摘要:鑒于稠油開采過程中的蒸汽吞吐及蒸汽驅技術,提出了對井口蒸汽質量流量計量的新方法。首先測量蒸汽通過渦街發生體后的差壓,得到渦街頻率,進而求出蒸汽的質量流量。這里主要介紹了用于蒸汽質量流量計量的壓差式渦街流量計的原理,并對流量計的檢測特點和實現的可行性進行了簡單闡述。
熱注蒸汽是目前開采稠油最為經濟有效的方法,由于熱采多為爐注多井和多爐注多井的方式,可見合理準確地進蒸汽流量計量,是油田在稠油井注汽開采過程中一個很重要的依據。稠油熱采所注蒸汽為濕飽和蒸汽,由于蒸汽是高溫、壓流體,飽和蒸汽又易變為汽、液兩相流,其流動規律較復雜,測量難度較大",國內一些油田和科研機構紛紛研制了各自的兩相流量計,其中主要圍繞節流差壓原理和卡門]渦街理論所設計的流量計居多。其中基于差壓原理和渦街理論并用的質量流量計通過其獨特的測量元件,能夠測量出流體通過渦街發生體后產生的壓差信號,在不進行溫度、壓力補償的情況下,測量出流體的質量流量。
1流量計的測量原理
以往的各種渦街質量流量計,如升力式渦街質量流量計、復合信號發生體渦街質量流量計等,它們的共同特點都是通過壓電傳感器測量渦街頻率。而壓電傳感器的特點是:反應靈敏、信號準確、與測量介質無接觸等,但是它在工業現場使用時,對管道振動較敏感是其主要缺點。針對這個問題差壓檢測技術的優點,提出在渦街發生體下游兩側管壁處設計取壓口,并用差壓傳感器檢測渦街頻率,再經過數值計算得到流體的質量流量",如圖1所示。
通過以前人們對蒸汽流量計的研究,不難發現不管是利用節流壓差原理孔板流量計,還是其他渦街蒸汽流量計,都必須通過壓力、溫度補償而計算得到蒸汽密度,這就不可避免的出現蒸汽計量的誤差。鑒于這個問題,結合前面提到的差壓式流量計計算模型,設計出了適用于蒸汽計量的流量計及其數學模型。
由于很多學者對渦街發生體附近的流場利用數值模擬、分析,發現流體通過渦街發生體后,使得流體發生繞流分離,從而產生一-定規律的旋渦,同時由于流體的阻力特性,在通過渦街發生體時會產生壓力損失。利用渦街發生體的這兩個特點,蒸汽流過渦街發生體后同樣產生渦街、壓力損失,再利用上下游差壓波動可以得到渦街頻率?,并結合卡門渦街理論就可以得到蒸汽的質量流量。
下面具體說明適合于蒸汽的差壓式渦街質量流量計的結構與測量過程。如圖2所示,在渦街發生體上下游管壁處各設置--個取壓口。上游的取壓口.用于測量蒸汽通過渦街發生體前的靜壓力,這時的壓力值比較穩定;而下游的取壓口用于檢測蒸汽通.過渦街發生體后的壓力損失和產生旋渦引起的壓力波動,如圖3所示。管壁上、下游的差壓平均值即
Kn為質量流量計的流量系數,即儀表系數,它是由漩渦發生體的幾何尺寸、上下游的取壓位置等因素決定的物理參數,要使得蒸汽質量流量測量準確,Kn必須在一-定雷諾數范圍內是常數。通過測量渦街發生體.上、下游的差壓,得到蒸汽通過發生體后的平均壓降和渦街頻率的關系,由式(5)和式(6)計算就可以直接得到蒸汽的質量流量,實現了直接測量。
2流量計的檢測特點
以往的蒸汽質量流量測量中,不管用節流元件的流量計,還是其他的渦街流量計都是先得到體積流量,再用不同的方法計算出蒸汽的密度,在這一過程中必須進密度的補償或其他形式的補償,這就出現不同程度的誤差。而用差壓式渦街質量流量計來計量注人稠油井中的蒸汽量,不用將蒸汽的密度計算出來,而僅僅將蒸汽密度作為一個在計算過程中的中間物理量,不參與最終結果的計算。這樣就消除了蒸汽密度這個隨時變化的量對蒸汽質量流量計量帶來的影響,實現了蒸汽的直接測量。
差壓式渦街流量計原理是利用差壓傳感器測量蒸汽通過渦街發生體后的壓力變化及產生的壓損,即為差壓波動頻率,也就是渦街頻率。相比其他傳感器,差壓傳感器檢測渦街頻率有以下優勢:
(1)差壓傳感器獨立于漩渦發生體,位于管道外面,易于維修和更換,具有較強的抗振性。
(2)實現了蒸汽質量流量直接測量,結構簡單,不需溫度、壓力補償,性能穩定。
(3)由于采用了差壓檢測技術,因此操作簡便,易于實現。
3實現的可行性分析
依據流體力學原理,流體有旋渦產生的地方就會存在壓力的變化,當產生的旋渦有一定的規律出現時,就會引起流場中擬定兩點間差壓的規則變化,其頻率與旋渦頻率一致。這一-規律在實驗中已得到了驗證。
VolkerHans等研究人員通過實驗”,利用微小壓力探頭(探頭直徑為1.6mm)測出了流體通過渦街發生體后,旋渦中心與低壓區對應,并且渦街發生體周圍壓力分布與旋渦分布有對應關系;同時可以.發現壓力信號隨旋渦呈現規律性的變化,如圖4所示,壓力波動頻率與渦街頻率對應。
MIAU等研究人員利用差壓傳感器測量渦街發生體前后的差壓波動信號,并通過實驗證實差壓波動信號的頻率與渦街頻率存在一定的對應關系。由以上資料,并結合黃詠梅提出的差壓檢測技術及其他的蒸汽流量測量技術鬥,說明用差壓式渦街質量流量計對注汽井井口蒸汽進行計量的方法是可行的。
4結束語
從上面的分析看出,差壓式渦街質量流量計克服了其他流量計不能直接測量蒸汽質量、對流體介質嚴格限制或者價格昂貴(如科里奧利質量流量計)等缺點,能夠實現蒸汽質量的直接測量,這對于井口蒸汽質量流量的計量具有重要的意義。但渦街理論的研究多在均勻穩定流場中,但對于蒸汽管道,由于是兩相流體,其內部流場存在不均勻的現象,且產生旋渦分離的規律與單相均勻流場中的旋渦分離有一定的差異性,因此希望更多的研究人員對兩相流的渦街理論做更深人的研究。
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