稠油開采已成為我國石油開采的重要部分，目前采用的注蒸汽開采手段有蒸汽吞吐和蒸汽驅動兩種方法。油田注汽采用的是濕飽和蒸汽，即汽、水兩相混合物，蒸汽干度指單位質量內飽和蒸汽占濕蒸汽的質量百分數。蒸汽干度越高說明能量的利用率越高，采油效率也相應提高。蒸汽干度過低會影響熱采效率，而蒸汽干度過高則管壁易結垢，不僅浪費熱量，影響熱量傳遞，也可能引起鍋爐爆管。注汽鍋爐控制系統的核心是蒸汽干度控制系統，因此對蒸汽干度的測量意義重大。傳統干度測量方法通常采用人工化驗法，在油田熱注作業中被廣泛采用，該方法的測量精度較高，但需要每隔幾個小時就進行一次測量，因此相關人員的勞動強度較大，而且測量數據的隨機性較強、穩定性差。
筆者將氣體流量計運用到稠油注汽測量過程中，在線實時檢測蒸汽干度及蒸汽壓力等參數的變化，實現蒸汽干度的連續測量，以提高測量效率，及時反映注汽鍋爐的運行情況，同時降低工人的勞動強度。
1 氣體流量計簡介
氣體流量計具有壓力損失小、可靠、精度高及對前/后管段要求低等特點，既可以測量氣體又可以測量液體的體積流量。其主要組成部分是無縫鋼管、內部節流錐體以及錐體與鋼管的連接部分，錐體前端和錐體大節流處各有一個取壓口，來流方向為高壓取壓口（ 即錐體） ，另一個為低壓取壓口，試驗用氣體流量計的結構如圖1所示。

2 氣體流量計的測量原理
在流量計的應用中，直徑比是一個重要參數。對于氣體流量計而言，流體流經的空間為一個圓環，需將此圓環的面積等效為圓面積，此圓面積與圓環面積相等，因此氣體流量計的直徑比是一個等效直徑比。設管道內徑為D，節流錐體大節流處橫截面的直徑為d，則等效直徑比β的計算

式中s1———錐體大節流處橫截面積，mm2 ;
s2———管道內橫截面積，mm2。
根據連續性方程和伯努力方程推導出鍋爐給水量qv的計算式為:

由于在取壓口處測得的壓差是一個瞬時值，而式（ 2） 中的Δp是靜壓力。考慮氣體連接部件對壓差的影響，以便對壓差進行修正; 同時針對蒸汽這種可壓縮流體引入膨脹系數ε，對密度進行修正，經修正后得到流體體積流量的計算式為:

流出系數C 為實際流量與理論流量的比值，其計算式為:

3 蒸汽干度檢測系統
筆者設計的蒸汽干度檢測系統由氣體流量計、差壓變送器、壓力變送器、溫度傳感器、PLC 和PC機組成。該試驗在某采油廠熱注站進行，將現場工況檢測所得數據與實驗室流量計流量標定系統標定所得的氣體流量計測得的流量進行對比，二者的誤差在0.8%以內。熱注站有一臺額定蒸汽流量為23t 的注汽鍋爐，其額定壓力為17.5MPa，由于鍋爐使用年限已久，在實際應用中將高蒸汽流量設為18t/h，額定壓力設為16.5MPa。
給水被鍋爐加熱后成為濕蒸汽，其質量不變，但在出口處體積增加，由于出口處的蒸汽干度與蒸汽體積成正比，鍋爐給水流量、燃料供給壓力、燃燒器燃燒狀況及蒸汽壓力等參數均對蒸汽干度產生影響。在鍋爐給水入口和蒸汽出口處均安裝氣體流量計，通過對采油注汽鍋爐的蒸汽壓力、蒸汽溫度、鍋爐給水溫度、壓差和壓力這些參數的測量，結合以上各個參數得到蒸汽體積膨脹量，由PLC對以上測得的參數進行計算，得到注汽鍋爐的蒸汽干度，其關系式如下:

4 試驗過程
稠油開采注汽鍋爐蒸汽干度檢測系統的試驗裝置由注汽鍋爐、氣體流量計（ 檢測段） 、差壓變送器、壓力變送器、溫度傳感器、PLC及PC機等組成。檢測段為氣體流量計（內徑73mm，等效直徑比0.72） ，內部V 錐是節流裝置，整個檢測段安裝在注汽鍋爐的蒸汽出口處，與蒸汽管線串聯，檢測段共兩個引壓口，來流方向為高壓取壓端，另一個為低壓取壓端，蒸汽流經檢測段，壓力由檢測段引壓口導出。壓力變送器連接到檢測段高壓引壓口上，差壓變送器連接到兩個引壓口上，得到高壓取壓口與低壓取壓口的壓力差。連接過程需要注意高、低壓引壓端的連接方向，溫度傳感器安裝在檢測段前端管線處，壓力變送器、差壓變送器、溫度傳感器分別與PLC 和PC 機連接，將測得的信號輸入PLC，檢測段參數在程序中設置好，蒸汽體積流量由式（1） 、（4） 求出，將鍋爐給水流量、溫度、蒸汽壓力和檢測段壓差作為輸入量，以蒸汽干度作為輸出量。
注汽鍋爐產生的蒸汽經過鍋爐出口管線流經檢測段，在檢測段處通過壓力變送器和差壓變送器得到壓力與壓差，溫度由熱電偶測得。試驗所用鍋爐的蒸汽流量為18t/h，試驗過程中分別調節蒸汽流量為15、16、17、18t /h，油田為了提高采油效率，蒸汽干度一般控制在75%; 試驗過程中蒸汽干度由60%升至80%，每間隔約5% 作為一個干度監測點，由氣體流量計在取壓口測得對應干度下的壓力和溫度。
人工化驗法檢測蒸汽干度χ 的計算式為:

式中a、b———爐水與生水消耗硫酸的體積，mL。本試驗以人工化驗方法連續檢測得到的蒸汽干度作為參照，將參照值與筆者設計的氣體流量計檢測系統得到的干度值作對比，具體的對比曲線如圖2 所示，可以看出通過V 錐流量計檢測系統測得的蒸汽干度具有較好的準確性，其誤差在3%以內，可以實現較為的在線測量，得到蒸汽干度與蒸汽壓力的連續關系，及時反映蒸汽干度的變化情況和對應的蒸汽壓力。

圖2 蒸汽干度的人工化驗值與氣體流量計檢測值對比曲線
注汽鍋爐出口蒸汽干度與壓力的關系如圖3所示，蒸汽壓力對蒸汽干度的影響很大，蒸汽干度隨著壓力的升高而增大，對于不同的蒸汽流量都存在一個蒸汽壓力，在低于該壓力值的情況下，蒸汽干度隨蒸汽壓力的升高變化不大，超過此壓力值時蒸汽干度隨蒸汽壓力的升高增加很快。由于蒸汽干度較低時壓力也很低，干度對蒸汽的影響不明顯，曲線出現交叉; 隨著時間的推移，油井注汽量逐漸增大，井壓也隨之變化，導致不同蒸汽流量在相同壓力下具有相同的蒸汽干度。

圖3 蒸汽干度與蒸汽壓力的關系曲線
蒸汽流量對蒸汽干度的影響也很大，在相同壓力時，蒸汽流量越大蒸汽干度越低。當蒸汽干度相同時，對于不同的蒸汽流量，需要的蒸汽壓力也不相同; 對于同一蒸汽干度，蒸汽壓力隨蒸汽流量的升高而升高，注汽鍋爐的額定壓力決定了蒸汽流量。
由圖4 可以看出，在同一蒸汽流量下蒸汽干度與壓差成近似一次函數關系，蒸汽干度隨檢測段壓差的增大而增大，不同蒸汽流量下蒸汽干度與壓差形成的曲線為近似平行直線。將蒸汽干度以5%為間隔，從60%調節到80%，蒸汽壓差的變化范圍為7.08 ～ 12.04kPa，蒸汽流量每提高1t/h，在達到相同干度的情況下壓差變化相近。壓差與干度的這種對應關系對于估計蒸汽干度能提供一定的參考。

圖4 蒸汽干度與壓差的關系曲線
5 結束語
筆者設計的稠油開采注汽鍋爐蒸汽干度氣體流量計檢測系統已投入實際應用，能夠對注汽鍋爐的給水量和出口蒸汽流量進行實時、測量; 對影響蒸汽干度的蒸汽壓力、蒸汽流量及壓差等重要參數進行數值計算，通過調節參數，對于單一油井蒸汽干度實現了準確測量。蒸汽干度與氣體流量計測得的壓差具有近似的一次函數關系，在注汽鍋爐運行過程中對其壓力及壓差等參數進行實時監測與調節，保障注汽鍋爐的安全運行，對稠油開采的持續、穩定進行具有重要意義。