CN203414126U

CN203414126U - 汽水二相流体流量及蒸汽干度实时测量装置

Info

Publication number: CN203414126U
Application number: CN201320561865.6U
Authority: CN
Inventors: 毕家平; 黎文超; 杨立民; 邰洪利; 吴景军; 安明迪; 马建春; 王志刚
Original assignee: PANJIN LIAOHE OILFIELD LIAONAN GROUP CO Ltd
Current assignee: PANJIN LIAOHE OILFIELD LIAONAN GROUP CO Ltd
Priority date: 2013-09-11
Filing date: 2013-09-11
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2023-09-11

Abstract

一种汽水二相流体流量及蒸汽干度实时测量装置，包括由4个相同的90°弯管在同一个铅垂平面内依次连接组成的测量管段，分别连接在测量管段上的差压变送器、恒高容器、压力变送器、测温元件、温度变送器，信号转换器件，工控机信号处理系统，显示器。在测得测量管段内汽水二相流体平均流速和测量管段内流体的视在密度的前提下求出管内流体的体积干度及汽水二相流体质量流量，体积干度经化验干度标定，可以实时指示不同负荷下注汽锅炉出口工质质量干度，从而实现了对注汽锅炉出口的饱和汽饱和水二相流体蒸汽干度及质量流量的实时测量。

Description

汽水二相流体流量及蒸汽干度实时测量装置

技术领域

本实用新型涉及多相流检测技术领域，特别是一种油田注汽锅炉出口的汽水二相流体流量及蒸汽干度实时测量装置。

背景技术

油田含油地层中蕴藏的稠油需加驱油剂令其流动性增加后方能被采出。水蒸汽是通常采用的驱油剂之一。注汽锅炉将给水加热成饱和状态的汽水混合物，注入到含油层，达到驱油的目的。由于汽相存在汽化潜热，与同温、同质量的液相相比，汽相携带的热量远多于液相携带的热量，故出口汽水二相流中蒸汽所占质量份额越大，注汽锅炉驱油效率越高。出于降低成本的目的，注汽锅炉给水中只除去了[Ca ²⁺]、[Mg ²⁺]等离子，而未除[Na ⁺]、[K ⁺]等离子，或将从油井采出的油、气、水、沙多相流体经油、气、水分离后的采矿废水沉淀后，直接作为注汽锅炉的给水，因此锅炉给水中存在盐类。与同温度水中的溶解度相比，盐类在饱和水蒸汽中的溶解度可以忽略，随给水进入到锅炉水冷壁管道中的盐份，主要由锅炉出口工质中的液相饱和水载出。如果注汽锅炉出口汽水二相流蒸汽干度过高，炉水因在水冷壁内换热表面蒸发剧烈，炉水中的盐类析出，粘附水冷壁内表面形成水垢，使换热面热阻增加，导致水冷壁金属因超温而爆管；如果注汽锅炉出口汽水二相流蒸汽干度过低，除单位质量的工质携带的热量少外，还由于在至油层管道的流动过程中的散热损失，其中的一部分饱和蒸汽在管道内即释放出汽化潜热，变成了饱和水，这就使到达油层驱油剂工质中液态水含量过高，除驱油效果差外，这些液态水还将吸收下一轮注汽热量，导致采油成本增加。故工艺要求注汽锅炉出口汽水二相流的蒸汽质量干度为80%。由此可见，蒸汽干度的检测与注汽锅炉设备安全性与运行经济性直接相关。

出口工质干度实时检测属于气液二相流参数测量，由于流动过程中存在着相间力和在时间空间随机变化的相界面，使得汽水二相流的流动非常复杂，无法复现，数十年来一直是工程界、学术界研究的热点和难点。

CN201327400公开了“湿蒸汽两相流量计”，记载了一种饱和水蒸汽-饱和水二相流体（即该专利说明书所称“湿饱和蒸汽两相流”）流量测量方法。其装置由测量总流量的垂直管段、节流元件和测量、显示用的流量计算机所组成，在垂直管段上装有差压传感器和压力传感器，在节流件的两端装有压差传感器，三个传感器测得的数据输送至流量计算机，经流量计算机内存储的测量各相流量、总流量及蒸汽干度的数学模型及各种物质的参数程序进行计算后显示各项测量结果。该项技术存在如下问题：首先其测量垂直上升管道内工质上、下游差压的引压管内冷凝水的密度对差压测量的影响无补偿措施。因为冷凝水密度与温度、压力有关，尤其是随温度的变化较大，造成的附加误差对测量精度产生不利影响；其次，实施该项技术一般需要4个弯曲半径小的90°弯头，这对汽水二相流体造成了非常大的压力损失，实验表明，对于Φ69×3的管道，当工作压力为7MPa时，80%干度的湿饱和蒸汽流经上述装置压力损失高于1.5MPa，现实中这是无法接受的能量损失；第三，其装置采用节流件，使流动截面发生了收缩，实验表明，节流件前后的压力损失不同于单相流体，汽水二相流体在节流件前后的压力损失，在相同的开孔直径比下，数倍于单相流体，不利于注汽锅炉提高注汽效率。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种汽水二相流体流量及蒸汽干度实时测量装置，与现有技术相比，测量结果的可靠性、有效性明显提高；在温度等工况变化时，仍能准确测量干度及流量；工质流经测量装置产生的压力损失远远小于现有测量装置。

本实用新型的技术方案是：该汽水二相流体流量及蒸汽干度实时测量装置，包括连接在工艺管道之间的测量管段、与测量管段相连接的测量器件，与测量器件连接的信号转换器件，接收各信号转换器件发送的信号并对其分析、计算的工控机信号处理系统，与工控机信号处理系统的输出端相连接的显示器，其特殊之处是：所述测量管段由4个相同的90°弯管在同一个铅垂平面内依次连接组成，分别为第一弯管、第二弯管、第三弯管和第四弯管，所述第二弯管与第三弯管组成向下凹的180°弯管，所述第一弯管向左上45°凹并作为入口与第二弯管连接，所述第四弯管向右上45°凹与第三弯管连接作为出口；

所述测量器件由分别连接在第一、二、三弯管上的第一差压变送器、第三差压变送器、第二差压变送器，与所述第二弯管连接的恒高容器，与恒高容器的底部引压管连接的压力变送器，分别设于恒高容器和其底部引压管金属壁面上的第一测温元件、第二测温元件，以及温度变送器组成。

所述第二弯管上部背对管内工质流向的凸侧壁面开设第一取压孔并利用引压管连接所述恒高容器，所述第二弯管下部背对管内工质流向的凸侧壁面开设第二取压孔并通过冷凝盘管、引压管与第三差压变送器的负压室连接，所述第三差压变送器的正压室与所述恒高容器底部的引压管相连接。

所述第一弯管的外缘及内缘相对应处分别开设第一正压取压口和第一负压取压口，所述第一正压取压口连接第一冷凝罐后通过引压管与所述第一差压变送器的正压室连接，所述第一负压取压口连接第二冷凝罐后通过引压管与所述第一差压变送器的负压室连接。

所述第三弯管的外缘及内缘相对应处分别开设第二正压取压口和第二负压取压口，所述第二正压取压口连接第三冷凝罐后通过引压管与所述第二差压变送器的正压室连接，所述第二负压取压口连接第四冷凝罐后通过引压管与所述第二差压变送器的负压室连接。

所述信号转换器件由分别与所述第一、二、三差压变送器和压力变送器输出端相连接的电流/电压转换器，将所述温度变送器和电流/电压转换器的转换信号发送给工控机信号处理系统的模数转换器组成。

所述第一正、负取压口分别设于所述第一弯管所在铅垂平面沿左上--右下方向与水平面逆时针成135°角的外缘及内缘位置，以达到最佳检测效果。

所述第二正、负压取压口设于所述第三弯管所在铅垂平面沿右上—左下方向与水平面逆时针成45°角的外缘及内缘位置，以达到最佳检测效果。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型采用分相流模型实现对汽水二相流的实时在线检测，数学模型更加接近运行工况下的汽水二相流真实流动状态。本实用新型采用在同一个铅垂平面内的4个90°弯管相连接组成的测量管段，第一和第三弯管分别作为弯管流量计的差压式流量传感器，流体流经该传感器时流动截面不发生改变，将管内工质的流速转换为差压，第一和第三弯管输出差压分别由第一差压变送器和第二差压变送器测出，上述二差压的算数平均值表征测量管段内汽水二相流体平均流速。之所以利用两个弯管输出的两个差压后再以其算术平均值表征流量，是因为其消除了管内汽液二相流体柱所形成的静压对流量信号差压测量造成的影响，提高测量结果的可靠性、准确性。

与作为入口的第一弯管相连的第二弯管背对工质流向的凸侧上部、下部分别开设第一取压孔和第二取压孔，第一取压孔由引压管将工质通过恒高容器接到第三差压变送器的正压室，第二取压孔由引压管将工质通过冷凝盘管接到第三差压变送器的负压室，第一、第二测温元件及温度变送器测得恒高容器中和其底部引压管中的冷凝水温度，压力变送器测得工艺管道内的工质压力，由此得到恒高容器及其底部引压管内冷凝水密度，恒高容器的高度为恒定值，从而确定恒高容器输出静压，第三差压变送器测出了恒高容器中冷凝水柱形成的静压与第二弯管高程上汽水二相流体形成的静压之差，在测出汽水二相工质平均流速的前提下，由该差压求得测量管段内流体的视在密度，其中弯管中心曲率半径可以合理选择，以保证流体视在密度测量、流速测量的灵敏度及控制压力损失在允许范围内，与现有技术相比，极大减少压力损失；

进一步可求得管内流体的体积干度及汽水二相流体质量流量，体积干度经化验干度标定，可以实时指示不同负荷下注汽锅炉出口工质质量干度，从而实现了对注汽锅炉出口的饱和汽饱和水二相流体蒸汽干度及质量流量的实时测量。

另外，本实用新型所涉及的流量传感器管段无任何机械可动部件，故具有高可靠性和稳定性，从而延长了整个装置的使用寿命。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图中：第一弯管1、第一正取压口101、第一负取压口102；第二弯管2、第一取压孔201、第二取压孔202；第三弯管3、第二正取压口301、第二负取压口302；第四弯管4；第一冷凝罐5、第二冷凝罐6、第三冷凝罐7；第四冷凝罐8；恒高容器9；压力变送器10；第一差压变送器11、第三差压变送器12、第二差压变送器13；冷凝盘管14；第一测温元件15、第二测温元件16；第一温度变送器17、第二温度变送器18；工控机信号处理系统19；显示器20。

具体实施方式

参见图1，该汽水二相流体流量及蒸汽干度实时测量装置，包括连接在注汽锅炉出口工艺管道之间的测量管段、与测量管段相连接的测量器件，与测量器件连接的信号转换器件，接收各信号转换器件发送的信号并对其分析、计算的工控机信号处理系统19，与工控机信号处理系统19的输出端相连接的显示器20。

其中所述的测量管段由4个相同的90°弯管在同一个铅垂平面内依次连接组成，分别为第一弯管1、第二弯管2、第三弯管3和第四弯管4，四个弯管的内径与工艺管道的内径相同。所述第二弯管2与第三弯管3组成向下凹的180°弯管，第一弯管1向左上45°凹并作为入口与第二弯管2连接，所述第四弯管4向右上45°凹与第三弯管3连接作为出口，被测流体从第一弯管1开口端流入，从第四弯管4开口端流出。所述测量器件由分别连接在第一、二、三弯管1、2、3上的第一差压变送器（DP₁）11、第三差压变送器（DP₃）13、第二差压变送器（DP₂）12，与所述第二弯管2连接的恒高容器9，与恒高容器9的底部引压管连接的压力变送器10，分别设于恒高容器9和其底部引压管金属壁面上的第一测温元件15、第二测温元件16，以及分别与第一测温元件15、第二测温元件16相连接的第一温度变送器（WB₁）17和第二温度变送器（WB₂）18组成。所述信号转换器件由分别与所述第一、二、三差压变送器11、12、13和压力变送器10输出端相连接的电流/电压转换器（I/V），将第一温度变送器（WB₁）17_、第二温度变送器（WB₂）18和电流/电压转换器（I/V）的转换信号发送给工控机信号处理系统19（IPC）的模数转换器A/D组成。

所述第二弯管2上部背对管内工质流向的凸侧壁面开设第一取压孔201并利用引压管连接所述恒高容器9顶部，所述第二弯管2下部背对管内工质流向的凸侧壁面开设第二取压孔202并通过冷凝盘管14、引压管与同其处于一个水平面上的第三差压变送器13的负压室连接，所述第三差压变送器13的正压室与所述恒高容器9底部的引压管相连接。

所述第一弯管1在其外缘及内缘分别开设第一正、负取压口101、102，本实施例中将第一正、负取压口101、102设于第一弯管1所在铅垂平面沿左上--右下方向与水平面逆时针成135°角的外缘及内缘位置，实验表明此处效果最佳。所述第一正压取压口101连接第一冷凝罐5后通过引压管与所述第一差压变送器11的正压室连接，所述第一负压取压口102连接第二冷凝罐6后通过引压管与所述第一差压变送器11的负压室连接。所述第三弯管3在其外缘及内缘相对应处分别开设第二正、负压取压口301、302，同理，本实施例中将第二正、负压取压口301、302设于第三弯管3所在铅垂平面沿右上—左下方向与水平面逆时针成45°角的外缘及内缘位置。所述第二正压取压口301连接第三冷凝罐7后通过引压管与所述第二差压变送器12的正压室连接，所述第二负压取压口302连接第四冷凝罐8后通过引压管与所述第二差压变送器12的负压室连接。

本实用新型的工作步骤：

1、汽水二相流体流经第一弯管1在内外两侧形成的差压

与流经第三弯管3在内外两侧形成的差压

分别由第一差压变送器11、第二差压变送器12测出，据工控机信号处理系统19求得平均差压：

（1）

根据汽水二相流体流速与弯管内外两侧平均差压

之间关系：

（2）

（2）式中，R为弯管中心曲率半径，D为工艺管道内径，

为汽水二相流体视在密度，

为弯管的流量系数。

之所以利用第一弯管1、第二弯管3输出的两个差压、

后再以其算术平均值

表征流量，是因为平均差压消除了管内汽液二相流体柱所形成的静压对流量信号差压测量造成的影响。

2、压力变送器10测量出了汽水二相流的工作压力P，工控机信号处理系统19根据P的值查水的物性参数表（公知）得与之对应的饱和水密度、饱和水蒸汽密度

：

（3）

（4）

同时第一、二测温元件15、16将所测温度

、

转化成可用信号，第一、二温度变送器17、18将其成比例地转化为1-5VDC电压信号，据此工控机信号处理系统19求得恒高容器9及引压管内冷凝水的平均温度

。

工控机信号处理系统19根据P、

，查水物性参数表得到恒高容器9及引压管中冷凝水平均密度

：

（5）

根据流体力学原理，第三差压变送器13测量到的差压

为：

（6）

（6）式中为传感器的压力损失系数，可视为常数，由实验确定；h为测量管内工质的高程。

由（2）、（6）解得

（7）

测出了

、

、

，工控机信号处理系统19根据（1）、（5）、（7）式求得注汽锅炉出口汽水二相流工质视在密度

。

3、根据汽水二相流体视在密度

与饱和水密度

、饱和水蒸汽密度

以及测量管内汽水二相流体的平均空隙率β之间关系，有

即（8）

（8）式表征运行工况下工艺管道横截面蒸汽所占面积百分数，亦即饱和水蒸汽的体积干度，在汽水二相流动中，设连续相饱和水蒸汽流速

、饱和水流速

，实验表明

远大于，设质量干度为η,根据定义，汽水二相流水蒸汽质量干度η：

（9）

且有

（10）

（9）、（10）式中：A为工艺管道横截面积，A _s为工艺管道横截面上蒸汽所占的面积，管道内汽水二相流体蒸汽相流速

与饱和水液相流速

之比称为滑移比，记为S

由（9）式、（10）式求得

（11）

（12）

（13）

（11）、（12）、（13）式为连接注汽锅炉出口汽水二相流体体积干度β与质量干度η的关系式，（11）、（12）、（13）式表明，注汽锅炉出口汽水二相流体蒸汽的质量干度η同体积干度β存在对应的函数关系。因此，在负荷不变工况下，可以用质量干度η来标定体积干度β，即可以采用人工化验干度作为质量干度对（12）式标定。所谓“化验干度”系指用人工方法化验锅炉给水和锅炉出口工质汽水二相流液相即饱和水中某种金属离子或酸根的浓度

、

值，且认为与液相相比汽相不含盐，锅炉给水中的盐全部富集在出口汽水二相流的液相即饱和水中，因此（饱和）汽（饱和）水二相流体饱和蒸汽的质量干度η可表示为

（14）

（14）式中为锅炉给水中某种金属离子或酸根浓度，

为出口工质液相中某种金属离子或酸根浓度。

于是，在分相流模型下，建立起的汽水二相流体体积干度β与质量干度η一一对应关系，由（12）式或（13）式表示，测出了β值，由（12）式求得η。4、由于汽水二相流体质量流量

：

（15）

（15）式中R为弯管中心曲率半径，D为工作状态下工艺管道内径，

为弯管的流量系数，为汽水二相流体的视在密度，。

测出了

、

、

由（7）式求得

，代入（15）式可求得质量流量

。

Claims

1.一种汽水二相流体流量及蒸汽干度实时测量装置，包括连接在工艺管道之间的测量管段、与测量管段相连接的测量器件，与测量器件连接的信号转换器件，接收各信号转换器件发送的信号并对其分析、计算的工控机信号处理系统，与工控机信号处理系统的输出端相连接的显示器，其特征在于：所述测量管段由4个相同的90°弯管在同一个铅垂平面内依次连接组成，分别为第一弯管、第二弯管、第三弯管和第四弯管，所述第二弯管与第三弯管组成向下凹的180°弯管，所述第一弯管向左上45°凹并作为入口与第二弯管连接，所述第四弯管向右上45°凹与第三弯管连接作为出口；

所述测量器件由分别连接在第一、二、三弯管上的第一差压变送器、第三差压变送器、第二差压变送器，与第二弯管连接的恒高容器，与恒高容器的底部引压管连接的压力变送器，分别设于恒高容器和其底部引压管金属壁面上的第一测温元件、第二测温元件，以及温度变送器组成。

2.根据权利要求书1所述的汽水二相流体流量及蒸汽干度实时测量装置，其特征在于：所述第二弯管上部背对管内工质流向的凸侧壁面开设第一取压孔并利用引压管连接恒高容器，所述第二弯管下部背对管内工质流向的凸侧壁面开设第二取压孔并通过冷凝盘管、引压管与第三差压变送器的负压室连接，所述第三差压变送器的正压室与恒高容器底部的引压管相连接。

3.根据权利要求书1所述的汽水二相流体流量及蒸汽干度实时测量装置，其特征在于：所述第一弯管的外缘及内缘相对应处分别开设第一正压取压口和第一负压取压口，所述第一正压取压口连接第一冷凝罐后通过引压管与第一差压变送器的正压室连接，所述第一负压取压口连接第二冷凝罐后通过引压管与第一差压变送器的负压室连接。

4.根据权利要求书1所述的汽水二相流体流量及蒸汽干度实时测量装置，其特征在于：所述第三弯管的外缘及内缘相对应处分别开设第二正压取压口和第二负压取压口，所述第二正压取压口连接第三冷凝罐后通过引压管与第二差压变送器的正压室连接，所述第二负压取压口连接第四冷凝罐后通过引压管与第二差压变送器的负压室连接。

5.根据权利要求书1所述的汽水二相流体流量及蒸汽干度实时测量装置，其特征在于：所述信号转换器件由分别与第一、二、三差压变送器和压力变送器输出端相连接的电流/电压转换器，将温度变送器和电流/电压转换器的转换信号发送给工控机信号处理系统的模数转换器组成。

6.根据权利要求书3所述的汽水二相流体流量及蒸汽干度实时测量装置，其特征在于：所述第一正、负取压口分别设于所述第一弯管所在铅垂平面沿左上--右下方向与水平面逆时针成135°角的外缘及内缘位置。

7.根据权利要求书4所述的汽水二相流体流量及蒸汽干度实时测量装置，其特征在于：所述第二正、负压取压口设于所述第三弯管所在铅垂平面沿右上—左下方向与水平面逆时针成45°角的外缘及内缘位置。