浅谈油田注汽锅炉蒸汽干度控制系统

牛占涛（胜利油田胜机石油装备有限公司 山东东营 257000）

油田注汽锅炉控制系统的核心技术就是蒸汽干度控制技术， 蒸汽干度控制效果的好坏很大程度上就决定了整个注汽锅炉的工作性能。 由于受油田热采生态条件的限制，油田注汽锅炉中湿饱和蒸汽在出口处其干度应该稳定在75-80%之间，过高或过低都无法满足生产工艺的要求。 蒸汽干度受到众多因素的影响，难以对其进行有效、准确的控制。状态，这在工作过程中就会引起较大的时间滞后性与惯性。 从而导致锅炉给水或是燃料流量产生变化很长时间以后， 锅炉输出段的蒸汽干度值才会相应发生变化， 另外检测蒸汽干度不能直接完成，当检测到蒸汽干度有了变化时，距其实际发生变化已经过去了一定的时间。 所以，总的来说，注汽锅炉蒸汽干度控制系统一般会有10 分钟以上的时间延后。

一、蒸汽干度控制系统两个技术难题

（1）、蒸汽干度检测

蒸汽干度不能通过仪器直接测量得到，属于间接检测参数。检测蒸汽干度时受到很多因素的影响， 其与多个注汽锅炉工作参数存在着客观的、复杂的关联，所以测量蒸汽干度数据的准确度很难达到理想的效果。 传统的注汽锅炉蒸汽干度检测方法是基于人工的化验法，这种方法不仅会产生较大的误差、有严重的滞后性、人员工作量大强度高，而且难以确保所得的蒸汽干度处在一个高值范围内。 目前，随着技术的改进和方法的优化，一些新的蒸汽干度检测技术应用于注汽锅炉作业， 并且取得了不错的效果。 主要的检测方法有湿蒸汽双相流蒸汽干度测量法与电导率分析法。

油田注汽锅炉是单管直流形式，不会形成汽包，也不会产生任何污染。 如果不计算溶解在蒸汽中的盐分和炉管内壁上沉积的盐分， 那么在一段时间内给水与锅炉水中包含的盐分总量是相等的，也就是说给水与锅炉水中包含的钙、镁等阳离子数是相等的。 而对溶液来说，其电导率与其中包含的阳离子数成正比，故而可以通过测量给水与锅炉水的电导率来实现对蒸汽干度的间接测量，其计算公式是：

这种检测方法只需要安装两个电导率传感器和配置一个电导率分析仪器，设备简单，在油田上应用很广泛。 不过电导率分析法还是存在着以下几点问题：

①电导率分析法检测蒸汽干度的基础是注汽锅炉出口处的取样冷却器与汽水分离器的正常有效工作。 但是由于杂质的堵塞常引起汽水分离器得到的锅炉水样有误差， 从而造成检测结果的失真。

②由于锅炉水的流速比较低， 而同时锅炉水中包含的盐量较多，极易在传感器上结成碱垢，从而导致传感器工作失效。

③目前注汽锅炉配备的电导率分析仪在溶液静止时的检测精度和稳定性都比较高， 但是注汽锅炉中的给水与锅炉水都是处于流动状态，并且蒸汽干度受到很多杂质的影响，使得电导率有很大的波动，不够稳定。

（2）、蒸汽干度对象的大时滞性

油田注汽锅炉是单管受热， 软化水在水泵增压后要先后经过四个流段：预热段、对流段、过渡段以及辐射段，所以造成锅炉管线的总长一般都超过了700 米， 流体介质要在管线中滞留很长时间， 同时由于注汽锅炉是典型的靠燃烧来支撑运行的工作

二、蒸汽干度影响因素

在注汽锅炉工作过程中，依据能量守恒定律，存在着以下能量关系式：

式中，η-热效率（%），Qd-天热气的低位发热量（kJ/m3），B-每小时锅炉消耗的天然气（m3/h），D-锅炉给水流量（kg/h），h-饱和水焓（kJ/kg），γ-蒸汽干度（%），ξ-汽化潜热（kJ/kg）， hin-锅炉给水焓（kJ/kg）。 从以上公式可以看出，蒸汽干度受到天然气低位发热量、锅炉天然气消耗速度、锅炉给水流量与给水焓、饱和水焓、汽化潜热、锅炉热效率等众多因素的影响和干扰，决定了蒸汽干度这样的强耦合受控变量很难实现比较有效的控制。 下面通过分析蒸汽干度的各个影响因素，得出最为关键的影响因素。

①对于注汽锅炉的热效率而言，受热面上积灰、排烟的稳定上升以及水管内壁结垢都将造成效率的减小， 不过受热面上积灰和水管内壁上结垢都是慢慢积累的， 锅炉热效率受排烟温度的影响不是很明显， 所以锅炉热效率在注汽锅炉的整个工作流程中是一个缓慢变化的量；

②注汽锅炉内蒸汽压力的变化会导致汽化潜热和饱和水焓的变化，这两个因素是以蒸汽压力为变量的函数；

③锅炉给水焓是以给水温度为变量的函数， 不过锅炉给水温度波动很小，故而锅炉给水焓的变化也很小；另外，天然气的低位发热量对于批次相同的天然气，其差异不大；

④当注汽锅炉正常工作时， 能引起蒸汽压力变化的因素有注汽井个数、地层压力与蒸汽流量等，不过蒸汽压力是一个缓慢的渐变量，其控制可以采用独立的控制器；

⑤影响蒸汽干度最主要的因素包括：天然气流量、锅炉给水流量以及锅炉内蒸汽的压力值，并且当这些参数发生变化时，蒸汽干度检测都会有严重的时间滞后性。

三、结束语

文章分析了目前制约注汽锅炉蒸汽干度控制系统高效运行与精准控制的两个关键技术难点， 探讨了影响油田注汽锅炉蒸汽干度的众多因素， 并最终分析得出蒸汽干度最主要的影响因素是蒸汽压力值和锅炉给水与天然气的流量比值。 对今后注汽锅炉蒸汽干度控制方法的研究与改进有着一定的借鉴意义。