涡街流量计在蒸汽干度计量中的应用

1 气体流量计简介
气体流量计具有压力损失小、可靠、精度高及对前/后管段要求低等特点，既可以测量气体又可以测量液体的体积流量。其主要组成部分是无缝钢管、内部节流锥体以及锥体与钢管的连接部分，锥体前端和锥体最大节流处各有一个取压口，来流方向为高压取压口（ 即锥体最尖端） ，另一个为低压取压口，试验用气体流量计的结构如图1所示。

2 气体流量计的测量原理
在流量计的应用中，直径比是一个重要参数。对于气体流量计而言，流体流经的空间为一个圆环，需将此圆环的面积等效为圆面积，此圆面积与圆环面积相等，因此气体流量计的直径比是一个等效直径比。设管道内径为D，节流锥体最大节流处横截面的直径为d，则等效直径比β的计算

式中s1———锥体最大节流处横截面积，mm2 ;
s2———管道内横截面积，mm2。
根据连续性方程和伯努力方程推导出锅炉给水量qv的计算式为:

由于在取压口处测得的压差是一个瞬时值，而式（ 2） 中的Δp是静压力。考虑气体连接部件对压差的影响，以便对压差进行修正; 同时针对蒸汽这种可压缩流体引入膨胀系数ε，对密度进行修正，经修正后得到流体体积流量的计算式为:

流出系数C 为实际流量与理论流量的比值，其计算式为:

3 蒸汽干度检测系统
笔者设计的蒸汽干度检测系统由气体流量计、差压变送器、压力变送器、温度传感器、PLC 和PC机组成。该试验在某采油厂热注站进行，将现场工况检测所得数据与实验室流量计流量标定系统标定所得的气体流量计测得的流量进行对比，二者的误差在0.8%以内。热注站有一台额定蒸汽流量为23t 的注汽锅炉，其额定压力为17.5MPa，由于锅炉使用年限已久，在实际应用中将最高蒸汽流量设为18t/h，额定压力设为16.5MPa。
给水被锅炉加热后成为湿蒸汽，其质量不变，但在出口处体积增加，由于出口处的蒸汽干度与蒸汽体积成正比，锅炉给水流量、燃料供给压力、燃烧器燃烧状况及蒸汽压力等参数均对蒸汽干度产生影响。在锅炉给水入口和蒸汽出口处均安装气体流量计，通过对采油注汽锅炉的蒸汽压力、蒸汽温度、锅炉给水温度、压差和压力这些参数的测量，结合以上各个参数得到蒸汽体积膨胀量，由PLC对以上测得的参数进行计算，得到注汽锅炉的蒸汽干度，其关系式如下:

4 试验过程
稠油开采注汽锅炉蒸汽干度检测系统的试验装置由注汽锅炉、气体流量计（ 检测段）、差压变送器、压力变送器、温度传感器、PLC及PC机等组成。检测段为气体流量计（内径73mm，等效直径比0.72），内部V 锥是节流装置，整个检测段安装在注汽锅炉的蒸汽出口处，与蒸汽管线串联，检测段共两个引压口，来流方向为高压取压端，另一个为低压取压端，蒸汽流经检测段，压力由检测段引压口导出。压力变送器连接到检测段高压引压口上，差压变送器连接到两个引压口上，得到高压取压口与低压取压口的压力差。连接过程需要注意高、低压引压端的连接方向，温度传感器安装在检测段前端管线处，压力变送器、差压变送器、温度传感器分别与PLC 和PC 机连接，将测得的信号输入PLC，检测段参数在程序中设置好，蒸汽体积流量由式（1） 、（4） 求出，将锅炉给水流量、温度、蒸汽压力和检测段压差作为输入量，以蒸汽干度作为输出量。
注汽锅炉产生的蒸汽经过锅炉出口管线流经检测段，在检测段处通过压力变送器和差压变送器得到压力与压差，温度由热电偶测得。试验所用锅炉的蒸汽流量为18t/h，试验过程中分别调节蒸汽流量为15、16、17、18t /h，油田为了提高采油效率，蒸汽干度一般控制在75%; 试验过程中蒸汽干度由60%升至80%，每间隔约5% 作为一个干度监测点，由气体流量计在取压口测得对应干度下的压力和温度。
人工化验法检测蒸汽干度χ 的计算式为:

式中a、b———炉水与生水消耗硫酸的体积，mL。本试验以人工化验方法连续检测得到的蒸汽干度作为参照，将参照值与笔者设计的气体流量计检测系统得到的干度值作对比，具体的对比曲线如图2 所示，可以看出通过V 锥流量计检测系统测得的蒸汽干度具有较好的准确性，其误差在3%以内，可以实现较为精确的在线测量，得到蒸汽干度与蒸汽压力的连续关系，及时反映蒸汽干度的变化情况和对应的蒸汽压力。

图2 蒸汽干度的人工化验值与气体流量计检测值对比曲线
注汽锅炉出口蒸汽干度与压力的关系如图3所示，蒸汽压力对蒸汽干度的影响很大，蒸汽干度随着压力的升高而增大，对于不同的蒸汽流量都存在一个蒸汽压力，在低于该压力值的情况下，蒸汽干度随蒸汽压力的升高变化不大，超过此压力值时蒸汽干度随蒸汽压力的升高增加很快。由于蒸汽干度较低时压力也很低，干度对蒸汽的影响不明显，曲线出现交叉; 随着时间的推移，油井注汽量逐渐增大，井压也随之变化，导致不同蒸汽流量在相同压力下具有相同的蒸汽干度。

图3 蒸汽干度与蒸汽压力的关系曲线
蒸汽流量对蒸汽干度的影响也很大，在相同压力时，蒸汽流量越大蒸汽干度越低。当蒸汽干度相同时，对于不同的蒸汽流量，需要的蒸汽压力也不相同; 对于同一蒸汽干度，蒸汽压力随蒸汽流量的升高而升高，注汽锅炉的额定压力决定了蒸汽流量。
由图4 可以看出，在同一蒸汽流量下蒸汽干度与压差成近似一次函数关系，蒸汽干度随检测段压差的增大而增大，不同蒸汽流量下蒸汽干度与压差形成的曲线为近似平行直线。将蒸汽干度以5%为间隔，从60%调节到80%，蒸汽压差的变化范围为7.08 ～ 12.04kPa，蒸汽流量每提高1t/h，在达到相同干度的情况下压差变化相近。压差与干度的这种对应关系对于估计蒸汽干度能提供一定的参考。

图4 蒸汽干度与压差的关系曲线
5 结束语
笔者设计的稠油开采注汽锅炉蒸汽干度气体流量计检测系统已投入实际应用，能够对注汽锅炉的给水量和出口蒸汽流量进行实时、精确测量; 对影响蒸汽干度的蒸汽压力、蒸汽流量及压差等重要参数进行数值计算，通过调节参数，对于单一油井蒸汽干度实现了准确测量。蒸汽干度与气体流量计测得的压差具有近似的一次函数关系，在注汽锅炉运行过程中对其压力及压差等参数进行实时监测与调节，保障注汽锅炉的安全运行，对稠油开采的持续、稳定进行具有重要意义。