过热注汽锅炉干度的测量与控制

文恒，陆艳斌，党延辉

(新疆华隆油田科技股份有限公司，新疆 克拉玛依 834000)



过热注汽锅炉干度的测量与控制

文恒，陆艳斌，党延辉

(新疆华隆油田科技股份有限公司，新疆 克拉玛依 834000)

摘要：注汽锅炉干度的测量和控制是提高原油采收率的重要控制指标。干度测量方便性和准确性的提高，以及干度的模糊控制研究是技术发展的趋势。介绍了蒸汽干度的各种测量方法和原理，着重介绍了干度的软测量以及过热锅炉的模糊控制方式的实现。结合稠油开采的实际经验，过热注气锅炉干度的软测量和控制在疆油田应用取得了良好效果。

关键词：稠油开采干度比焓

随着油田稠油区块的开发，蒸汽热采吞吐技术不断提高，高干度和过热蒸汽的需求量越来越大。高干度、过热蒸汽注汽锅炉与常规注汽锅炉不同，过热锅炉工艺上在常规注汽锅炉出口加装汽水分离器，把湿饱和蒸汽中的水分离出来，分离出来的饱和干蒸汽进入新增的过热段继续加热，饱和水通过调节阀，与过热器出来的过热蒸汽混合，再注入油井。注汽锅炉干度的测量和控制是保证注汽效果，提高采收率的重要环节。

1干度的测量

蒸汽干度是指蒸汽与水的混合物中干蒸汽的质量分数。普通直流注汽锅炉的出口蒸汽干度在75%左右，高干度注气锅炉一般大于85%，过热锅炉注汽出口蒸汽干度为100%。由于蒸汽干度是气液两相流的特有参数，与注汽锅炉多个运行参数存在复杂的内在联系，不能直接测量，同时间接测量受影响的因素很多，因而干度测量一直没有很好的解决方案，干度的软测量成为目前研究的重点方向之一。

1.1电导率法

其原理是根据注汽锅炉无汽包，忽略蒸汽中溶解盐分，按照生水和炉水的盐量平衡，水的电导率和水中的含盐量成正比，即得到：

干度=(炉水含盐量-给水含盐量)/

炉水含盐量×100%=(炉水电导率-

给水电导率)/炉水电导率×100%

该方法原理简单，通过电导传感器作为电极对炉水和给水的电导率进行检测，计算干度。目前新疆油田多采用进口的梅特勒托利多电导率传感器，精度在±2%。但这种方式存在两个缺点： 由于传感器直接接触炉水，如果取样路径过长，取样管路受到污染、传感器探头结垢，数据就会产生很大漂移，需要定期维护冲洗管路和传感器，取样路径应尽可能短，才能保证测量精度；传感器反应滞后时间很长，通常至少要有十几分钟的测量时间，才能得到一个稳定的电导率数值，对于需要快速反应和调整的系统是极为不利的。

1.2摩尔滴定法

摩尔滴定法是一种化学方法，原理是基于炉水和生水的碱度区别，即蒸汽中的OH-浓度很低，因而炉水的浓缩倍数即可反映锅炉干度。利用摩尔滴定法测定水中OH-离子浓度，从而测定蒸汽干度。现场控制柜对锅炉的出口炉水和进口生水进行取样，自动定量滴定，滴入甲基橙(酸碱滴定指示剂)和5%硫酸，反应后根据滴定前后颜色的变化判断滴定终点。颜色可通过特定波长的光谱吸收特性进行分析，识别滴定终点，进而通过硫酸滴定量计算干度值。

干度=(炉水硫酸滴定量-生水硫酸滴定量)/

炉水硫酸滴定量×100%

为保证测量准确，需要保证新鲜的水样，搅拌均匀，反应环境和管路清洗彻底。这种方式也同样存在水样易污染和测量周期时间长的问题。

1.3数学模型计算

注汽锅炉干度的数学模型大部分是基于热力学公式、质量能量守恒定律、经验值来构建的。以水和蒸汽热力学工业公式IAPWS-IF97为核心，蒸汽的热力过程存在一点、两线、三区、五态。一点指物质的临界点，两线指饱和蒸汽状态连线(上界限线)和饱和液体状态连线(下界限线)；三区指汽态区，液态区，湿蒸汽区；五态指过热蒸汽、饱和蒸汽、湿蒸汽、饱和液体及未饱和液体。其区域划分和方程如图1所示。

图1　IAPWS-IF97的区域划分和方程

如图1所示, 1区为常规水区；2区为过热蒸汽区；3区为临界区；4区为饱和线，即湿蒸汽区；5区为低压高温区。IAPWS-IF97公式在1区和2区采用吉布斯自由焓g(p,T),在3区采用亥姆霍兹自由能f(ρ,T),在4区(饱和线)采用饱和压力ps(T)公式,在高温区5区采用吉布斯自由焓g(p,T)。这5个公式被称为IAPWS-IF97基本方程，详细请参阅“国际水和水蒸气性质学会对工业用计算公式 1997”( 简称 IAPWS-IF97)。

过热注汽锅炉水路流向如图2所示，正常注汽锅炉燃烧后，从辐射段出来的是72%以上、80%以下的饱和湿蒸汽，进入汽水分离器进行气液分离。分离器液位稳定在525mm左右时，分离效果达到99%以上，分离器分离出来的干气，再经过过热器加热，加热高温干气，分离器分离出的饱和水经过电动调节阀，到混掺器和过热蒸汽混合。高干度过热锅炉水和蒸汽的变化特性： 锅炉进口只存在不饱和水1区，辐射段饱和蒸汽4区，临界水区和气区3区，过热器出口是过热蒸汽2区。根据过热锅炉燃烧各个阶段水和蒸汽的温度、压力的变化，采用IAPWS-IF97基本方程公式和导出公式，根据压力、温度、密度，在PLC里迭代计算给水、辐射段、对流段和注汽出口过热蒸汽比焓值，分析锅炉水和蒸汽的状态。

图2　过热注气锅炉水路流向

目前中型以上的PLC计算能力都能满足多次迭代运算的需求，编程语言使用ST结构文本，编写迭代计算公式非常方便。除了通过公式建立热力学模型外，也可以通过编写查表程序，根据温度、压力查找水和水蒸气热力性质图表来确定比焓值。

根据质量守恒定律，给水流量等于锅炉分离器出口饱和水流量加过热蒸汽流量(根据差压、温度计算流量)，根据能量守恒高干度注汽锅炉存在如下能量关系：

在注汽出口未过热时：

qVBη QD=qmDx(h″-h′)+qmD(h′-hin)

(1)

推导出干度公式：

(2)

式中：qVB——天然气消耗量，m3/h；qmD——给水流量，kg/h；η——热效率(取用90%)，%；QD——天然气低位发热量(取用35000kJ/kg),kJ/kg；h″——注汽出口饱和蒸汽比焓，kJ/kg；h′——注汽出口饱和水比焓，kJ/kg；hin——给水比焓(取用8～95 ℃时给水比焓)，kJ/kg。

对于注汽出口蒸汽过热时，首先计算此时过热蒸汽比焓值h：

(3)

由于天然气低位发热量和锅炉热效率变化不大，根据实际取经验定值。通过这种方式计算干度，时效性比上述两种方式高，精度在3%左右，也能满足高干度过热注气锅炉控制系统的要求。在新疆油田过热注气锅炉中应用后，效果良好。当系统切过热状态后，控制过热温度过热5～25 ℃，和饱和水混掺后，井口的注汽干度可以达到98%以上。

2干度的控制

目前国内提出的普通注汽锅炉干度控制主要有以下几类： 串级PID控制、模糊-PID双模控制、神经元网络控制等。串级PID控制将蒸汽干度作为主被控变量，水流量作为副被控变量，给水流量作为操控变量组成串级控制，主副控制均采用简单的PID控制，对于存在大滞后、有着复杂干扰对象的系统来说，简单的串级PID控制很难满足控制精度的需求。模糊-PID双模控制是将模糊控制和PID控制结合起来，既有模糊控制灵活、适应性强的特点，又有PID精度控制高的特点，对干度这种复杂控制系统具有良好的控制效果。

对于高干度过热注汽锅炉来说，保证分离器分离效果和过热器出口过热度，就可以保证注汽锅炉出口的蒸汽干度达到98%以上，普通锅炉的干度控制不能完全适用于过热注汽锅炉。高干度过热注汽锅炉的主要工艺流程： 生水通过处理后，合格的软化水供到高压泵入口端，水经强制升压后进入水-水换热器，经预热后的水进入对流段，在这里吸收热量后再进入水-水换热器作为热源加热给水，经冷却后进入辐射段的入口，水在辐射段经加热汽化后达到70%～80%蒸汽干度的湿蒸汽，然后进入到汽水分离器进行汽水分离。分离出的干蒸汽再进入到过热段，加热后进入混掺器，与分离出的高含盐饱和水充分混合减温后注入井下。

在整个流程中，蒸汽干度的影响因素有燃气流量、水量、蒸汽压力、分离器液位、混掺比。混掺器的调节阀用于控制分离器的液位和混掺比。如果分离器液位过高，分离效果不佳，干蒸汽中带入了湿蒸汽；如果液位过低，则导致混掺的饱和水过少，井口温度上升较高；如果液位不稳，影响过热蒸汽的流量和过热度，也会影响到最终的出口蒸汽干度。因此，分离器液位的控制是保证湿蒸汽的分离效果，过热流程切换成功，井口干度达到要求的关键。

高干度过热注汽锅炉运行分为两个阶段。在锅炉刚开始燃烧时，辐射段还没有干度时，分离器液位是满的，调节阀全关，称为还未投过热阶段，这个阶段注汽锅炉是作为普通注汽锅炉来运行的，将水加热为饱和蒸汽。当辐射段出口蒸汽达到一定干度时开始投入分离器，投过热流程。为保证过热器的安全，将流程自动切换到分离器运行，锅炉投入过热蒸汽生产的条件之一为辐射段出口干度必须达到72%以上，过热器压差满足要求，才允许投入分离器液位控制，否则是满液位运行。流程自动切过热后，只要保证分离器液位控制在设定值范围内，从分离器出来的99%干气经过热器加热，得到100%干度的过热蒸汽，再混掺饱和水后干度就能达到98%以上。在锅炉热系统达到平衡后，火量也只作为微调，调整过热度，保证井口注汽蒸汽过热，即保证了井口干度。

在锅炉系统切换过热状态前，高干度过热锅炉的控制主要以火量为主调量，根据燃烧曲线，水、火、风量的配比进行负荷控制，每隔一定时间，判断辐射段出口干度上升的幅度，根据温度、压力、干度的上升趋势计算并分析预期干度升速，进而调整相应的负荷，继续等待增加火量的结果传导到干度值上。当达到切换条件即辐射段出口干度值达到了72%，投入分离器调节阀，流程切入过热流程，控制分离器液位及过热温度。投入过热后，以调节分离器液位为主，热平衡建立后，火量这时作为微调，出口注汽干度就可以达到98%以上。

整个控制前期采用模糊算法，预测干度的趋势，调整负荷，达到过热切换条件。热切换后是对分离器液位的控制，主要以调火为主，将PID控制和模糊预测控制以及专家调试的经验相结合的算法融合，控制液位。系统热平衡建立后，对过热度的控制进行微调，限制调整的量级。这种控制方式在新疆油田风城作业区应用效果良好，辐射段出口干度72%～80%，注汽锅炉出口干度达到98%以上。

3结束语

油田高干度过热注汽锅炉在新疆油田超稠油

开采中发挥着越来越重要的作用。在整个注汽过程中，稳定的高干度值不但可以提高原油产量和采收率，而且在节能、环保和提高能效上效果显著。高干度注汽锅炉干度的检测精度要求不是很高，可以通过软测量来实现，干度的控制采用模糊预测控制可以很好地满足系统的控制要求，实现注汽干度达到设定的范围。

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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

中图分类号：TP29

文献标志码：A

文章编号：1007-7324(2015)06-0037-03

作者简介：文恒(1975—)，女，毕业于中国石油大学(华东)工业自动化专业，获学士学位，现工作于新疆华隆油田科技股份有限公司，主要研究方向为油田自动化控制，任工程师。

基金项目：新疆自治区科技成果转化项目，项目编号201454138。

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