姚丹亚 孙勇* 仲朔平 张宝芬
清华大学 100084 *辽河油田
摘要：
热采法是最有效的回收稠油的方法。稠油的输出受注入汽水两相流的干度和质量流量影响。本文介绍一套采用单孔板可以对汽水两相流干度和质量流量双参数同时进行测量的仪表，该测量方法基于对汽水两相流孔板差压噪声的研究，以得出的测量汽水两相流干度和质量流量的理论模型为依据，全套仪表成功地应用于辽河油田的稠油热采过程。
关键词 ：孔板噪声，两相流，质量流量，干度
热采法是最有效的回收稠油的方法，在稠油热采过程中，注入油井蒸汽的质量流量和干度，很大程度地影响着稠油的输出，这使得对注井蒸汽参数的测量十分重要，这属于汽水两相流测量的问题。
在工业过程和科学研究中，两相流的检测一直是检测科学研究的一个焦点。Murdock等建立了孔板分离流模型，James等建立了改进的孔板均相流模型。以上两模型用两相密度比修正后，进一步提高了模型精度，并扩大了适用范围。
两相流动是一个随机过程，两相流体中的相分布在空间和时间上都是随机的。由此随机性在测量过程中产生的噪声，如孔板差压脉动，是人们在两相流检测的实践中熟知的物理现象。然而，根据传统的测量理论，此噪声仅仅是检测系统中的干扰信号。根据现代检测理论的观点，噪声也是过程系统输出的一种信息。通过对噪声机理的分析，建立噪声的统计滤波模型，便可获得与被检测变量相关的定量信息，从而建立噪声检测两相流的实用理论模型。
1、 孔板差压噪声测量汽水两相流的理论模型
假设：汽液两相分别流过孔板；无相间动量交换；无相变过程；满足绝热条件。
由此得到理想化的孔板分离流模型为：
越小，差压噪声越大。
将式(3)的两边分别除以式(2)的两边，可得：
式(5)、(6)即为利用孔板差压噪声测量汽液两相流双参数(例如质量流量和干度)的理论模型。其物理意义明确，形式非常简单，无须变换便可直接应用于微机仪表。
实测的汽水两相流孔板差压方根的相对统计方差(R)，大者可达百分之几十，小者也有百分之几，对于干度变化的反应相当灵敏。
2、 汽水两相流双参数测量仪表
根据上述的模型，作者研制成功与单孔板配套的测量仪表。该仪表核心是Intel 8098 CPU，配置32K ROM和8K RAM，还包括8个LED，8个按键以及微型打印机。一台开关稳压电源为仪表和变送器提供电能。
来自压力变送器和差压变送器的4～20毫安直流信号经I/V转换成1～5伏电压信号，再经A/D变换成数字量。数字滤波和统计估计可得数学模型计算所需的P、 和 。并按压力P由相应子程序计算密度和热焓，从而算出汽水两相流的干度、质量流量和携带热量，并对流量和热量进行累积运算。键盘和LED用于常数设置和结果显示，微打可定时或立即打印结果。D/A接口输出干度信号，RS232接口可与上位机进行通讯。仪表原理框图如图1所示。
图1 仪表框图
3、仪表在油田中的应用
利用孔板测量汽水两相流实验的78组数据，确定了比例系数 值。以下实验数据来自辽河油田的两个油井。表1显示了采用本仪表和传统采样法所得的干度数据的差别。表2显示了采用本仪表和传统孔板流量计测得的流量数据的差别。
[表1]
时间 |
9:00 |
9:15 |
9:30 |
9:45 |
10:00 |
10:15 |
10:30 |
10:45 |
11:00 |
本仪表 |
68 |
66 |
65 |
67 |
70 |
68 |
68 |
67 |
68 |
采样 |
73 |
73 |
73 |
74 |
75 |
74 |
74 |
75 |
75 |
误差(%) |
5 |
7 |
8 |
7 |
5 |
6 |
6 |
8 |
7 |
[表2]
时间 |
9:00 |
9:15 |
9:30 |
9:45 |
10:00 |
10:15 |
10:30 |
10:45 |
11:00 |
本仪表 |
8.184 |
8.012 |
8.189 |
8.203 |
8.021 |
8.086 |
8.012 |
8.103 |
8.085 |
孔板流量 |
8.2 |
8.2 |
8.2 |
8.2 |
8.1 |
8.1 |
8.1 |
8.1 |
8.1 |
误差(%) |
0.195 |
2.293 |
0.134 |
-0.04 |
0.975 |
0.173 |
1.086 |
-0.037 |
0.185 |
从以上数据可以看出，仪表测得的质量流量与直流锅炉的给水孔板流量相比较，误差小于5%；干度的误差小于10％。
4、 结论
（1）在汽水两相流中的孔板差压噪声是由于两相流中相密度分布的不均匀性和孔板的相分离效应引起的。其差压噪声的方差包含着相比分和质量流量的信息。利用孔板噪声测量汽水两相流干度和质量流量的理论模型，经实验证明与实际基本相符。从而实现了用单一孔板同时测量汽水两相流双参数（干度和流量）。
（2）汽水两相流双参数测量仪表与传统仪表相比，测量误差基本相同，但结构简单，而且具有更强的性能指标。
参考文献
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1、 林宗虎等，Two-phase flow measurements with sharp-edged orifice, International Journal of Multiphase Flow, 1962,8 (6):683-693
2、 佟允宪等，孔板在两相流中的相分离效应与两相流湿度测量。清华大学学报，Vol. 31, No. 3, 1991:12-16
3、 佟允宪等，利用节流装置噪声测量两相流的理论模型。清华大学学报，Vol. 32, No. 6, 1992: 13-17
4、 王文然等，利用孔板噪声测量两相流和干度的研究。清华大学学报，Vol. 32, No. S3, 1993: 117-123
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6、 仲朔平等，孔板差压噪声测量汽水两相流双参数的原理和实践。电子?仪器仪表用户，1995年增刊号,111-115
7、 姚丹亚等，The Application of Double Measurement of Steam-water in Oil Field.第二届国际多相流测试技术会议论文集，1998:140-145 |
