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稠油热采湿蒸汽汽水分离及等干度分配流量计量技术

时间:2018/01/07来源:未知

摘要: 稠油热采注汽锅炉多为直流锅炉 ,其产生的湿蒸汽干度≤ 80% ,为了满足井底高干度蒸汽要求 ,设计球型汽水分离器 ,采用重力分离、离心分离及膜式分离原理 ,将蒸汽干度提高至 95% 以上 ,满足注汽要求。湿蒸汽为汽水二相流 ,蒸汽主干线和支线若采用侧三通 ,二管路内的蒸汽干度差别较大 ,直接影响各注汽井的注汽效果。采用正三通的入口或出口加装插入装置 ,可有效使二管路中蒸汽干度近视相等;当分支较多时 ( 3- 4路 ) ,设计加装整流器的球型等干度分配器 ,采用整流及对称性原理 ,实现各分支管路内蒸汽干度相等。同时 ,将标准孔板与文丘里管串联于湿蒸汽管道中 ,根据质量守恒定律 ,求解方程可计算出蒸汽质量流量与蒸汽干度 ,确保二相流计量的准确性及蒸汽干度的在线测量。通过湿蒸汽汽水分离及等干度分配计量技术研究 ,提高了注汽井的热采效果。

1、概述:
  利用注蒸汽开采稠油是热力采油的一种重要方法。随着稠油热采由蒸汽吞吐的生产方式向蒸汽驱、蒸 汽 辅 助 重 力 泄 油 ( Steam Assisted GravityDrai nag e, 简称 S A G D)等生产方式的转换 ,对蒸汽干度、蒸汽等干度分配和蒸汽计量等的要求越来越高。现有稠油热采注汽锅炉多为直流锅炉 ,其产生的湿蒸汽干度≤ 80% ,为了满足井底高干度蒸汽要求 ,需对湿蒸汽进行汽水分离;同时 ,湿蒸汽中汽水二相物性差别较大 ,在湿蒸汽分配过程中 ,应力求分支管路内蒸汽干度相同 ,且需精确的蒸汽计量 ,才能保证蒸汽注入井的蒸汽质量 ,为油藏分析提供精准的数据基础。本文分析了湿蒸汽汽水分离、蒸汽等干度分配和蒸汽计量的方法 ,推荐了较为有效的相关装置。

2、湿蒸汽汽水分离:
2. 1、影响湿蒸汽汽水分离的主要因素:

  由于现有稠油热采直流锅炉注汽锅炉产生的湿蒸汽干度≤ 80% ,为了提高蒸汽干度 ,需对湿蒸汽进行汽水分离。 而湿蒸汽进行汽水分离时 ,蒸汽负荷、蒸汽压力、分离器汽空间高度是影响分离后蒸汽干度的主要因素。

2. 1. 1、蒸汽负荷对汽水分离的影响:
  当通过汽水分离器的蒸汽量增大时 ,湿蒸汽在分离器内上升速度加大 ,能带动向上运动的水滴增多 ,水滴被带动的高度也增高 ,致使分离后蒸汽带水量增多。 因此 ,蒸汽负荷的加大 ,即蒸汽平均速度提高 ,也代表着蒸汽携带水的能力增强。通常可用蒸汽空间的容积负荷表示 ,即蒸汽在分离器中滞留的时间倒数。蒸汽空间的容积负荷越小 ,代表蒸汽滞留的时间越长 ,也代表着蒸汽中携带的水滴可能有更大的机率与蒸汽分离开来。

2. 1. 2、蒸汽压力对汽水分离的影响:
  蒸汽压力提高时 ,由于汽水密度差减小等因素 ,导致汽水重力及惯性分离作用减弱。 例如 ,湿蒸汽5M Pa时 ,液相比重为 777. 7k g /m3、汽相比重为 25.4k g / m3, 液相比重是汽相比 重 30. 6 倍 ; 湿 蒸汽10 M Pa 时 ,液相比重为 688. 4kg /m3、汽相比重为 55.5k g / m3,液相比重是汽相比重 1 2. 4倍。 由此可以看出 ,直径相同的水滴 ,当蒸汽压力提高 ,水滴就更容易被蒸汽携带。 同时 ,蒸汽压力提高 ,水温也相应提高 ,水分子的热运动加强 ,相互间的引力减小 ,水更容易被击碎成细微水滴 ,增大蒸汽带水的能力。 因此 ,当来汽压力提高时 ,湿蒸汽靠重力及惯性分离作用而进行的汽水分离效果降低。但需要指出 ,在相同流量的前提下 ,蒸汽压力提高后 ,其比容变小 ,即蒸汽空间的容积负荷变小 ,从而又有利于水滴的分离。因此 ,提高蒸汽压力 ,湿蒸汽靠重力及惯性分离作用而进行的汽水分离效果降低 ,是以蒸汽流速相同为前提的。

2. 1. 3、分离器汽空间高度对汽水分离的影响:
  汽空间高度是指分离器蒸汽引出管口到分离器内水位液面的垂直距离。当蒸汽流速一定时 ,仅能携带相应大小的水滴 ,当较大的水滴借助初始动能运动到一定高度后 ,就因其自身重量而向下落到水中。如果汽空间太低 ,水滴可能运动到蒸汽引出管口 ,未来得及回落就被汽流带走 ,使分离后的蒸汽带水增多。但大颗粒水滴的飞溅高度是有限的 ,当汽空间超过一定值后 ,对水滴的重力分离作用已不再有明显影响。 因此 ,汽空间高度过大也是不必要的。

2. 2、球型汽水分离器:
2. 2. 1、分离器主要组成部分:
  球型汽水分离器主要由球型容器、四个进汽口、一个排汽口、一个排水口、匀汽孔板、波形板分离器及旋风分离器组成 ,详见图 1。同时 ,分离器附有液位检测装置、信号变送系统和智能控制系统等。
图 1 汽水分离器示意图

图 1 汽水分离器示意图
2. 2. 2、分离器主要技术指标:
  工作压力: 5~ 17M Pa;入口蒸汽干度: ≥ 70% ;出口蒸汽干度: ≥ 95% 。
2. 2. 3、分离器工作原理及特点:
  常规的圆柱形汽水分离器多是采用 1个或 2个蒸汽入口 ,存在分离效率低 (出口蒸汽干度 90%左右 )、工作范围窄及噪音大等问题。 本文所述汽水分离器采用 4个蒸汽入口对称布置 ,球型空间内设 4个独立的旋风分离器 ,可根据不同蒸汽负荷情况来增减旋风分离器的开关数量 ,详见图 1。 汽水分离器根据汽、水二相物性的差异 ,利用重力分离、离心分离及膜式分离原理 ,将湿蒸汽中的水分离出来 ,实现提高湿蒸汽干度的目的。
  湿蒸汽沿切线方向进入旋风分离器的筒体 ,使其由直线运动变为旋转运动 ,形成离心力。 由于汽、水比重的差别 ,汽相在旋风筒内螺旋上升 ,而水则沿筒壁旋转下降 ,还有少量水滴被汽流带入旋风筒中部的汽空间 ,这些水滴在随汽流螺旋上升的过程中,逐渐被推向壁面。 当蒸汽流经旋风筒上部的波形板顶帽时 ,又靠膜式分离进一步分离。蒸汽进入球型空间上升过程中 ,靠重力作用部分水滴失去向上的动能 ,从蒸汽中分离出来。 同时 ,在球型分离器顶部设波形板分离器 ,起到细分离的作用。在波形板分离器上部设匀汽孔板 ,借助小孔节流作用使分离器汽空间各处负荷均匀 ,有效地削弱了汽水混合物的动能 ,增强汽水分离的效果。
  通过对影响分离后蒸汽干度的主要因素的分析 ,蒸汽负荷和蒸汽压力作为生产因素而具有不可调的特性 ,且二者均与蒸汽空间的容积负荷有关。因此 ,分离器汽空间高度是影响分离后蒸汽干度的主要因素。在现场数据与实验室数据的基础上 ,确定不同蒸汽负荷和蒸汽压力组合状况下分离器汽空间高度 ,可有效保证汽水分离的效果。分离器汽空间高度通过电动调节阀自动调节排水量 ,从而调整分离器内液面高度。 电动调节阀的开度依据分离器内液面高度的信号进行调整。

3、湿蒸汽等干度分配:
  稠油热采一般是 1台注汽锅炉同时向 2- 4口井注蒸汽 ,或多台锅炉集中向沿途的多口井注汽 ,蒸汽经干线和支线分配到每个注汽井。 管输湿蒸汽干度通常在 60%~ 95%范围内 ,由于液体的惯性较大 ,极易造成蒸汽分流后 ,各管路内蒸汽干度差别较大 ,势必影响注汽井的热采效果。

3. 1、侧三通分配:
  侧三通分配 ,即湿蒸汽由三通直臂入口进入 ,从直臂出口流出的同时 ,从侧臂出口分流出部分蒸汽 ,完成蒸汽分配到 2个管路内的作用 ,如图 2。 由于湿蒸汽内汽液二相惯性差别较大 ,因此采用侧三通分配时 ,直臂出口内的蒸汽干度较分配前降低 ,侧臂出口内的蒸汽较分配前提高 ,蒸汽干度的变化幅度受流量分配的比例、蒸汽速度、蒸汽压力、蒸汽初始干度等影响。蒸汽干度变化 ,意味着同质量的蒸汽携带热量的变化 ,也就直接影响了注汽的效果。 因此 ,侧三通分配的方式已经逐渐被弃用。
图2 图3 正三通分配方案
3. 2、正三通分配:
  正三通分配 ,即湿蒸汽由三通侧臂入口进入 ,从二个直臂出口流出 ,完成蒸汽分配到 2个管路内的作用 ,如图 3。 正三通分配也常被人们称作“ T”型分配 ,它利用对称性的原理 ,使得蒸汽分配后的蒸汽干度相同。但当二个分支管路内蒸汽流量差别较大时 ,分支内蒸汽干度差别也随之变化较大。 为解决这一问题 ,目前 ,较为成熟的做法是 ,采用正三通的入口或出口加装插入装置 ,可有效使二管路中蒸汽干度近视相等。图 4是在三通入口加装分离隔板 ,图 5是在三通二个出口加装反向喷嘴。 经现场就用数据分析 ,加装反向喷嘴的分配效果要好于加装分离隔板的分配效果。
图4 图5


3. 3、球型等干度分配器分配:
  当分支较多时 ( 3- 4路 ) ,用三通来分配蒸汽 ,既会使管路复杂 ,又会因误差传递而使各管路子的干度相差较大。 采用加装整流器的球型等干度分配器 ,可以实现多管路等干度分配。湿蒸汽从球型分配器顶部进入 ,撞击分配器底部壁面 ,使液滴破碎 ,从而使汽液二相趋于混合均匀。同时 ,由于各蒸汽出口的对称性 ,蒸汽进入各出口的机会相同 ,从而可实现较好的等干度分配效果。但湿蒸汽中 ,液相成块状或膜状等不规则分布 ,受各分支管路内不同流量、不同压力等因素影响 ,各管路中蒸汽干度有时差别也较大。为解决这一问题 ,在分配器入口管段上加装整流器 ,使蒸汽中汽液二相充分混合均匀 ,再进入分配器内。 经现场实验加装整流器的球型等干度分配器效果优于不设整流器的球型分配器 ,分配器如图 6。
图 6 球型分配器示意图

图 6 球型分配器示意图

4、湿蒸汽流量计量及干度在线监测装置:
  标准孔板和文丘里管是较为常见的单相流体流量测量元件 ,由于其结构简单、工作可靠、技术成熟 ,因而得到了广泛应用。在单相流标准孔板、文丘里管的基础上加以发展 ,根据汽水两相流过标准孔板、文丘里管产生压降的规律 ,通过数学模型的建立 ,采用标准孔板和文丘里管联合式湿蒸汽流量干度测量装置。

4. 1、结构特点及组成:
  联合式湿蒸汽流量干度测量装置由标准孔板、文丘里管作为一次测量元件 ,压力传感器、智能型差压变送器转换并传输压力及压差信号 ,标准 4~20m A信号经 I /V 转换成 1~ 5V 电压信号 ,进入数据采集卡 ,最后在工控机中根据压力信号调用汽、水性质模块计算出饱和水、饱和蒸汽的密度及比焓、汽化潜热 ,从而算出湿蒸汽的干度、质量流量、载热量 ,同时对质量流量、载热量进行累积运算。重要参数存储于数据库 ,作为历史数据以备后期调用。系统通过D / A通道输出干度、累积流量 ,供上位机使用。原理如图 7。
图 7 流量计原理示意图

图 7 流量计原理示意图
  一次测量元件组是由经过标定的标准孔板、稳定段管道、经典文丘里管组成 ,见图 8。
图 8 流量计组成示意图


图 8 流量计组成示意图

4. 2、测量原理和计算方法:
4. 2. 1、测量原理:
  将标准孔板与文丘里管串联于湿蒸汽管道中 ,根据质量守恒定律 ,流经两流量计的质量流量相同 ,管道经良好保温处理 ,忽略沿程热量损失及压力损失 ,湿蒸汽无相变 ,则流经两流量计的湿蒸汽干度也相同 ,这样两质量流量方程中只有质量流量 Qm 与干度λ两个未知数 ,联立方程求解 ,即可得出λ值。将得出的干度值 λ代入质量流量方程求出瞬时质量流量 ,再对时间积分得出累积流量。

4. 2. 2、计算方法:
  对于标准孔板及文丘里管两节流件有以下两流量方程:Qm1= f (△ P1 ,λ1 ) ( 1)Qm2= f (△ P2 ,λ2 ) ( 2)根据质量守恒定律 ,流经两流量计的质量流量相同;管道经良好保温处理 ,忽略沿程热量损失及压力损失 ,湿蒸汽无相变 ,流经两流量计的湿蒸汽干度也相同。则有条件Qm1= Qm2( 3)λ1= λ2 
注: 下标 1代表标准孔板处的参数 , 下标 2代表文丘里管处的参数。联立方程 ( 1)、 ( 2)、 ( 3)、 ( 4)即可根据差压信号、汽水密度算出湿蒸汽的干度、质量流量、载热量 ,同时对质量流量、载热量进行累积运算。

4. 2. 3、修正方法:
  根据温度的变化 ,对节流件喉径 d随温度的变化也进行补偿。根据流量的变化 ,我们对流量系数α随流量的变化进行了补偿。

5、结论:
①球型汽水分离器能有效地分离出湿蒸汽中的水分 ,提高湿蒸汽干度 ,满足热采要求。
②侧三通分配不适合稠油热采中的湿蒸汽等干度分配。
③在入口或出口加装插入装置的正三通可实现湿蒸汽干度分配 ,适合一分为二的工作条件。
④加装整流器的球型等干度分配器 ,每个支路加装节流阀可实现湿蒸汽分配计量 ,适合分支较多 ( 3- 4路 )的工作条件。
⑤湿蒸汽流量计量及干度在线监测装置在保证流量测量的同时 ,又能在线监测湿蒸汽的干度 ,为稠油注汽提供精准的蒸汽数据。

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