矩阵电导法测量蒸汽干度的电场模拟与误差_曾雷.pdf

投稿网址：http：/辽宁石油化工大学学报JOURNAL OF LIAONING PETROCHEMICAL UNIVERSITY第43卷 第3期2023 年6月Vol.43 No.3Jun.2023矩阵电导法测量蒸汽干度的电场模拟与误差曾雷，晏永飞，侯泽坤（辽宁石油化工大学 机械工程学院，辽宁 抚顺 113001）摘要：目前稠油开采工程普遍使用热采方法，将高温高压湿饱和蒸汽由注汽管道注入油井，通过其携带的热量与低温稠油进行热交换，提高稠油的流动性和渗透性以实现开采。湿饱和蒸汽干度是影响热采效率的重要参数，没有公认的测量方法，当前常用的方法是人工测量法，但此方法的测量结果存在严重的滞后性。为达到实时监测干度的目的，使用新型测量方法矩阵电导法，在 10 MPa、310 的条件下，建立了用于测量外径为 76 mm、内径为 54 mm 注汽管道内湿饱和蒸汽干度的 2626丝网模型；介绍了矩阵电导法的测量原理，并建立了干度算法模型；在 Ansys Electronics软件中进行了电场模拟，分析了层间电场，结果表明适宜的层间距为 2 mm。为提高精度，使用线性插值法处理边缘，对实际测量误差进行了预测。结果表明，一次线性插值后整体误差小于 2.50%；二次线性插值后整体误差小于 1.10%。关键词：矩阵电导法；蒸汽干度；电场仿真；线性插值；误差中图分类号：TE37 文献标志码：A doi：10.12422/j.issn.16726952.2023.03.009Electric Field Simulation and Error on Matrix Conductance Method to Measure Steam DrynessZeng Lei，Yan Yongfei，Hou Zekun（School of Mechanical Engineering，Liaoning Petrochemical University，Fushun Liaoning 113001，China）Abstract:At present,the thermal recovery method is widely used in heavy oil recovery engineering,in which the high temperature and pressure wet saturated steam is injected into the oil well from the steam injection pipeline,and the heat carried by it is exchanged with low temperature heavy oil,so as to improve the fluidity and permeability of heavy oil and realize recovery.Wet saturated steam dryness is an important parameter affecting thermal recovery effino recognized measurement method existent method.There is no recognized measurement method.At present,the commonly used method is manual measurement,but the measurement results of this method have serious hysteresis.In order to achieve the purpose of realtime monitoring of dryness,a new measuring method,matrix conductance method,under the condition of 10 MPa and 310 C,a 2626 wire mesh model was established to measure the dryness of wet saturated steam in a steam injection pipeline with an outer diameter of 76 mm and an inner diameter of 54 mm.The measurement principle of the matrix conductance method is introduced and the dryness algorithm model is established.The electric field simulation was carried out in Ansys Electronics software,the electric field between the layers was analyzed,and the results show that the suitable interlayer spacing is 2 mm.In order to improve the accuracy,the linear interpolation method is used to process the edge,and the actual measurement error is predicted;the overall error after primary linear interpolation is within 2.50%;after quadratic linear interpolation,the overall error is less than 1.10%.Keywords:Matrix conductance method；Steam dryness；Electric field simulation；Linear interpolation；Error湿饱和蒸汽的本质是饱和水与饱和蒸汽组成的两相饱和流体，饱和蒸汽质量与湿饱和蒸汽总质量之比被称为蒸汽干度。湿饱和蒸汽的载热率与蒸汽干度有直接关系1，蒸汽干度越大载热率越高，高的载热率能有效提高采集效率，因此理论上蒸汽干度越大越好。但是，在实际生产过程中，如果蒸汽干度过高，会造成其制备设施注汽锅炉的炉壁内析出过多结晶盐并附着在炉壁，降低炉壁的导热效文章编号：16726952（2023）03005208收稿日期：20220727 修回日期：20220924基金项目：辽宁省教育厅科学技术研究项目（L2009006）。作者简介：曾雷（1998），男，硕士研究生，从事油田地面工程装备方面的研究；Email：。通信联系人：晏永飞（1973），男，硕士，教授，从事油田地面工程装备、工业炉窑和工程热物性测试等方面的研究；Email：yyf_。第 3 期曾雷等.矩阵电导法测量蒸汽干度的电场模拟与误差率使炉内温度快速升高，存在爆炸的安全隐患2。因此，蒸汽干度的测量和实时监控成为稠油热采工艺中的关键问题之一3。蒸汽干度无法在高温高压条件下直接测量，目前还没有统一普遍广泛使用的测量方法，较为常用的测量方法有孔板法4、相分离法5、混合法6等，每种方法都有各自的优缺点。国内常用的蒸汽干度测量方法是人工滴定测量法，此方法操作简单，精度较高，但需要被测流体内含有碱性离子7，一般约每小时测量一次，每次测量前都需人工采样，单次测量时间为 2030 min。由于单次测量时间和测量周期较长，导致其存在严重的滞后性，无法实时监测蒸汽干度的变化。矩阵电导法是一种新型蒸汽干度测量方法，起初应用于管道内气液两相流体流型的研究。该方法于 1998年由 H.M.Prasser等8提出，使用丝网传感器（Wiremesh Senior）测量圆管内流体分布并成像；2005年，D.Lucas等9将丝网传感器应用于垂直管内流体流型的研究中；2010 年，D.Lucas 等1011使用丝网传感器测量了垂直管内气水两相流的相关流体数据和向上管流的气泡尺寸分布；2015 年，王兴涛等12与 H.M.Prasser团队合作，使用丝网传感器原理设计一种三层线列阵传感器，并应用于测量分析水平截面和竖直截面的平均含汽率分布情况；2020年，吴海涛13使用丝网传感器对伪段塞流进行了测量。综上可知，矩阵电导法是基于丝网传感器测量管内流体分布的方法，该方法对被测流体的物性要求较低，适用的流体范围广，受工况影响较小1415，测量精度较高，具有实时性，可随时监测蒸汽干度的变化情况，适用于注汽油田工程。1 矩阵电导法 1.1 测量原理及流程矩阵电导法在蒸汽干度与压力、含汽率之间建立计算关系，测量管道内湿饱和蒸汽的压力和气液面积，即可计算湿饱和蒸汽干度。矩阵电导法的测量示意图如图 1 所示。由图 1 可以看出，注汽井口上方管道内安装有压力传感器和一次测量元件。湿饱和蒸汽制备完成后稳定流入注汽管道，由压力传感器和一次测量元件分别测量管道截面湿饱和蒸汽的压力和气液面积；通过测得的压力和气液面积，即可计算实时蒸汽干度。1.2 蒸汽干度算法蒸汽干度是衡量湿饱和蒸汽品质的重要参数，其表达式见式（1）。X=mg/(mg+mw)（1）式 中，X 为 蒸 汽 干 度；mg为 饱 和 蒸 汽 质 量，kg；mw为饱和水质量，kg。除了通过式（1）计算蒸汽干度，还可使用基于熵变、焓变等原理的比熵式和比焓式计算蒸汽干度。比熵式和比焓式均以式（1）为基础公式，其推导和计算过程比较复杂，在蒸汽干度计算中并未使用，所以不做过多说明。饱和蒸汽（饱和水）质量等于对饱和蒸汽（饱和水）的质量流量进行积分的结果。基于此，蒸汽干度可表示为：X=Qgdt/(Qgdt+Qwdt)=Qg/(Qg+Qw)（2）式中，Qg、Qw分别为饱和蒸汽及饱和水的质量流量，kg/s；t为时间，s。基于质量流量与密度、横截面积和流速的关系，蒸汽干度可表示为：X=gSgu/(gSgu+wSwu)（3）式 中，g、w分 别 为 饱 和 蒸 汽 及 饱 和 水 的 密 度，kg/m3；Sg、Sw分别为管道截面上饱和蒸汽及饱和水的横截面积，mm2；u 为湿饱和蒸汽的整体流速，m/s。Sw可通过一次测量元件测量得到。管道内湿饱和蒸汽气液面积比 b可表示为：b=Sg/Sw=S/Sw-1（4）式中，S=Sg+Sw。密度与比容存在如下关系：V=1（5）式中，V 为比容，m3/kg。整合式（3）（5）可得：X=b/(b+Vg/Vw)（6）式 中，Vg、Vw分 别 为 饱 和 蒸 汽 及 饱 和 水 的 比 容，m3/kg。Vg、Vw的值可根据文献16中方法求出。1.3 一次测量元件湿饱和蒸汽在管道内流动时，蒸汽压力大，流速快，水平管内饱和水所受重力和摩擦力远远小于其所受压力，因此忽略重力对湿饱和蒸汽中饱和水的影响，认为管道内湿饱和蒸汽流体不存在弹状流类流型11，17。因为管道内湿饱和蒸汽压力较大，且饱和蒸汽体积远大于饱和水，参照常压下雾状流特图 1矩阵电导法的测量示意图53辽宁石油化工大学学报第 43 卷点，可做如下假设：将工况下管道内气液形状视为饱和蒸汽包裹饱和水，且饱和蒸汽推动饱和水高速向前流动；水滴四周受到的压力几乎相同，饱和水在区域截面内呈标准圆形。在常温常压下，气水两相流的流动状态可变性较大，而在高温高压下管内流体呈气包水状态，管道边缘局部速度和压力损失很小、可忽略不计。因此，可做如下假设：湿饱和蒸汽以基本稳定的速度在管道内流动，流场基本稳定。一次测量元件的作用是检测管道内气液相分布情况，并测算气液面积。选择丝网传感器作为测量元件，是因为其对流体的物性条件要求低，可以满足高温高压的工作条件和测量要求，并且作为研究气液两相流相态分布的测量装置，可直接通过局部瞬时电压测量气液分布，无须进行图像重建。丝网传感器根据饱和水与饱和蒸汽导电性的不同，通过电信号的变化测