CN111075416B - 一种气液等干度定流量智能调控装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气液等干度定流量智能调控装置，其中所述的主体内一端安装整形装置；主体内中部安装封隔装置，固定隔板焊接在封隔装置内壁，活动隔板与步进电机调控系统A连接，分支管道B内安装气液流量调控器，齿轮滑动条通过步进电机调控系统B控制，气液流量调控器内安装有支撑杆，支撑杆上安装固定浮子，喷嘴焊接在气液流量调控器的内壁上；优点为：本发明提高分配和调控能力，结合文丘里喷嘴的临界流原理，实现不同压力下的等干度、定流量气液分配；分配调控的气液流量范围0t/h‑23t/h；分配调控的气液干度范围0‑100%；各条支路的流量误差小于5%；各条支路的干度误差小于5%。

Description

一种气液等干度定流量智能调控装置

技术领域

本发明涉及气液两相流体智能分配调控领域，尤其是涉及一种气液等干度定流量智能调控装置。

背景技术

气液两相流广泛存在于核能、石油化工等工业领域，广泛存在气液流的分配及调控难题。气液两相流体通过分配管路时存在明显的气液两相分离流动的情况，导致干度及流量差异大，无法按规范参数进行分配，并对工业设备的安全和高效运行存在严重影响，如注汽管道中，严重的相分离，严重影响各注汽井流量和热焓值，因此希望各支路出口的两相流体具有相同的质量流量和气液相含率，即需要对气液两相流进行均匀分配。

室内实验研究表明，气液两相流均匀分配特性不但取决于分配器结构，还与分配器两相流动参数相关，同时还需要考虑主管道入口气液相含率与分支隔板路阻力特性的匹配。

通过对国内外相关专利及文献的调研，主要趋势之一是对称型的分配器，各支管在空间上对称布置，考虑结构对称，则气液相理论上进入各分支隔板的几率相等，从而获得较好的分配效果。但是由于液相惯性大、气相密度小，当分支隔板道出口压力变化时，从而导致主管与分支隔板气液相含率出现差异。

例如稠油热采区块普遍采用一台锅炉同注多口井热采开发流程，其中蒸汽的输送和分配是通过注汽管网进行实现。目前油田地面蒸汽分配所采用的常规T型三通和球形分配器均受到各注汽井之间背压和蒸汽流量差异的影响，使得各分配支路的干度出现明显的差异，限制了油田注汽热效率的提高，无法达到蒸汽注入要求和注汽效果，影响了注汽控制和效果评价，给稠油注蒸汽热采工艺的优化和能源有效利用造成了一定的困难。

三通管是应用于流体输送管路中最简单的分配元件，三通管会根据需要布置成主管水平或竖直，侧支管也可布置成多种角度。由于两相流体通过三通管进行分配的情况非常复杂，不但涉及到流量分配问题，还有两相的相分配问题，因此这种方法的预测结果误差很大，T型三通两相流的相分配往往是不一致的，导致两个支管出口的气液比例存在明显的差异，这一现象称为三通管相分离现象。针对气液两相流体在T型三通和集箱内的分配不均问题，Azzopardi BJ、Hong KC、Thonsgaard J E、田敬等许多国内外学者通过文章和专利等都给出了多种解决办法。主要集中在对分配三通或集箱结构的改进上，从根本上来说是为了消除两相流体的相分离，实际上，这些结构改进的主要思路是基于单相分配结构上的改进。

对集箱的改进方式一般是使各分配支路对称布置，利用球罐进行集中分配，例如Groman等利用密闭罐将一股蒸汽－水两相流体等干度地分入多条支路。气液两相流体从位于密闭罐顶部中心的主路进入，经过罐内安装的锥体将其按空间均等分为8份，分别从支路流出。密闭罐底部用来收集多余的液相，以保证出口蒸汽干度高于80%，同时从罐底引出一条管路用于排污。球形分配器在等背压的情况下能够实现各分支的等干度分配，但是在球形分配器各分支的蒸汽背压发生差别时，就无法实现各分支干度相同。

德士古公司利用一个水平放置分离器，把干度为70%的蒸汽分离为饱和水和干蒸汽分别输送，这数股单相流体又分成任意股蒸汽流。这种集中分相式分配方法不仅解决了相分离问题，而且可以测量控制每个测井的流量、干度，对于提高测井的生产效率有积极的意义。但是跟完全分离式的分配方法一样，这种水平放置的分离器长9m，直径1.5m，壁厚63.5mm，体积大，笨重，造价昂贵，难以适应现代工艺及经济性要求。

Chien等发表文章表明具有固定流通孔的临界流装置能够可靠并且有效地控制井口蒸汽质量流量。设计的装置结构简单、坚固耐用、可靠性强，但主要的缺点是阻力损失过大，当背压比为0.5左右时，才能够达到临界流状态，这也就是说，几乎上游滞止压力的一半左右都被损失掉了，造成了巨大的能量浪费。

发明内容

本发明的目的在于为解决现有技术的不足，而提供一种气液等干度定流量智能调控装置。

本发明新的技术方案是：一种气液等干度定流量智能调控装置，包括主体、分支管道、整形装置、封隔装置、气液流量调控器、流量传感器、干度流量控制系统、PLC控制器、数据管理系统及流量干度管理系统，所述的主体内一端安装有整形装置，所述的整形装置为迷宫式；所述的主体内中部安装有封隔装置，所述的封隔装置包括固定隔板、主分支出口、连接轴、活动隔板、步进电机调控系统A及侧分支出口，所述的固定隔板焊接在封隔装置内壁，所述的活动隔板一端连接在连接轴上，活动隔板另一端与步进电机调控系统A连接，所述的固定隔板与活动隔板间的大通道为主分支出口，所述的主分支出口与分支管A连通，所述的固定隔板与活动隔板间的小通道为侧分支出口，所述的侧分支出口与分支管道B连通；所述的分支管道B内安装有气液流量调控器，所述的气液流量调控器包括齿轮滑动条、支撑杆、固定浮子、喷嘴及步进电机调控系统B，所述的齿轮滑动条通过步进电机调控系统B控制，所述的气液流量调控器内安装有支撑杆，所述的支撑杆上安装有固定浮子，所述的喷嘴焊接在气液流量调控器的内壁上；所述的分支管道B上安装有流量传感器，所述的流量传感器依次连接有干度流量控制系统、PLC控制器、数据管理系统及流量干度管理系统。

所述的喷嘴为文丘里喷嘴。

本发明的有益效果为：本发明提高分配和调控能力，结合文丘里喷嘴的临界流原理，实现不同压力下的等干度、定流量气液分配；分配调控的气液流量范围0t/h-23t/h；分配调控的气液干度范围0-100%；各条支路的流量误差小于5%；各条支路的干度误差小于5%。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为整形装置的结构示意图。

图3为气液流量调控器的结构示意图。

图4为气液流量调控器的结构示意图。

其中：1为主体、2为整形装置、3为封隔装置、301为固定隔板、302为主分支出口、303为连接轴、304为活动隔板、305为步进电机调控系统A、306为侧分支出口、4为气液流量调控器、401为齿轮滑动条、402为支撑杆、403为固定浮子、404为喷嘴、405为步进电机调控系统B、5为分支管道B、6为流量传感器、7为干度流量控制系统、8为PLC控制器、9为数据管理系统、10为流量干度管理系统、11为分支管道A。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

一种气液等干度定流量智能调控装置，包括主体1、分支管道、整形装置2、封隔装置3、气液流量调控器4、流量传感器6、干度流量控制系统7、PLC控制器8、数据管理系统9及流量干度管理系统10，所述的主体1内一端安装有整形装置2，所述的整形装置2为迷宫式；所述的主体1内中部安装有封隔装置3，所述的封隔装置3包括固定隔板301、主分支出口302、连接轴303、活动隔板304、步进电机调控系统A305及侧分支出口306，所述的固定隔板301焊接在封隔装置3内壁，所述的活动隔板304一端连接在连接轴303上，活动隔板304另一端与步进电机调控系统A305连接，所述的固定隔板301与活动隔板304间的大通道为主分支出口302，所述的主分支出口302与分支管道A11连通，所述的固定隔板301与活动隔板304间的小通道为侧分支出口306，所述的侧分支出口306与分支管道B5连通；所述的分支管道B5内安装有气液流量调控器4，所述的气液流量调控器4包括齿轮滑动条401、支撑杆402、固定浮子403、喷嘴404及步进电机调控系统B405，所述的齿轮滑动条401通过步进电机调控系统B405控制，所述的气液流量调控器4内安装有支撑杆402，所述的支撑杆402上安装有固定浮子403，所述的喷嘴404焊接在气液流量调控器4的内壁上；所述的分支管道B5上安装有流量传感器6，所述的流量传感器6依次连接有干度流量控制系统7、PLC控制器8、数据管理系统9及流量干度管理系统10。

所述的喷嘴404为文丘里喷嘴。

干度控制技术通过整形装置2来实现，该装置采用迷宫式混合器，复杂的气液流型通过该装置后，气液两相充分混合，形成均匀的分散流。

封隔装置3是保证整流后的气液两相流体按相同的干度进行支路分配，管内分隔面积同气液两相流量成比例。

式中：

、——管内被分隔两扇形面积；

、——被分隔两部分的质量流量。

智能调控是指封隔面积是可以根据各出口流量设计进行变化，其中通过智能调控系统计算后，驱动步进电机调控系统A305转动活动隔板304，达到调整扇形面积及流量比的目的；

流量控制技术是在两出口气液等干度分配的情况下，利用临界流喷嘴404限制各分支流量，同时克服各注汽井压力差异对气液流量和干度的影响。当临界流喷嘴404喉部的流速达到音速时，流量只与上游压力和喉部孔径有关（与下游压力无关）。

理想条件下，质量流量为：

式中：A—喷嘴404喉部的内截面积；

R—气体常数；

C—理想条件下的临界流函数；

—喷嘴404前的气体滞止压力；

—嘴前的气体滞止温度。

智能调控技术是当各需要调整各分支出口气液流量时，通过智能调控系统统一给各步进电机调控系统下达调整指令和调控量，从而改变各分支的流通面积和临界流喷嘴404大小实现流量调整，继续保证各分支等干度定流量的气液分配。

主管线中的湿饱和气液进入气液等干度定流量智能调控装置，通过整形装置2将气液流型进行整理，利用复杂迷宫结构将气液整理成汽水混合均匀的分散流流型，整形装置2整理的流型是基于管内轴对称的气液流型，可采用面积切分的原理对以上气液进行封隔和分配，因此按照各分支井的气液进入封隔装置3进行气液流量的分配，由于封隔过程中气液是轴对称结构，因此分支管道A11和分支管道B5的气液干度是相等。整理后均匀分散流进行管内封隔和分配，整流后的流体首先进入固定隔板301，然后通过活动隔板304，其中固定隔板301和活动隔板304通过连接轴303进行连接、活动隔板304和固定隔板301组成的固定面积是按照设计流量进行分配，进入侧分支出口306，其余进入主分支出口302，进入下游。如果各分支流量发生变化，需要调整情况时候通过步进电机调控系统A305拖动活动隔板304进行面积重新划分，满足设计流量。同时为了克服各分支井的压力差异对气液流量分配影响，采用气液流量调控器4控制分支井压力差，并采用临界流原理实现定流量注入。气液进入气液流量调控器4，固定浮子403由支撑杆402支撑，并根据设计的流量控制流通面积，该文丘里喷嘴404的流通面积满足临界流原理。如果各分支井流量发生变化，通过齿轮滑动条401和步进电机调控系统B405调整文丘里喷嘴404的流通面积，并隔绝下游各井的压差对上游流量和流型的影响，通过文丘里喷嘴404进入分支管道B5，然后进入井中。

为了根据注汽锅炉流量合理调控各分支井的流量，通过流量传感器6采集流量数据、并通过干度流量控制系统7发送指令给步进电机控制系统控制流量、干度的开度，控制并调整各分支井流量，通过数据通讯线缆发送流量数据至数据管理系统9进行分类管理，通过数据传输线传输到流量干度管理系统10进行集中管理和调控，并下发指令反向发送到PLC控制器8进行智能控制步进电机调控系统，按流量干度系统优化的指标进行调控。

Claims (2)

1.一种气液等干度定流量智能调控装置，包括主体（1）、分支管道、整形装置（2）、封隔装置（3）、气液流量调控器（4）、流量传感器（6）、干度流量控制系统（7）、PLC控制器（8）、数据管理系统（9）及流量干度管理系统（10），其特征在于：所述的主体（1）内一端安装有整形装置（2），所述的整形装置（2）为迷宫式，复杂的气液流型通过整形装置（2）后，气液两相充分混合，形成均匀的分散流；整形装置（2）将气液流型进行整理，利用复杂迷宫结构将气液整理成汽水混合均匀的分散流流型，整形装置（2）整理的流型是基于管内轴对称的气液流型，采用面积切分的原理对气液进行封隔和分配，按照各分支井的气液进入封隔装置（3）进行气液流量的分配，封隔过程中气液是轴对称结构，分支管道A（11）和分支管道B（5）的气液干度是相等；所述的主体（1）内中部安装有封隔装置（3），所述的封隔装置（3）包括固定隔板（301）、主分支出口（302）、连接轴（303）、活动隔板（304）、步进电机调控系统A（305）及侧分支出口（306），所述的固定隔板（301）焊接在封隔装置（3）内壁，所述的活动隔板（304）一端连接在连接轴（303）上，活动隔板（304）另一端与步进电机调控系统A（305）连接，所述的固定隔板（301）与活动隔板（304）间的大通道为主分支出口（302），所述的主分支出口（302）与分支管道A（11）连通，所述的固定隔板（301）与活动隔板（304）间的小通道为侧分支出口（306），所述的侧分支出口（306）与分支管道B（5）连通；所述的分支管道B（5）内安装有气液流量调控器（4），所述的气液流量调控器（4）包括齿轮滑动条（401）、支撑杆（402）、固定浮子（403）、喷嘴（404）及步进电机调控系统B（405），所述的齿轮滑动条（401）通过步进电机调控系统B（405）控制，所述的气液流量调控器（4）内安装有支撑杆（402），所述的支撑杆（402）上安装有固定浮子（403），所述的喷嘴（404）焊接在气液流量调控器（4）的内壁上；所述的分支管道B（5）上安装有流量传感器（6），所述的流量传感器（6）依次连接有干度流量控制系统（7）、PLC控制器（8）、数据管理系统（9）及流量干度管理系统（10）。

2.根据权利要求1所述的一种气液等干度定流量智能调控装置，其特征在于：所述的喷嘴（404）为文丘里喷嘴。