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摘 要：稠油热采是辽河油田稠油开发的主要方式，保证注汽质量，保持注汽干度平稳是提高稠油采收率的关键因素。注汽锅炉应用干度自控系统能够有效控制注汽干度，保证注汽质量。
关键词：干度自控 注汽锅炉 注汽质量 稠油采收率
一、背景
油田注汽锅炉是稠油热采的关键设备，注汽锅炉炉出口产生的是湿饱和蒸汽，湿饱和蒸汽是汽相和液相的混合物，其中液相质量占湿饱和蒸汽总质量的比例为蒸汽干度，蒸汽干度的高低直接决定了注入目标油层的热量焓值，蒸汽干度过热也是注汽锅炉爆管的最重要原因，因此，蒸汽干度决定了同等条件下单井注汽周期产量及油汽比，更是确保注汽锅炉安全运行的重要指标。但是传统锅炉控制方式无法实时保持注汽干度的稳定，原因是多方面的，一是热采锅炉老化，设备本身存在缺陷，二是油温、油压等变化，三是注汽锅炉为高温高压设备，员工每1小时巡检一次，无法做到时时调节。所以就需要一种能够解决上述所面临问题的新型控制系统。
目前存在的干度自控实施方法
（1）电导率电极：电导率电极测试的是锅炉入水和炉出口分离器分离出来的水的电导率，由于锅炉入水中HCO3-在炉管高温加热下会发生电离，因此测试的炉水电导率根本不是入水电导率的因浓缩后的电导率值，测量干度一定会偏高。
（2）PH值电极：水的PH值和碱度根本就是两个不同的概念，锅炉干度人工化验测试的入水和炉水的碱度，PH值测试的只是水中的酸碱度，因此不可能有理想的理论吻合。
（3）选择性电极：选择性电极目前一般采用Na+和CL-选择电极，理论上是可以实现干度测量的，但由于入水、炉水的温度差异以及选择电极本身属于试验室设备，根本无法在线长期测试。
以上三种方法，是将电极长期浸泡在炉水中，电极表面会不同程度产生结垢现象，另外，电极本身的耐温值一般小于70℃，对于目前油田以污水深度处理为锅炉进水的条件下，更无从适应温升，污水深度处理的水中会有一定的悬浮物、含油，电极表面更难确保洁净。
（4）孔板和喷嘴差压法：孔板和喷嘴差压法是在锅炉出口安装差压式流量计测定湿饱和蒸汽的体积流量，利用密度计算公式反推干度值，由于锅炉出口汽、水混合物在水平管道有8种流型，在垂直管道有4种流型，很难用一个公式将全部流型的湿蒸汽干度计算准确，因此，需要在线于人工化验干度对比，计算误差系数加以修正，人为可以改变显示值（如停炉后干度显示任何值），绝对不能用此值来控制干度，事实上，此方法在多台注汽锅炉上都应用过，现场证明是失败的。
（5）弱中子源：利用弱中子放射性原理在穿透汽水混合物产生的衰减率不同而测试干度，理论上绝对成立，但由于在测试中，认为放射线在管壁的衰减为固定值，实际运行中，管壁会有一定的药垢或轻微水垢，如连续测试，会有一定的误差产生，放射源在高温条件下的安全问题也值得重视。
注汽锅炉的干度控制关键在于干度在线测试的准确度、可靠性、长期性、适应性。下面将展示一种满足上述要求的新型在线干度控制系统。
二、蒸汽干度测试原理
1、干度测量基本原理
油田稠油热采专用热采锅炉产生的是湿饱和蒸汽，根据热力学知识，湿饱和蒸汽热焓计算公式为：
Q=h+x*r;
式中：Q----锅炉出口蒸汽热焓（KJ/Kg）
h-----饱和水焓（KJ/Kg）
x------蒸汽干度
r-------汽化潜热（KJ/Kg）
因此，我们只要测定锅炉出口蒸汽热焓、饱和水焓以及汽化潜热，注汽锅炉干度就可以计算出来。
2、湿蒸汽热力学特性
对蒸汽的热力过程存在一点、两线、三区、五态，如图1所示：一点是临界点；两线为饱和液体线和饱和蒸汽线；三区为未饱和液体（过冷液体）区、湿蒸汽区、过热蒸汽区；五态为未饱和液体（过冷液体）状态、饱和液体状态、湿饱和蒸汽状态、干饱和蒸汽状态和过热蒸汽状态。
图2
如图2为水、蒸汽混和法原理图：假如某一取样管内流过湿蒸汽，已知入口处的温度为t1，干度为x1，（处于II区），在截面2-2处加入压力为P2、温度为t2、质量流量为W2的水（处于I区），调节注入水量W2,使3-3处的湿蒸汽和水达到完全混合并处于II区。测量3-3处的压力为P3，温度为t3，质量流量为W3。整个系统与外界无热量交换。
设1-1处蒸汽流量为W1，根据质量守恒：
W1+W2=W3(1)
故入口处蒸汽质量流量
W1=W3-W2 (2)
设1-1处，饱和水质量流量为W1w，饱和水蒸汽的质量流量为W1g，则
W1w+W1g=W1 (3)
入口处蒸汽干度：
x1= W1g/ W1= W1g/( W1w+W1g)(4)
由于整个系统与外界绝热，根据能量守恒
W1w*h1w+ W1g*h1g+W2*h2=W3*h3 (5)
其中h1w、h1g分别为1-1处得饱和水和饱和蒸汽的焓值，h2为2-2处水的焓值，h3为混合后3-3处的焓值，把式（2）、式（3）、式（4）代入式（5）得：
2、实际效益
实际效益主要包括四部分：
（1）稠油热采收率是与注汽质量密切相关的，干度波动大小直接影响石油产量。按干度变化1%对石油产量影响0.2%，欢采年稠油产量按140万吨算，欢采稠油增产0.36万吨
（2）降低单耗
干度每升高1%，注汽单耗增加约0.4 kg/m3。欢采年注汽量按600万吨算，欢采注汽锅炉每年可节约燃油0.15万吨
（3）延长热采锅炉使用寿命，降低维修费用
热采锅炉为高温高压设备，需定期年检维修。采用此系统，可以减少甚至杜干度过高、蒸汽过热引起炉管碳化现象的发生，降低维修费用。
（4）保证员工健康、安全。
热采锅炉为高温高压设备，员工进入锅炉房就处在一种高温高压、高噪音、高灰尘环境，对员工身心健康、安全非常不利。现在油公司正推广HSE，讲求以人为本，将员工的安全、健康放在第一位。此系统可以自行控制热采锅炉平稳运行，减少员工在锅炉房滞留时间，确保了员工安全健康。
参考文献：
[1] 范从振《锅炉原理》中国电力出版社2006.6
[2] 沈维道《工程热力学》高等教育出版社2007.6
[3] 张秀玲《自动控制原理》清华大学出版社2007.7
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
关键词：干度自控 注汽锅炉 注汽质量 稠油采收率
一、背景
油田注汽锅炉是稠油热采的关键设备，注汽锅炉炉出口产生的是湿饱和蒸汽，湿饱和蒸汽是汽相和液相的混合物，其中液相质量占湿饱和蒸汽总质量的比例为蒸汽干度，蒸汽干度的高低直接决定了注入目标油层的热量焓值，蒸汽干度过热也是注汽锅炉爆管的最重要原因，因此，蒸汽干度决定了同等条件下单井注汽周期产量及油汽比，更是确保注汽锅炉安全运行的重要指标。但是传统锅炉控制方式无法实时保持注汽干度的稳定，原因是多方面的，一是热采锅炉老化，设备本身存在缺陷，二是油温、油压等变化，三是注汽锅炉为高温高压设备，员工每1小时巡检一次，无法做到时时调节。所以就需要一种能够解决上述所面临问题的新型控制系统。
目前存在的干度自控实施方法
（1）电导率电极：电导率电极测试的是锅炉入水和炉出口分离器分离出来的水的电导率，由于锅炉入水中HCO3-在炉管高温加热下会发生电离，因此测试的炉水电导率根本不是入水电导率的因浓缩后的电导率值，测量干度一定会偏高。
（2）PH值电极：水的PH值和碱度根本就是两个不同的概念，锅炉干度人工化验测试的入水和炉水的碱度，PH值测试的只是水中的酸碱度，因此不可能有理想的理论吻合。
（3）选择性电极：选择性电极目前一般采用Na+和CL-选择电极，理论上是可以实现干度测量的，但由于入水、炉水的温度差异以及选择电极本身属于试验室设备，根本无法在线长期测试。
以上三种方法，是将电极长期浸泡在炉水中，电极表面会不同程度产生结垢现象，另外，电极本身的耐温值一般小于70℃，对于目前油田以污水深度处理为锅炉进水的条件下，更无从适应温升，污水深度处理的水中会有一定的悬浮物、含油，电极表面更难确保洁净。
（4）孔板和喷嘴差压法：孔板和喷嘴差压法是在锅炉出口安装差压式流量计测定湿饱和蒸汽的体积流量，利用密度计算公式反推干度值，由于锅炉出口汽、水混合物在水平管道有8种流型，在垂直管道有4种流型，很难用一个公式将全部流型的湿蒸汽干度计算准确，因此，需要在线于人工化验干度对比，计算误差系数加以修正，人为可以改变显示值（如停炉后干度显示任何值），绝对不能用此值来控制干度，事实上，此方法在多台注汽锅炉上都应用过，现场证明是失败的。
（5）弱中子源：利用弱中子放射性原理在穿透汽水混合物产生的衰减率不同而测试干度，理论上绝对成立，但由于在测试中，认为放射线在管壁的衰减为固定值，实际运行中，管壁会有一定的药垢或轻微水垢，如连续测试，会有一定的误差产生，放射源在高温条件下的安全问题也值得重视。
注汽锅炉的干度控制关键在于干度在线测试的准确度、可靠性、长期性、适应性。下面将展示一种满足上述要求的新型在线干度控制系统。
二、蒸汽干度测试原理
1、干度测量基本原理
油田稠油热采专用热采锅炉产生的是湿饱和蒸汽，根据热力学知识，湿饱和蒸汽热焓计算公式为：
Q=h+x*r;
式中：Q----锅炉出口蒸汽热焓（KJ/Kg）
h-----饱和水焓（KJ/Kg）
x------蒸汽干度
r-------汽化潜热（KJ/Kg）
因此，我们只要测定锅炉出口蒸汽热焓、饱和水焓以及汽化潜热，注汽锅炉干度就可以计算出来。
2、湿蒸汽热力学特性
对蒸汽的热力过程存在一点、两线、三区、五态，如图1所示：一点是临界点；两线为饱和液体线和饱和蒸汽线；三区为未饱和液体（过冷液体）区、湿蒸汽区、过热蒸汽区；五态为未饱和液体（过冷液体）状态、饱和液体状态、湿饱和蒸汽状态、干饱和蒸汽状态和过热蒸汽状态。
图2
如图2为水、蒸汽混和法原理图：假如某一取样管内流过湿蒸汽，已知入口处的温度为t1，干度为x1，（处于II区），在截面2-2处加入压力为P2、温度为t2、质量流量为W2的水（处于I区），调节注入水量W2,使3-3处的湿蒸汽和水达到完全混合并处于II区。测量3-3处的压力为P3，温度为t3，质量流量为W3。整个系统与外界无热量交换。
设1-1处蒸汽流量为W1，根据质量守恒：
W1+W2=W3(1)
故入口处蒸汽质量流量
W1=W3-W2 (2)
设1-1处，饱和水质量流量为W1w，饱和水蒸汽的质量流量为W1g，则
W1w+W1g=W1 (3)
入口处蒸汽干度：
x1= W1g/ W1= W1g/( W1w+W1g)(4)
由于整个系统与外界绝热，根据能量守恒
W1w*h1w+ W1g*h1g+W2*h2=W3*h3 (5)
其中h1w、h1g分别为1-1处得饱和水和饱和蒸汽的焓值，h2为2-2处水的焓值，h3为混合后3-3处的焓值，把式（2）、式（3）、式（4）代入式（5）得：
2、实际效益
实际效益主要包括四部分：
（1）稠油热采收率是与注汽质量密切相关的，干度波动大小直接影响石油产量。按干度变化1%对石油产量影响0.2%，欢采年稠油产量按140万吨算，欢采稠油增产0.36万吨
（2）降低单耗
干度每升高1%，注汽单耗增加约0.4 kg/m3。欢采年注汽量按600万吨算，欢采注汽锅炉每年可节约燃油0.15万吨
（3）延长热采锅炉使用寿命，降低维修费用
热采锅炉为高温高压设备，需定期年检维修。采用此系统，可以减少甚至杜干度过高、蒸汽过热引起炉管碳化现象的发生，降低维修费用。
（4）保证员工健康、安全。
热采锅炉为高温高压设备，员工进入锅炉房就处在一种高温高压、高噪音、高灰尘环境，对员工身心健康、安全非常不利。现在油公司正推广HSE，讲求以人为本，将员工的安全、健康放在第一位。此系统可以自行控制热采锅炉平稳运行，减少员工在锅炉房滞留时间，确保了员工安全健康。
参考文献：
[1] 范从振《锅炉原理》中国电力出版社2006.6
[2] 沈维道《工程热力学》高等教育出版社2007.6
[3] 张秀玲《自动控制原理》清华大学出版社2007.7
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文