双涡街法测量蒸汽干度的研究与应用

于清澄（中油辽河工程有限公司，辽宁 盘锦 124000）

稠油油田开发后期经常采用注蒸汽的方式助采，这种开采方式的效率直接取决于注入蒸汽的干度。目前常用的热采注汽锅炉出口蒸汽经汽水分离器，再输送到井口时，随着热量和压力的损失，干度大约降至85%-95%。饱和湿蒸汽中干度的大小直接决定载热量的大小，注入蒸汽的热量流量影响采收率和油汽采出比。单井注入蒸汽流量和干度的精确、连续测量，有助于准确监测和控制注汽管网的蒸汽品质和质量、热量流量，实现注入蒸汽的精细化管理，提高热能利用效率，实现油藏高效开发。

目前常用的饱和湿蒸汽流量、干度测量方法主要有：汽水分离法、双差压法、单差压噪音法、双涡街法等。汽水分离法测量装置体积大、价格高，不太适用于单井蒸汽测量；双差压和单差压的节流差压法，蒸汽压损较大、泄露点多、有一定安全隐患，计量的稳定性和准确性都不高。双涡街法原理简单，安装快捷，受待测蒸汽介质影响小，性能稳定可靠，能够准确、实时的测量蒸汽干度。

1 双涡街法测蒸汽干度原理

稠油注蒸汽输送至助采实际注入的高温高压蒸汽并不是理想的干饱和蒸汽，是气相、液相并存的两相流湿蒸汽。

涡街流量计通常用于测量单相介质的流量，为了能够用于测量两相流，可以在涡街流量计前设置混相整流器，使高温高压饱和湿蒸汽中气相和液相均匀混合，温度相同、处于饱和状态并且混合均匀的两相流体可以视为均相流。

根据均相流的理论模型，气相和液相分布均匀，并且流速相同。均相流质量流量W为液相质量流量Wg和气相质量流量Wl之和。

W=Wg+Wl

饱和湿蒸汽χ为蒸汽中气相的质量流量，则有：

式中：ρ—饱和湿蒸汽的平均密度；

ρg—饱和蒸汽的密度；

ρl—饱和水的密度；

χ—饱和蒸汽的干度。

饱和湿蒸汽在某一温度或压力下饱和蒸汽、饱和水的密度可以根据最新的通用汽水性质模型IAPWS-IF97公式得到。这样只需要得到饱和湿蒸汽的平均密度，就可以计算出蒸汽的干度。

涡街流量计原理是依据“卡门涡街”的特性，在流体中插入一个断面为非流线型的柱状物，在柱体的后部两侧会产生两列交错排列的旋涡，旋涡频率与流体的体积流量成正比。

通常，涡街流量计只测量两侧旋涡的频率，而忽略了旋涡的幅值信号。为了测量旋涡的频率和幅值两种特征量，提出了双涡街联合法。串联两台涡街流量计，前一台选用普通涡街流量流量计，通过测量旋涡频率测出蒸汽的平均流速`v；后一台选用升力式涡街流量计，测量出蒸汽的质量流量qm。涡街流量计内自带告诉处理器，通过组合两台流量计信号，经过运算汽水性质模型，就可以得到蒸汽的平均密度ρtp、流量q和干度χ。

2 双涡街测量装置介绍

双涡街联合装置结果简单、安装便捷、测量精度高，实现对饱和湿蒸汽的流量、干度值和热值的测量和计算。联合装置所采用的技术方案是：在流量计直管段前设置混相整流器，使汽液两相形成一个均匀的混合流。忽略两相流重力和通过装置时摩擦力的影响，这是高温高压下具有相同温度且处于饱和状态的两相流可以视为单相流体。利用涡街传感器I测量流体的平均流速，得到湿蒸汽的体积流量；利用涡街传感器Ⅱ测量涡街的升力，得到湿蒸汽的质量流量。涡街流量计内自带温度、压力传感器，通过涡街流量计内自带的微处理器，经过计算可以得到蒸汽流量和干度，并可以对体积流量、质量流量、热值进行累积。

3 现场应用

辽河油田齐40区块采用蒸汽助采，间歇注汽，每次注汽持续时间一般为7-15d。齐40站注汽锅炉向3口注汽井注汽，注汽锅炉出口蒸汽压力压力14.2-15MPa，蒸汽干度72%-80%。在每口注汽井设置了1套双涡街联合装置。

双涡街测量装置现场安装后，经过多个时间段的在线实验，运行稳定，实时显示蒸汽流量和干度。与手工蒸汽干度化验结果和锅炉出水量比对，双涡街法对饱和蒸汽干度值的测量结果比较理想，测量结果达到现场要求。在稳定工况下两种方法蒸汽干度值的检测误差在3.5%以内。同时现场施工十分方便，安全性高，得到业主的认可。

4 结语

双涡街联合法测量高温高压饱和湿蒸汽的干度，具有结构简单、安装方便、干度测量范围宽的特性。它既能克服人工化验滞后、劳动力强度高等问题，满足在线实时监测的需求；相对于双差压、单差压法等其他干度测量方法，具设备费用低、占地面积小、安装维护便捷、设备稳定性高、安全性高、测量精度高的优势，是饱和湿蒸汽干度测量的一种很好的解决办法。

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