分别为蒸汽计量管3和液体计量管4上流量计测量的体积流量，ρG、ρL分别为当前温度压力条件下蒸汽和水的密度。蒸汽和水的密度为温度和压力的函数，当温度传感器、压力传感器分别测量出温度T、压力P后，蒸汽和水的密度采用通用的水蒸气和水的热力性质公式IAPWS-IF97进行计算。
蒸汽计量管3和液体计量管4上的蒸汽、液体流量计只适用于单相蒸汽或液体管路，为保证分流体气、液流量计量的准确性，必须在计量前对其进行完全分离。
气液相分离是在分离筒16和辅助分离管束2内完成的。分流体进入分离筒16后，由于流通面积突然增大，气液流速降低，蒸汽携液能力减弱，在重力作用下发生气液分离，液相进入底部的液体计量管4，蒸汽相进入顶部的蒸汽计量管3。
当被测蒸汽、水流量较大，分流体进入分离筒16的气液相流体较多，可能无法完全分离，此时可借助于辅助分离管束2。图5为只有一个工型管11组成的辅助分离管束2的工作示意图，打开顶部水平分离管12和底部水平分离管13上的球阀32，气液相可进入工型管11，扩大了有效分离容积，加速了气液彻底分离。图6为两个工型管11组成的辅助分离管束2工作原理示意图，由于有效分离容积进一步增加，能够分离更大流量的蒸汽-水混合物。
辅助分离管束2可以在分流取样器1一侧安装，也可以对称安装。如图7所示，为两分离管束对称安装示意图。在实际使用中，可以根据蒸汽、水流量的大小，增加分离管束工型管11的数目(如图8所示)，也可以通过安装在顶部水平分离管12和底部水平分离管13上的球阀32(见图4)来调节分离容积(如图9所示)。
完成分离后，分流体蒸汽流量的计量是在蒸汽计量管3内完成的。蒸汽流量计22测量的是蒸汽体积流量，为了获得质量流量还需测量当地的温度T和压力P，温度和压力数据分别来自温度传感器23和压力传感器24。
为了防止超压事故，蒸汽计量管3上安装了安全阀27，一旦超压会及时泄放蒸汽，防止容器整体失效；为了便于仪表检修，蒸汽计量管3上设置了截断阀26，在正常使用中，截断阀26要保持常开。
液相水的计量是在液体计量管4内完成的。与蒸汽相相比，当液相流量较小时，准确计量难度很大。为此，设置了两个并行的液体计量管4。正常工况下，大液量计量管28上的截断阀26保持开启，小液量计量管29上的截断阀26保持关闭。如果在较小流量下，流体处于大液量流量计30计量范围的下限，此时应关闭大液量计量管28上的截断阀26，开启小液量计量管29上的截断阀26，采用小液量流量计31进行计量。
在计量过程中，为了判断是否存在蒸汽相被携带进入液体计量管4，或液体被夹带进入蒸汽计量管3的情况，计量前要开启对应的计量管路上的取样阀25，根据泄放的流体判断气液分离是否彻底。如果液体计量管4存在蒸汽相或蒸汽计量管3存在液相，则考虑开启辅助分离管束2上的球阀32增加有效分离容积或增加辅助分离管束2上工型管11的数目。
获得蒸汽、水的流量后，蒸汽、水的热量可分别采用下列公式计算：
QG＝MG·HG
QL＝ML·HL
式中，QG、QL分别为蒸汽、水热量；MG、ML分别为测量获得的蒸汽、水的质量流量；HG、HL分别为蒸气、水焓值。焓值是温度T和压力P的函数，通过压力传感器、温度传感器测量出温度T、压力P后，可采用通用的水和水蒸气热力性质公式IAPWS-IF97进行计算蒸汽和水的焓值。
综上，蒸汽-水两相流通过本发明装置时，取样比只取决于取样流体分流孔占总分流孔的比例，不受管道气液相流型、气液相流速等因素影响；设置了辅助分离管束，可根据实际工况配置辅助分离管束，扩大了装置的使用范围；设置了双路液体计量流程，可以保障小流量下液体计量的精确性，最终可实现蒸汽、水流量和热量的准确计量。本发明可广泛应用于稠油热采注蒸汽管网中蒸汽-水两相流量和热量的计量。

Claims (6)

1.一种蒸汽-水热量分相计量装置，其特征在于：主要包括由分流取样器(1)、辅助分离管束(2)、蒸汽计量管(3)、液体计量管(4)以及汇合管(5)，分流取样器(1)包括中心分流管(6)、分配筒(7)、主流体出流管(8)、分流体蒸汽相出流管(9)以及分流体液相出流管(10)；中心分流管(6)的入口与蒸汽-水两相流管路相连通，中心分流管(6)的出口穿过分配筒(7)前端板并深入到分配筒(7)内部；主流体出流管(8)的出口与汇合管(5)入口相连接，其入口穿过分配筒(7)后端板并深入到分配筒(7)内部；
分流体蒸汽相出流管(9)和分流体液相出流管(10)分别设置在分配筒(7)的顶部和底部；蒸汽计量管(3)的入口与分流体蒸汽相出流管(9)的出口相连，蒸汽计量管(3)的出口与计量汇合管(5)相连通；液体计量管(4)的入口与分流体液相出流管(10)的出口相连，液体计量管(4)的出口与计量汇合管(5)相连通；
辅助分离管束(2)可为一个工型管(11)，或由多个工型管(11)相互拼接组成，所述的工型管(11)由顶部水平分离管(12)、底部水平分离管(13)和竖直分离管(14)组成；辅助分离管束(2)其中一侧的顶部水平分离管(12)与分流体蒸汽相出流管(9)相连通，同侧的底部水平分离管(13)与分流体液相出流管(10)相连通；位于另一侧的顶部水平分离管(12)和底部水平分离管(13)末端由盲板封闭。
2.根据权利要求1所述的一种蒸汽-水热量分相计量装置，其特征在于：所述的分配筒(7)主要包括分流筒(15)和分离筒(16)，二者筒体长度相等，分流筒(15)位于中心分流管(6)外围，分离筒(16)位于分流筒(15)的外围，中心分流管(6)、分流筒(15)、分离筒(16)三者保持同轴，中心分流管(6)的外壁与分流筒(15)的内壁之间形成分流腔(17)，分流筒(15)外壁与分离筒(16)之间形成分离腔(18)，中心分流管(6)的管壁环周均匀布置有若干个分流孔(19)，分流孔(19)的上游安装有螺旋整流器(20)，中心分流管(6)末端封闭，一小部分分流孔(19)通过导流管(21)与分离腔(18)相连通。
3.根据权利要求1所述的一种蒸汽-水热量分相计量装置，其特征在于：所述的蒸汽计量管(3)上安装有蒸汽流量计(22)、压力传感器(23)、温度传感器(24)，以及取样阀(25)、截断阀(26)和安全阀(27)。
4.根据权利要求1所述的一种蒸汽-水热量分相计量装置，其特征在于：所述的液体计量管(4)由大液量计量管(28)和小液量计量管(29)组成，二者并联，大液量计量管(28)上安装有大液量流量计(30)、取样阀(25)和截断阀(26)，小液量计量管(29)上安装有小液量流量计(31)、取样阀(25)和截断阀(26)。
5.根据权利要求1所述的一种蒸汽-水热量分相计量装置，其特征在于：所述的辅助分离管束(2)的顶部水平分离管(12)和底部水平分离管(13)上安装有球阀(32)。
6.根据权利要求1所述的一种蒸汽-水热量分相计量装置，其特征在于：所述的分流取样器(1)、辅助分离管束(2)、蒸汽计量管(3)、液体计量管(4)以及汇合管(5)的材质均为耐高压、耐高温的金属材质。
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