高温高压下光学法测量蒸汽干度的原理

王颖(辽宁省盘锦市辽河油田钻采工艺研究院仪表所，辽宁 盘锦 124010)

高温高压下光学法测量蒸汽干度的原理

王颖(辽宁省盘锦市辽河油田钻采工艺研究院仪表所，辽宁 盘锦 124010)

气液两相流的干度测量就是确定气相质量流量与气液两相总质量流量的比值，随着计算机技术的提高以及其他领域的进步，测量方法也在持续改进。根据实际情况的不同，测量气液两相流干度的方法有很多种。本文利用高温高压下饱和水和饱和水蒸气的光谱吸收原理推导出了饱和水蒸气的蒸汽干度值。

饱和蒸汽;饱和水;蒸汽干度;光谱吸收

由于气液两相流广泛存在于石油、化工、动力、食品以及制冷等生产实际的各个领域，学者对气液两相流很多参数的计量方法进行了大量的研究。干度在蒸汽参数的测量中具有重要的地位。对于油田上，注汽油井中蒸汽干度、温度和压力的测定可以反映出井下的蒸汽吸收情况，对于合理注汽、减少热损、提高产油率和油藏热采的动态监测具有重要的意义。本文利用高温高压下饱和水和饱和水蒸气的光谱吸收原理推导出了饱和水蒸气的蒸汽干度值。下一步将进行室内实验和现场应用。

1 原理

蒸汽质量的定义是蒸汽相的质量除以包括液体和蒸汽的总质量的比。液体和蒸汽两相混合的复合密度可以用饱和液体的密度，饱和蒸汽密度表示，蒸汽质量x的表达式为

下标f标识饱和液体，下标fg标识液体和蒸汽两相混合的复合密度。x是蒸汽的干度，确定饱和液体和饱和蒸汽之间的属性值的变数。

波长为λ的光束通过吸收媒介时，其辐射强度将按Beer-Lambert关系式衰减：

式中 ：I0(λ)是入射光速辐射强度，其波长为λ I(λ)是穿过吸收媒介后光束的辐射强度

αλ为吸收媒介的光谱吸收系数,它与被测媒介的浓度、压力、温度及光程L有关，其数学表达式为：

这里：P是静压力(atm)

X是摩尔分数或媒介的相对浓度

L 是吸收光程的长度

Si(T)是与样品温度有关的光谱线强度i(cm-2/atm)

φi(λ-λ0)是样品媒介吸收谱线的线形函数(cm)，其线形函数定义如下:

线强度S i(cm-2/atm)与样品（吸收媒介）的温度有如下关系：

式中：

Q(T)分配函数在整个温度区可用下面多项式表示：

在实际中，吸收系数αλ,i的测量是通过对整个吸收谱线的线型进行波长扫描，取其各波长下的αλ,i累加。由于线型函数的定义所以对（3）式两边取其波长积分，得：

代入(2)则得：

则：

两边取自然对数得：

其中σ是吸收散射截面（cm2）和N是单位体积的水分子的数N（cm-3）。N由该测量来确定。

由于饱和蒸汽中不仅存在蒸汽气体分子，也存在液态微小的水珠，它们对光束会产生散射和吸收，因此需要选取λ1、λ2两波长光束通过待测样品，选波长λ1为饱和蒸汽的吸收波长，λ1光束通过待测样品，对应的吸收散射截面为σv；其透射率分别为τ（λ1）；选波长λ2为饱和水的吸收波长，对应的吸收散射截面为σw。因此在波长λ2处要求σv=0，那么饱和水的密度Nw为：

在λ1处除了饱和水蒸汽的吸收外还有饱和水的吸收，若选取λ1和λ2处的σw相等，那么饱和水蒸汽的数字密度Nv为：

则蒸汽的干度为：

2 结语

高温高压下条件下，利用饱和水和饱和水蒸气的光谱吸收原理推导出饱和水蒸气的蒸汽干度值的原理方法可以应用在广泛存在于石油、化工、动力、食品以及制冷等生产实际的各个领域。接下来将进行室内实验以及现场应用试验推广。

[1]梁培,余建军,朱桂荣等.光纤传感用于油田热采的蒸汽干度测量[J].光学与光电技术，2008，Vol.6 No.3：1-3．

[2]蔡颐年，王乃宁.湿蒸汽两相流[M].西安交通大学出版社，1985.

王颖（1983-），女，毕业于中国石油大学（华东）无线电物理专业，现在辽河油田公司钻采工艺研究院仪器仪表所高温测