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摘要：
熱采法是最有效的回收稠油的方法。稠油的輸出受注入汽水兩相流的干度和質(zhì)量流量影響。本文介紹一套采用單孔板可以對(duì)汽水兩相流干度和質(zhì)量流量雙參數(shù)同時(shí)進(jìn)行測(cè)量的儀表，該測(cè)量方法基于對(duì)汽水兩相流孔板差壓噪聲的研究，以得出的測(cè)量汽水兩相流干度和質(zhì)量流量的理論模型為依據(jù)，全套儀表成功地應(yīng)用于遼河油田的稠油熱采過程。
關(guān)鍵詞：孔板噪聲，兩相流，質(zhì)量流量，干度
熱采法是最有效的回收稠油的方法，在稠油熱采過程中，注入油井蒸汽的質(zhì)量流量和干度，很大程度地影響著稠油的輸出，這使得對(duì)注井蒸汽參數(shù)的測(cè)量十分重要，這屬于汽水兩相流測(cè)量的問題。
在工業(yè)過程和科學(xué)研究中，兩相流的檢測(cè)一直是檢測(cè)科學(xué)研究的一個(gè)焦點(diǎn)。Murdock等建立了孔板分離流模型，James等建立了改進(jìn)的孔板均相流模型。以上兩模型用兩相密度比修正后，進(jìn)一步提高了模型精度，并擴(kuò)大了適用范圍。
兩相流動(dòng)是一個(gè)隨機(jī)過程，兩相流體中的相分布在空間和時(shí)間上都是隨機(jī)的。由此隨機(jī)性在測(cè)量過程中產(chǎn)生的噪聲，如孔板差壓脈動(dòng)，是人們?cè)趦上嗔鳈z測(cè)的實(shí)踐中熟知的物理現(xiàn)象。然而，根據(jù)傳統(tǒng)的測(cè)量理論，此噪聲僅僅是檢測(cè)系統(tǒng)中的干擾信號(hào)。根據(jù)現(xiàn)代檢測(cè)理論的觀點(diǎn)，噪聲也是過程系統(tǒng)輸出的一種信息。通過對(duì)噪聲機(jī)理的分析，建立噪聲的統(tǒng)計(jì)濾波模型，便可獲得與被檢測(cè)變量相關(guān)的定量信息，從而建立噪聲檢測(cè)兩相流的實(shí)用理論模型。
1、 孔板差壓噪聲測(cè)量汽水兩相流的理論模型
假設(shè)：汽液兩相分別流過孔板；無相間動(dòng)量交換；無相變過程；滿足絕熱條件。
由此得到理想化的孔板分離流模型為：
越小，差壓噪聲越大。
將式(3)的兩邊分別除以式(2)的兩邊，可得：
式(5)、(6)即為利用孔板差壓噪聲測(cè)量汽液兩相流雙參數(shù)(例如質(zhì)量流量和干度)的理論模型。其物理意義明確，形式非常簡(jiǎn)單，無須變換便可直接應(yīng)用于微機(jī)儀表。
實(shí)測(cè)的汽水兩相流孔板差壓方根的相對(duì)統(tǒng)計(jì)方差(R)，大者可達(dá)百分之幾十，小者也有百分之幾，對(duì)于干度變化的反應(yīng)相當(dāng)靈敏。
2、 汽水兩相流雙參數(shù)測(cè)量?jī)x表
根據(jù)上述的模型，作者研制成功與單孔板配套的測(cè)量?jī)x表。該儀表核心是Intel 8098 CPU，配置32K ROM和8K RAM，還包括8個(gè)LED，8個(gè)按鍵以及微型打印機(jī)。一臺(tái)開關(guān)穩(wěn)壓電源為儀表和變送器提供電能。
來自壓力變送器和差壓變送器的4～20毫安直流信號(hào)經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換成1～5伏電壓信號(hào)，再經(jīng)A/D變換成數(shù)字量。數(shù)字濾波和統(tǒng)計(jì)估計(jì)可得數(shù)學(xué)模型計(jì)算所需的P、 和 。并按壓力P由相應(yīng)子程序計(jì)算密度和熱焓，從而算出汽水兩相流的干度、質(zhì)量流量和攜帶熱量，并對(duì)流量和熱量進(jìn)行累積運(yùn)算。鍵盤和LED用于常數(shù)設(shè)置和結(jié)果顯示，微打可定時(shí)或立即打印結(jié)果。D/A接口輸出干度信號(hào)，RS232接口可與上位機(jī)進(jìn)行通訊。儀表原理框圖如圖1所示。
圖1 儀表框圖
3、儀表在油田中的應(yīng)用
利用孔板測(cè)量汽水兩相流實(shí)驗(yàn)的78組數(shù)據(jù)，確定了比例系數(shù) 值。以下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來自遼河油田的兩個(gè)油井。表1顯示了采用本儀表和傳統(tǒng)采樣法所得的干度數(shù)據(jù)的差別。表2顯示了采用本儀表和傳統(tǒng)孔板流量計(jì)測(cè)得的流量數(shù)據(jù)的差別。
[表1]
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時(shí)間 |
9:00 |
9:15 |
9:30 |
9:45 |
10:00 |
10:15 |
10:30 |
10:45 |
11:00 |
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本儀表 |
68 |
66 |
65 |
67 |
70 |
68 |
68 |
67 |
68 |
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采樣 |
73 |
73 |
73 |
74 |
75 |
74 |
74 |
75 |
75 |
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誤差(%) |
5 |
7 |
8 |
7 |
5 |
6 |
6 |
8 |
7 |
[表2]
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時(shí)間 |
9:00 |
9:15 |
9:30 |
9:45 |
10:00 |
10:15 |
10:30 |
10:45 |
11:00 |
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本儀表 |
8.184 |
8.012 |
8.189 |
8.203 |
8.021 |
8.086 |
8.012 |
8.103 |
8.085 |
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孔板流量 |
8.2 |
8.2 |
8.2 |
8.2 |
8.1 |
8.1 |
8.1 |
8.1 |
8.1 |
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誤差(%) |
0.195 |
2.293 |
0.134 |
-0.04 |
0.975 |
0.173 |
1.086 |
-0.037 |
0.185 |
從以上數(shù)據(jù)可以看出，儀表測(cè)得的質(zhì)量流量與直流鍋爐的給水孔板流量相比較，誤差小于5%；干度的誤差小于10％。
4、 結(jié)論
（1）在汽水兩相流中的孔板差壓噪聲是由于兩相流中相密度分布的不均勻性和孔板的相分離效應(yīng)引起的。其差壓噪聲的方差包含著相比分和質(zhì)量流量的信息。利用孔板噪聲測(cè)量汽水兩相流干度和質(zhì)量流量的理論模型，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明與實(shí)際基本相符。從而實(shí)現(xiàn)了用單一孔板同時(shí)測(cè)量汽水兩相流雙參數(shù)（干度和流量）。
（2）汽水兩相流雙參數(shù)測(cè)量?jī)x表與傳統(tǒng)儀表相比，測(cè)量誤差基本相同，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且具有更強(qiáng)的性能指標(biāo)。
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