摘要:鑒于稠油開采過程中的蒸汽吞吐及蒸汽驅(qū)技術(shù),提出了對井口蒸汽質(zhì)量流量計(jì)量的新方法。首先測量蒸汽通過渦街發(fā)生體后的差壓,得到渦街頻率,進(jìn)而求出蒸汽的質(zhì)量流量。這里主要介紹了用于蒸汽質(zhì)量流量計(jì)量的壓差式渦街流量計(jì)的原理,并對流量計(jì)的檢測特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)的可行性進(jìn)行了簡單闡述。
熱注蒸汽是目前開采稠油最為經(jīng)濟(jì)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(zhǔn)確地進(jìn)蒸汽流量計(jì)量,是油田在稠油井注汽開采過程中一個很重要的依據(jù)。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?yōu)槠⒁簝上嗔?其流動規(guī)律較復(fù)雜,測量難度較大",國內(nèi)一些油田和科研機(jī)構(gòu)紛紛研制了各自的兩相流量計(jì),其中主要圍繞節(jié)流差壓原理和卡門]渦街理論所設(shè)計(jì)的流量計(jì)居多。其中基于差壓原理和渦街理論并用的質(zhì)量流量計(jì)通過其獨(dú)特的測量元件,能夠測量出流體通過渦街發(fā)生體后產(chǎn)生的壓差信號,在不進(jìn)行溫度、壓力補(bǔ)償?shù)那闆r下,測量出流體的質(zhì)量流量。
1流量計(jì)的測量原理
以往的各種渦街質(zhì)量流量計(jì),如升力式渦街質(zhì)量流量計(jì)、復(fù)合信號發(fā)生體渦街質(zhì)量流量計(jì)等,它們的共同特點(diǎn)都是通過壓電傳感器測量渦街頻率。而壓電傳感器的特點(diǎn)是:反應(yīng)靈敏、信號準(zhǔn)確、與測量介質(zhì)無接觸等,但是它在工業(yè)現(xiàn)場使用時,對管道振動較敏感是其主要缺點(diǎn)。針對這個問題差壓檢測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),提出在渦街發(fā)生體下游兩側(cè)管壁處設(shè)計(jì)取壓口,并用差壓傳感器檢測渦街頻率,再經(jīng)過數(shù)值計(jì)算得到流體的質(zhì)量流量",如圖1所示。
通過以前人們對蒸汽流量計(jì)的研究,不難發(fā)現(xiàn)不管是利用節(jié)流壓差原理孔板流量計(jì),還是其他渦街蒸汽流量計(jì),都必須通過壓力、溫度補(bǔ)償而計(jì)算得到蒸汽密度,這就不可避免的出現(xiàn)蒸汽計(jì)量的誤差。鑒于這個問題,結(jié)合前面提到的差壓式流量計(jì)計(jì)算模型,設(shè)計(jì)出了適用于蒸汽計(jì)量的流量計(jì)及其數(shù)學(xué)模型。
由于很多學(xué)者對渦街發(fā)生體附近的流場利用數(shù)值模擬、分析,發(fā)現(xiàn)流體通過渦街發(fā)生體后,使得流體發(fā)生繞流分離,從而產(chǎn)生一-定規(guī)律的旋渦,同時由于流體的阻力特性,在通過渦街發(fā)生體時會產(chǎn)生壓力損失。利用渦街發(fā)生體的這兩個特點(diǎn),蒸汽流過渦街發(fā)生體后同樣產(chǎn)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(jié)合卡門渦街理論就可以得到蒸汽的質(zhì)量流量。
下面具體說明適合于蒸汽的差壓式渦街質(zhì)量流量計(jì)的結(jié)構(gòu)與測量過程。如圖2所示,在渦街發(fā)生體上下游管壁處各設(shè)置--個取壓口。上游的取壓口.用于測量蒸汽通過渦街發(fā)生體前的靜壓力,這時的壓力值比較穩(wěn)定;而下游的取壓口用于檢測蒸汽通.過渦街發(fā)生體后的壓力損失和產(chǎn)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(zhì)量流量計(jì)的流量系數(shù),即儀表系數(shù),它是由漩渦發(fā)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(shù),要使得蒸汽質(zhì)量流量測量準(zhǔn)確,Kn必須在一-定雷諾數(shù)范圍內(nèi)是常數(shù)。通過測量渦街發(fā)生體.上、下游的差壓,得到蒸汽通過發(fā)生體后的平均壓降和渦街頻率的關(guān)系,由式(5)和式(6)計(jì)算就可以直接得到蒸汽的質(zhì)量流量,實(shí)現(xiàn)了直接測量。
2流量計(jì)的檢測特點(diǎn)
以往的蒸汽質(zhì)量流量測量中,不管用節(jié)流元件的流量計(jì),還是其他的渦街流量計(jì)都是先得到體積流量,再用不同的方法計(jì)算出蒸汽的密度,在這一過程中必須進(jìn)密度的補(bǔ)償或其他形式的補(bǔ)償,這就出現(xiàn)不同程度的誤差。而用差壓式渦街質(zhì)量流量計(jì)來計(jì)量注人稠油井中的蒸汽量,不用將蒸汽的密度計(jì)算出來,而僅僅將蒸汽密度作為一個在計(jì)算過程中的中間物理量,不參與最終結(jié)果的計(jì)算。這樣就消除了蒸汽密度這個隨時變化的量對蒸汽質(zhì)量流量計(jì)量帶來的影響,實(shí)現(xiàn)了蒸汽的直接測量。
差壓式渦街流量計(jì)原理是利用差壓傳感器測量蒸汽通過渦街發(fā)生體后的壓力變化及產(chǎn)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(yōu)勢:
(1)差壓傳感器獨(dú)立于漩渦發(fā)生體,位于管道外面,易于維修和更換,具有較強(qiáng)的抗振性。
(2)實(shí)現(xiàn)了蒸汽質(zhì)量流量直接測量,結(jié)構(gòu)簡單,不需溫度、壓力補(bǔ)償,性能穩(wěn)定。
(3)由于采用了差壓檢測技術(shù),因此操作簡便,易于實(shí)現(xiàn)。
3實(shí)現(xiàn)的可行性分析
依據(jù)流體力學(xué)原理,流體有旋渦產(chǎn)生的地方就會存在壓力的變化,當(dāng)產(chǎn)生的旋渦有一定的規(guī)律出現(xiàn)時,就會引起流場中擬定兩點(diǎn)間差壓的規(guī)則變化,其頻率與旋渦頻率一致。這一-規(guī)律在實(shí)驗(yàn)中已得到了驗(yàn)證。
VolkerHans等研究人員通過實(shí)驗(yàn)”,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(fā)生體后,旋渦中心與低壓區(qū)對應(yīng),并且渦街發(fā)生體周圍壓力分布與旋渦分布有對應(yīng)關(guān)系;同時可以.發(fā)現(xiàn)壓力信號隨旋渦呈現(xiàn)規(guī)律性的變化,如圖4所示,壓力波動頻率與渦街頻率對應(yīng)。
MIAU等研究人員利用差壓傳感器測量渦街發(fā)生體前后的差壓波動信號,并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)差壓波動信號的頻率與渦街頻率存在一定的對應(yīng)關(guān)系。由以上資料,并結(jié)合黃詠梅提出的差壓檢測技術(shù)及其他的蒸汽流量測量技術(shù)鬥,說明用差壓式渦街質(zhì)量流量計(jì)對注汽井井口蒸汽進(jìn)行計(jì)量的方法是可行的。
4結(jié)束語
從上面的分析看出,差壓式渦街質(zhì)量流量計(jì)克服了其他流量計(jì)不能直接測量蒸汽質(zhì)量、對流體介質(zhì)嚴(yán)格限制或者價格昂貴(如科里奧利質(zhì)量流量計(jì))等缺點(diǎn),能夠?qū)崿F(xiàn)蒸汽質(zhì)量的直接測量,這對于井口蒸汽質(zhì)量流量的計(jì)量具有重要的意義。但渦街理論的研究多在均勻穩(wěn)定流場中,但對于蒸汽管道,由于是兩相流體,其內(nèi)部流場存在不均勻的現(xiàn)象,且產(chǎn)生旋渦分離的規(guī)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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