過熱注汽鍋爐干度的測量與控制

文恒，陸艷斌，黨延輝

(新疆華隆油田科技股份有限公司，新疆 克拉瑪依 834000)

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過熱注汽鍋爐干度的測量與控制

文恒，陸艷斌，黨延輝

(新疆華隆油田科技股份有限公司，新疆 克拉瑪依 834000)

摘要：注汽鍋爐干度的測量和控制是提高原油采收率的重要控制指標。干度測量方便性和準確性的提高，以及干度的模糊控制研究是技術發展的趨勢。介紹了蒸汽干度的各種測量方法和原理，著重介紹了干度的軟測量以及過熱鍋爐的模糊控制方式的實現。結合稠油開采的實際經驗，過熱注氣鍋爐干度的軟測量和控制在疆油田應用取得了良好效果。

關鍵詞：稠油開采干度比焓

隨著油田稠油區塊的開發，蒸汽熱采吞吐技術不斷提高，高干度和過熱蒸汽的需求量越來越大。高干度、過熱蒸汽注汽鍋爐與常規注汽鍋爐不同，過熱鍋爐工藝上在常規注汽鍋爐出口加裝汽水分離器，把濕飽和蒸汽中的水分離出來，分離出來的飽和干蒸汽進入新增的過熱段繼續加熱，飽和水通過調節閥，與過熱器出來的過熱蒸汽混合，再注入油井。注汽鍋爐干度的測量和控制是保證注汽效果，提高采收率的重要環節。

1干度的測量

蒸汽干度是指蒸汽與水的混合物中干蒸汽的質量分數。普通直流注汽鍋爐的出口蒸汽干度在75%左右，高干度注氣鍋爐一般大于85%，過熱鍋爐注汽出口蒸汽干度為100%。由于蒸汽干度是氣液兩相流的特有參數，與注汽鍋爐多個運行參數存在復雜的內在聯系，不能直接測量，同時間接測量受影響的因素很多，因而干度測量一直沒有很好的解決方案，干度的軟測量成為目前研究的重點方向之一。

1.1電導率法

其原理是根據注汽鍋爐無汽包，忽略蒸汽中溶解鹽分，按照生水和爐水的鹽量平衡，水的電導率和水中的含鹽量成正比，即得到：

干度=(爐水含鹽量-給水含鹽量)/

爐水含鹽量×100%=(爐水電導率-

給水電導率)/爐水電導率×100%

該方法原理簡單，通過電導傳感器作為電極對爐水和給水的電導率進行檢測，計算干度。目前新疆油田多采用進口的梅特勒托利多電導率傳感器，精度在±2%。但這種方式存在兩個缺點： 由于傳感器直接接觸爐水，如果取樣路徑過長，取樣管路受到污染、傳感器探頭結垢，數據就會產生很大漂移，需要定期維護沖洗管路和傳感器，取樣路徑應盡可能短，才能保證測量精度；傳感器反應滯后時間很長，通常至少要有十幾分鐘的測量時間，才能得到一個穩定的電導率數值，對于需要快速反應和調整的系統是極為不利的。

1.2摩爾滴定法

摩爾滴定法是一種化學方法，原理是基于爐水和生水的堿度區別，即蒸汽中的OH-濃度很低，因而爐水的濃縮倍數即可反映鍋爐干度。利用摩爾滴定法測定水中OH-離子濃度，從而測定蒸汽干度?，F場控制柜對鍋爐的出口爐水和進口生水進行取樣，自動定量滴定，滴入甲基橙(酸堿滴定指示劑)和5%硫酸，反應后根據滴定前后顏色的變化判斷滴定終點。顏色可通過特定波長的光譜吸收特性進行分析，識別滴定終點，進而通過硫酸滴定量計算干度值。

干度=(爐水硫酸滴定量-生水硫酸滴定量)/

爐水硫酸滴定量×100%

為保證測量準確，需要保證新鮮的水樣，攪拌均勻，反應環境和管路清洗徹底。這種方式也同樣存在水樣易污染和測量周期時間長的問題。

1.3數學模型計算

注汽鍋爐干度的數學模型大部分是基于熱力學公式、質量能量守恒定律、經驗值來構建的。以水和蒸汽熱力學工業公式IAPWS-IF97為核心，蒸汽的熱力過程存在一點、兩線、三區、五態。一點指物質的臨界點，兩線指飽和蒸汽狀態連線(上界限線)和飽和液體狀態連線(下界限線)；三區指汽態區，液態區，濕蒸汽區；五態指過熱蒸汽、飽和蒸汽、濕蒸汽、飽和液體及未飽和液體。其區域劃分和方程如圖1所示。

圖1　IAPWS-IF97的區域劃分和方程

如圖1所示, 1區為常規水區；2區為過熱蒸汽區；3區為臨界區；4區為飽和線，即濕蒸汽區；5區為低壓高溫區。IAPWS-IF97公式在1區和2區采用吉布斯自由焓g(p,T),在3區采用亥姆霍茲自由能f(ρ,T),在4區(飽和線)采用飽和壓力ps(T)公式,在高溫區5區采用吉布斯自由焓g(p,T)。這5個公式被稱為IAPWS-IF97基本方程，詳細請參閱“國際水和水蒸氣性質學會對工業用計算公式 1997”( 簡稱 IAPWS-IF97)。

過熱注汽鍋爐水路流向如圖2所示，正常注汽鍋爐燃燒后，從輻射段出來的是72%以上、80%以下的飽和濕蒸汽，進入汽水分離器進行氣液分離。分離器液位穩定在525mm左右時，分離效果達到99%以上，分離器分離出來的干氣，再經過過熱器加熱，加熱高溫干氣，分離器分離出的飽和水經過電動調節閥，到混摻器和過熱蒸汽混合。高干度過熱鍋爐水和蒸汽的變化特性： 鍋爐進口只存在不飽和水1區，輻射段飽和蒸汽4區，臨界水區和氣區3區，過熱器出口是過熱蒸汽2區。根據過熱鍋爐燃燒各個階段水和蒸汽的溫度、壓力的變化，采用IAPWS-IF97基本方程公式和導出公式，根據壓力、溫度、密度，在PLC里迭代計算給水、輻射段、對流段和注汽出口過熱蒸汽比焓值，分析鍋爐水和蒸汽的狀態。

圖2　過熱注氣鍋爐水路流向

目前中型以上的PLC計算能力都能滿足多次迭代運算的需求，編程語言使用ST結構文本，編寫迭代計算公式非常方便。除了通過公式建立熱力學模型外，也可以通過編寫查表程序，根據溫度、壓力查找水和水蒸氣熱力性質圖表來確定比焓值。

根據質量守恒定律，給水流量等于鍋爐分離器出口飽和水流量加過熱蒸汽流量(根據差壓、溫度計算流量)，根據能量守恒高干度注汽鍋爐存在如下能量關系：

在注汽出口未過熱時：

qVBη QD=qmDx(h″-h′)+qmD(h′-hin)

(1)

推導出干度公式：

(2)

式中：qVB——天然氣消耗量，m3/h；qmD——給水流量，kg/h；η——熱效率(取用90%)，%；QD——天然氣低位發熱量(取用35000kJ/kg),kJ/kg；h″——注汽出口飽和蒸汽比焓，kJ/kg；h′——注汽出口飽和水比焓，kJ/kg；hin——給水比焓(取用8～95 ℃時給水比焓)，kJ/kg。

對于注汽出口蒸汽過熱時，首先計算此時過熱蒸汽比焓值h：

(3)

由于天然氣低位發熱量和鍋爐熱效率變化不大，根據實際取經驗定值。通過這種方式計算干度，時效性比上述兩種方式高，精度在3%左右，也能滿足高干度過熱注氣鍋爐控制系統的要求。在新疆油田過熱注氣鍋爐中應用后，效果良好。當系統切過熱狀態后，控制過熱溫度過熱5～25 ℃，和飽和水混摻后，井口的注汽干度可以達到98%以上。

2干度的控制

目前國內提出的普通注汽鍋爐干度控制主要有以下幾類： 串級PID控制、模糊-PID雙?？刂?、神經元網絡控制等。串級PID控制將蒸汽干度作為主被控變量，水流量作為副被控變量，給水流量作為操控變量組成串級控制，主副控制均采用簡單的PID控制，對于存在大滯后、有著復雜干擾對象的系統來說，簡單的串級PID控制很難滿足控制精度的需求。模糊-PID雙?？刂剖菍⒛：刂坪蚉ID控制結合起來，既有模糊控制靈活、適應性強的特點，又有PID精度控制高的特點，對干度這種復雜控制系統具有良好的控制效果。

對于高干度過熱注汽鍋爐來說，保證分離器分離效果和過熱器出口過熱度，就可以保證注汽鍋爐出口的蒸汽干度達到98%以上，普通鍋爐的干度控制不能完全適用于過熱注汽鍋爐。高干度過熱注汽鍋爐的主要工藝流程： 生水通過處理后，合格的軟化水供到高壓泵入口端，水經強制升壓后進入水-水換熱器，經預熱后的水進入對流段，在這里吸收熱量后再進入水-水換熱器作為熱源加熱給水，經冷卻后進入輻射段的入口，水在輻射段經加熱汽化后達到70%～80%蒸汽干度的濕蒸汽，然后進入到汽水分離器進行汽水分離。分離出的干蒸汽再進入到過熱段，加熱后進入混摻器，與分離出的高含鹽飽和水充分混合減溫后注入井下。

在整個流程中，蒸汽干度的影響因素有燃氣流量、水量、蒸汽壓力、分離器液位、混摻比?；鞊狡鞯恼{節閥用于控制分離器的液位和混摻比。如果分離器液位過高，分離效果不佳，干蒸汽中帶入了濕蒸汽；如果液位過低，則導致混摻的飽和水過少，井口溫度上升較高；如果液位不穩，影響過熱蒸汽的流量和過熱度，也會影響到最終的出口蒸汽干度。因此，分離器液位的控制是保證濕蒸汽的分離效果，過熱流程切換成功，井口干度達到要求的關鍵。

高干度過熱注汽鍋爐運行分為兩個階段。在鍋爐剛開始燃燒時，輻射段還沒有干度時，分離器液位是滿的，調節閥全關，稱為還未投過熱階段，這個階段注汽鍋爐是作為普通注汽鍋爐來運行的，將水加熱為飽和蒸汽。當輻射段出口蒸汽達到一定干度時開始投入分離器，投過熱流程。為保證過熱器的安全，將流程自動切換到分離器運行，鍋爐投入過熱蒸汽生產的條件之一為輻射段出口干度必須達到72%以上，過熱器壓差滿足要求，才允許投入分離器液位控制，否則是滿液位運行。流程自動切過熱后，只要保證分離器液位控制在設定值范圍內，從分離器出來的99%干氣經過熱器加熱，得到100%干度的過熱蒸汽，再混摻飽和水后干度就能達到98%以上。在鍋爐熱系統達到平衡后，火量也只作為微調，調整過熱度，保證井口注汽蒸汽過熱，即保證了井口干度。

在鍋爐系統切換過熱狀態前，高干度過熱鍋爐的控制主要以火量為主調量，根據燃燒曲線，水、火、風量的配比進行負荷控制，每隔一定時間，判斷輻射段出口干度上升的幅度，根據溫度、壓力、干度的上升趨勢計算并分析預期干度升速，進而調整相應的負荷，繼續等待增加火量的結果傳導到干度值上。當達到切換條件即輻射段出口干度值達到了72%，投入分離器調節閥，流程切入過熱流程，控制分離器液位及過熱溫度。投入過熱后，以調節分離器液位為主，熱平衡建立后，火量這時作為微調，出口注汽干度就可以達到98%以上。

整個控制前期采用模糊算法，預測干度的趨勢，調整負荷，達到過熱切換條件。熱切換后是對分離器液位的控制，主要以調火為主，將PID控制和模糊預測控制以及專家調試的經驗相結合的算法融合，控制液位。系統熱平衡建立后，對過熱度的控制進行微調，限制調整的量級。這種控制方式在新疆油田風城作業區應用效果良好，輻射段出口干度72%～80%，注汽鍋爐出口干度達到98%以上。

3結束語

油田高干度過熱注汽鍋爐在新疆油田超稠油

開采中發揮著越來越重要的作用。在整個注汽過程中，穩定的高干度值不但可以提高原油產量和采收率，而且在節能、環保和提高能效上效果顯著。高干度注汽鍋爐干度的檢測精度要求不是很高，可以通過軟測量來實現，干度的控制采用模糊預測控制可以很好地滿足系統的控制要求，實現注汽干度達到設定的范圍。

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Measurement and Control of Saturated Vapor Dryness in Superheated Steam Injection Boiler

Wen Heng, Lu Yanbin, Dang Yanhui

(Xinjiang Hualong Technology co. Ltd., Karamay, 834000, China)

Abstracts： Measurement and control of saturated vapor dryness in steam injection boiler is a key index for enhancing crude oil recovery. The improvement of accessibility and accuracy of dryness measurement in steam injection boiler and as well as research on fuzzy control of dryness have become a technology development trend. Various kinds of methods and of principles steam dryness measurement are introduced. Soft measurement of dryness and realization of fuzzy control mode in superheated boiler are emphatically introduced. Combined with practical experience of heavy oil recovery in Xinjiang oilfield, application of soft measurement method and control of saturated vapor dryness in superheated injection boiler has achieved good effects in Xinjiang oilfield.

Key words：viscous oil recovery; dryness; specific enthalpy

中圖分類號：TP29

文獻標志碼：A

文章編號：1007-7324(2015)06-0037-03

作者簡介：文恒(1975—)，女，畢業于中國石油大學(華東)工業自動化專業，獲學士學位，現工作于新疆華隆油田科技股份有限公司，主要研究方向為油田自動化控制，任工程師。

基金項目：新疆自治區科技成果轉化項目，項目編號201454138。

稿件收到日期： 2015-10-09，修改稿收到日期： 2015-11-07。