張立東

稠油熱采是遼河油田稠油開(kāi)發(fā)的主要方式，保證注汽質(zhì)量，保持注汽干度平穩(wěn)是提高稠油采收率的關(guān)鍵因素。注汽鍋爐應(yīng)用干度自控系統(tǒng)能夠有效控制注汽干度，保證注汽質(zhì)量。

一、 背景

油田注汽鍋爐是稠油熱采的關(guān)鍵設(shè)備，注汽鍋爐爐出口產(chǎn)生的是濕飽和蒸汽，濕飽和蒸汽是汽相和液相的混合物，其中液相質(zhì)量占濕飽和蒸汽總質(zhì)量的比例為蒸汽干度，蒸汽干度的高低直接決定了注入目標(biāo)油層的熱量焓值，蒸汽干度過(guò)熱也是注汽鍋爐爆管的最重要原因，因此，蒸汽干度決定了同等條件下單井注汽周期產(chǎn)量及油汽比，更是確保注汽鍋爐安全運(yùn)行的重要指標(biāo)。但是傳統(tǒng)鍋爐控制方式無(wú)法實(shí)時(shí)保持注汽干度的穩(wěn)定，原因是多方面的，一是熱采鍋爐老化，設(shè)備本身存在缺陷，二是油溫、油壓等變化，三是注汽鍋爐為高溫高壓設(shè)備，員工每1小時(shí)巡檢一次，無(wú)法做到時(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。所以就需要一種能夠解決上述所面臨問(wèn)題的新型控制系統(tǒng)。

目前存在的干度自控實(shí)施方法

· 電導(dǎo)率電極：電導(dǎo)率電極測(cè)試的是鍋爐入水和爐出口分離器分離出來(lái)的水的電導(dǎo)率，由于鍋爐入水中HCO3-在爐管高溫加熱下會(huì)發(fā)生電離，因此測(cè)試的爐水電導(dǎo)率根本不是入水電導(dǎo)率的因濃縮后的電導(dǎo)率值，測(cè)量干度一定會(huì)偏高。

· PH值電極：水的PH值和堿度根本就是兩個(gè)不同的概念，鍋爐干度人工化驗(yàn)測(cè)試的入水和爐水的堿度，PH值測(cè)試的只是水中的酸堿度，因此不可能有理想的理論吻合。

· 選擇性電極：選擇性電極目前一般采用Na+和CL-選擇電極，理論上是可以實(shí)現(xiàn)干度測(cè)量的，但由于入水、爐水的溫度差異以及選擇電極本身屬于試驗(yàn)室設(shè)備，根本無(wú)法在線長(zhǎng)期測(cè)試。

以上三種方法，是將電極長(zhǎng)期浸泡在爐水中，電極表面會(huì)不同程度產(chǎn)生結(jié)垢現(xiàn)象，另外，電極本身的耐溫值一般小于70℃，對(duì)于目前油田以污水深度處理為鍋爐進(jìn)水的條件下，更無(wú)從適應(yīng)溫升，污水深度處理的水中會(huì)有一定的懸浮物、含油，電極表面更難確保潔凈。

· 孔板和噴嘴差壓法：孔板和噴嘴差壓法是在鍋爐出口安裝差壓式流量計(jì)測(cè)定濕飽和蒸汽的體積流量，利用密度計(jì)算公式反推干度值，由于鍋爐出口汽、水混合物在水平管道有8種流型，在垂直管道有4種流型，很難用一個(gè)公式將全部流型的濕蒸汽干度計(jì)算準(zhǔn)確，因此，需要在線于人工化驗(yàn)干度對(duì)比，計(jì)算誤差系數(shù)加以修正，人為可以改變顯示值（如停爐后干度顯示任何值），絕對(duì)不能用此值來(lái)控制干度，事實(shí)上，此方法在多臺(tái)注汽鍋爐上都應(yīng)用過(guò)，現(xiàn)場(chǎng)證明是失敗的。

· 弱中子源：利用弱中子放射性原理在穿透汽水混合物產(chǎn)生的衰減率不同而測(cè)試干度，理論上絕對(duì)成立，但由于在測(cè)試中，認(rèn)為放射線在管壁的衰減為固定值，實(shí)際運(yùn)行中，管壁會(huì)有一定的藥垢或輕微水垢，如連續(xù)測(cè)試，會(huì)有一定的誤差產(chǎn)生，放射源在高溫條件下的安全問(wèn)題也值得重視。

注汽鍋爐的干度控制關(guān)鍵在于干度在線測(cè)試的準(zhǔn)確度、可靠性、長(zhǎng)期性、適應(yīng)性。下面將展示一種滿足上述要求的新型在線干度控制系統(tǒng)。

二、蒸汽干度測(cè)試原理

干度測(cè)量基本原理。油田稠油熱采專(zhuān)用熱采鍋爐產(chǎn)生的是濕飽和蒸汽，根據(jù)熱力學(xué)知識(shí)，濕飽和蒸汽熱焓計(jì)算公式為：

Q=h+x*r；

式中：Q----鍋爐出口蒸汽熱焓（KJ/Kg）； h-----飽和水焓（KJ/Kg）；

x------蒸汽干度； r-------汽化潛熱（KJ/Kg）。

因此，我們只要測(cè)定鍋爐出口蒸汽熱焓、飽和水焓以及汽化潛熱，注汽鍋爐干度就可以計(jì)算出來(lái)。

濕蒸汽熱力學(xué)特性。該文原載于中國(guó)社會(huì)科學(xué)院文獻(xiàn)信息中心主辦的《環(huán)球市場(chǎng)信息導(dǎo)報(bào)》雜志http：//www.ems86.com總第535期2014年第03期-----轉(zhuǎn)載須注名來(lái)源對(duì)蒸汽的熱力過(guò)程存在一點(diǎn)、兩線、三區(qū)、五態(tài)，一點(diǎn)是臨界點(diǎn)；兩線為飽和液體線和飽和蒸汽線；三區(qū)為未飽和液體（過(guò)冷液體）區(qū)、濕蒸汽區(qū)、過(guò)熱蒸汽區(qū)；五態(tài)為未飽和液體（過(guò)冷液體）狀態(tài)、飽和液體狀態(tài)、濕飽和蒸汽狀態(tài)、干飽和蒸汽狀態(tài)和過(guò)熱蒸汽狀態(tài)。

干度計(jì)算公式及其推導(dǎo)過(guò)程。假如某一取樣管內(nèi)流過(guò)濕蒸汽，已知入口處的溫度為t1，干度為x1，（處于II區(qū)），在截面2-2處加入壓力為P2、溫度為t2、質(zhì)量流量為W2的水（處于I區(qū)），調(diào)節(jié)注入水量W2，使3-3處的濕蒸汽和水達(dá)到完全混合并處于II區(qū)。測(cè)量3-3處的壓力為P3，溫度為t3，質(zhì)量流量為W3。整個(gè)系統(tǒng)與外界無(wú)熱量交換。

設(shè)1-1處蒸汽流量為W1，根據(jù)質(zhì)量守恒：

W1+W2=W3 （1）

故入口處蒸汽質(zhì)量流量

W1=W3-W2 （2）

設(shè)1-1處，飽和水質(zhì)量流量為W1w，飽和水蒸汽的質(zhì)量流量為W1g，則

W1w+W1g=W1 （3）

入口處蒸汽干度：

x1= W1g/ W1= W1g/（ W1w+W1g） （4）

由于整個(gè)系統(tǒng)與外界絕熱，根據(jù)能量守恒

W1w*h1w+ W1g*h1g+W2*h2=W3*h3 （5）

其中h1w、h1g分別為1-1處得飽和水和飽和蒸汽的焓值，h2為2-2處水的焓值，h3為混合后3-3處的焓值，把式（2）、式（3）、式（4）代入式（5）得：

實(shí)施方法。按數(shù)據(jù)要求把混合裝置及各種測(cè)試儀表高度集成在管道內(nèi)，測(cè)出式6中的流量、溫度參數(shù)，判斷3-3處混合物是否達(dá)到穩(wěn)定并處于未飽和水區(qū)，這樣就可以計(jì)算出蒸汽干度。

三、蒸汽干度自控原理

干度在線測(cè)試后，通過(guò)設(shè)定干度控制值，允許波動(dòng)值以及檢測(cè)時(shí)間，在鍋爐手動(dòng)調(diào)整穩(wěn)態(tài)后，轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制，本系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)鍋爐燃油量，保持人工調(diào)節(jié)的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)干度的穩(wěn)定。

四、效果分析

干度自控系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)注汽質(zhì)量控制的有效性。安裝干度自控系統(tǒng)前后鍋爐在相同運(yùn)行工況下注汽干度變化情況，可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了較為明顯的變化，取得了較好的預(yù)期效果。

效果分析。通過(guò)數(shù)據(jù)可以看出干度自控系統(tǒng)的應(yīng)用確實(shí)可以有效降低干度波動(dòng)，提高注汽質(zhì)量。

實(shí)際效益。實(shí)際效益主要包括四部分：

稠油熱采收率是與注汽質(zhì)量密切相關(guān)的，干度波動(dòng)大小直接影響原油產(chǎn)量。按干度變化1%對(duì)石油產(chǎn)量影響0.2%，歡采年稠油產(chǎn)量按140萬(wàn)噸算，可使歡采稠油增產(chǎn)0.36萬(wàn)噸。

降低單耗。干度每升高1%，注汽單耗增加約0.4 kg/m3。歡采年注汽量按600萬(wàn)噸算，歡采注汽鍋爐每年可節(jié)約燃油0.15萬(wàn)噸。

延長(zhǎng)熱采鍋爐使用壽命，降低維修費(fèi)用。熱采鍋爐為高溫高壓設(shè)備，需定期年檢維修。采用此系統(tǒng)，可以減少甚至杜干度過(guò)高、蒸汽過(guò)熱引起爐管碳化現(xiàn)象的發(fā)生，降低維修費(fèi)用。

保證員工健康、安全。熱采鍋爐為高溫高壓設(shè)備，員工進(jìn)入鍋爐房就處在一種高溫高壓、高噪音、高灰塵環(huán)境，對(duì)員工身心健康、安全非常不利。按照HSE工作理念，講求以人為本，將員工的安全、健康放在第一位。此系統(tǒng)可以自行控制熱采鍋爐平穩(wěn)運(yùn)行，減少員工在鍋爐房滯留時(shí)間，確保了員工安全健康。