新型高壓差迷宮式蒸汽流量調(diào)節(jié)閥的研究

    關(guān)鍵詞：注蒸汽流量　控制　調(diào)節(jié)閥　高壓差 

    1、稠油熱采注汽對(duì)流量調(diào)節(jié)閥的基本要求 

   稠油熱力開(kāi)采進(jìn)入蒸汽驅(qū)開(kāi)采以后，形成比較固定的注汽管網(wǎng)、蒸汽分配和計(jì)量的典型流程。稠油開(kāi)發(fā)注蒸汽流程中至關(guān)重要的三個(gè)問(wèn)題是蒸汽的分配、計(jì)量和調(diào)控。??理的蒸汽調(diào)控能實(shí)現(xiàn)科學(xué)注汽，提高熱采的油汽比和原油的采收率，從而獲得滿(mǎn)意的經(jīng)濟(jì)效益。稠油熱采有單井吞吐和汽驅(qū)兩個(gè)階段。在整個(gè)區(qū)塊的熱采全過(guò)程中，除初期只有單井吞吐外，一般是單井吞吐和汽驅(qū)同時(shí)進(jìn)行。因此配汽站要同時(shí)給吞吐井和汽驅(qū)井配注。在新疆克拉瑪依油田的熱采現(xiàn)場(chǎng)，吞吐井壓力高（5～10MPa），注汽流量大（6～10t/h），而汽驅(qū)井注汽壓力低（2～5MPa），注汽流量小（1.5～5t/h）。這就是說(shuō)，分配器到各注汽井之間的壓差大小不一，相差3MPa或更多，必須在分配器和注汽井之間增加**動(dòng)阻力環(huán)節(jié)來(lái)吸收剩余的壓力。顯然，這里使用的流量調(diào)節(jié)閥應(yīng)能在小流量時(shí)具有較大的降壓功能，而在大流量時(shí)具有小的壓降。這就是稠油熱采注汽工藝流程對(duì)調(diào)節(jié)閥的特殊要求。 

   2、現(xiàn)有蒸汽流量調(diào)節(jié)閥和高壓差流量調(diào)節(jié)閥存在的問(wèn)題 

   目前熱采工藝流程中，為了降壓，所使用的調(diào)節(jié)閥以極小開(kāi)度工作，閥內(nèi)蒸汽流速很高，可調(diào)性差，很難達(dá)到預(yù)定流量值。加之一個(gè)分配器對(duì)應(yīng)多口注汽井，調(diào)節(jié)其中一口井的流量會(huì)影響其它井的流量，這又增加了流量調(diào)節(jié)的難度。勝利油田與西安高壓閥門(mén)廠合作開(kāi)發(fā)的JT65y250V型高壓蒸汽調(diào)節(jié)截止閥的阻力件為活塞過(guò)孔式調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。根據(jù)熱采現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)繪制的流量百分率與開(kāi)度百分率的關(guān)系曲線如圖1。從曲線看出，開(kāi)度從0％～10％時(shí)，流量百分?jǐn)?shù)超過(guò)60％，調(diào)節(jié)靈敏度太大，閥門(mén)手輪一動(dòng)，要么蒸汽流量過(guò)大，要么過(guò)小。而在10％開(kāi)度以上時(shí)調(diào)節(jié)靈敏度又太低，在40％～100％開(kāi)度范圍內(nèi)則無(wú)調(diào)節(jié)功能。因此難以在全行程范圍內(nèi)有效地調(diào)節(jié)蒸汽流量。同時(shí)閥門(mén)開(kāi)度較小時(shí)，閥內(nèi)的流體達(dá)到臨界流速，隨之引起振動(dòng)和沖蝕等嚴(yán)重問(wèn)題。

圖1  JT65y250V型高壓蒸汽調(diào)節(jié)截止閥流量百分率與開(kāi)度百分率的關(guān)系曲線

   西安交通大學(xué)的科研人員設(shè)計(jì)了GYY高壓差調(diào)節(jié)閥（圖2），實(shí)現(xiàn)了高壓降，并使流量調(diào)節(jié)特性有所改善，但臨界流速過(guò)高使得沖蝕、振動(dòng)、噪聲等問(wèn)題更嚴(yán)重，不得不采用高強(qiáng)度、耐磨損材料。這樣，不僅提高了閥門(mén)成本，而且流量隨行程的變化率仍很大，調(diào)節(jié)特性并未得到明顯改善。此外，臨界流一般要求入口壓力與背壓之比大于2，這就限制了其應(yīng)用范圍。例如一些熱采注汽井需要壓力8～12MPa或更高，而鍋爐的出口*大壓力為18MPa，不可能形成臨界流。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，這種調(diào)節(jié)閥還不能有效地實(shí)現(xiàn)高溫高壓下大范圍內(nèi)的流量調(diào)節(jié)和壓降調(diào)節(jié)，其流量調(diào)節(jié)主要取決于*后**的通道面積。這種調(diào)節(jié)方法與普通閥門(mén)沒(méi)有根本的區(qū)別，仍很難通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度來(lái)保證預(yù)計(jì)流量。現(xiàn)有高壓差流量調(diào)節(jié)閥的一個(gè)共同特點(diǎn)是高壓差必然導(dǎo)致高流速，而高流速又帶來(lái)振動(dòng)、沖蝕、噪聲等嚴(yán)重問(wèn)題。如何解決這些問(wèn)題是擺在科技人員面前的一項(xiàng)重要研究課題。

圖2  GYY高壓差調(diào)節(jié)閥

    3、新型高壓差迷宮式蒸汽流量調(diào)節(jié)閥的研制 

   國(guó)外在調(diào)節(jié)閥的研究方面提出了一些有價(jià)值的設(shè)計(jì)思想和方法。圖3為美國(guó)設(shè)計(jì)的一種調(diào)節(jié)閥的可變流阻閥心。與普通閥門(mén)的不同之處在于，其流通面積隨行程變化，而且閥門(mén)的節(jié)流級(jí)數(shù)、阻力系數(shù)也隨行程變大而減小，即流通面積變量與阻力系數(shù)成反比變化。因而此閥心在許多流程的控制系統(tǒng)中可修正自然壓降的偏差，實(shí)現(xiàn)小流量大壓降或大流量小壓降，獲得寬廣的固有調(diào)節(jié)幅度。此外，采用多級(jí)壓降、曲折流道使流速降低而具有低噪聲特點(diǎn)。實(shí)際流體可通過(guò)的流道數(shù)量與閥門(mén)開(kāi)度成正比，即閥門(mén)的行程剛開(kāi)始時(shí)，只有一個(gè)流道露出，而開(kāi)度接近100％時(shí)，露出的流道數(shù)*大，閥心處于如圖的位置時(shí)，涂黑部分才是實(shí)際流道。但卻引起另外一些問(wèn)題，如節(jié)流件采用垂直彎頭的順―順連接（或逆―逆連接，即正向直角彎頭）而限制了流阻系數(shù)；密封性較差，漏失嚴(yán)重，工藝復(fù)雜，加工成本高，因而這種閥門(mén)未出現(xiàn)在美國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上。

圖3  美國(guó)設(shè)計(jì)的可變流阻閥心

   綜上所述，稠油熱采注蒸汽工藝流程需要的是一種高壓差調(diào)節(jié)閥，除適應(yīng)高溫、高壓的汽水兩相流介質(zhì)外，還將遇到高壓差、寬調(diào)節(jié)范圍、振動(dòng)、沖蝕等特殊問(wèn)題。為此，新疆石油管理局采油工藝研究院與清華大學(xué)核能技術(shù)設(shè)計(jì)研究院開(kāi)展了聯(lián)合攻關(guān)，其指導(dǎo)思想是盡可能地增大閥門(mén)的阻力系數(shù)，實(shí)現(xiàn)低流速下的高壓差，從根本上緩解了沖蝕和噪聲，得到了良好的調(diào)節(jié)性能和寬廣的固有流量調(diào)節(jié)幅度。新設(shè)計(jì)的迷宮式流量調(diào)節(jié)閥（已申報(bào)國(guó)家**，其閥心結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4）在克拉瑪依紅淺熱采稠油區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖4   迷宮式流量調(diào)節(jié)閥閥心

圖5  流量百分率與開(kāi)度百分率關(guān)系曲線

   改變閥門(mén)開(kāi)度時(shí)，流量變化平緩、穩(wěn)定。當(dāng)開(kāi)度百分率從0％到100％（行程不斷變化）時(shí)，流量百分率從0％上升到100％。反之，則下降，整個(gè)行程近100mm可方便調(diào)節(jié)。由圖5中曲線可看出閥門(mén)開(kāi)度百分率與流量百分率近似成線性關(guān)系，所以易于調(diào)節(jié)，且閥門(mén)實(shí)現(xiàn)了高壓差下的低流速。在閥門(mén)進(jìn)口p進(jìn)=9.4MPa，出口p出=3.2MPa時(shí)，實(shí)測(cè)閥門(mén)（距閥門(mén)30cm）噪聲70dB（普通調(diào)節(jié)閥噪聲達(dá)到84dB以上），表明這種迷宮式流量調(diào)節(jié)閥具有良好的推廣應(yīng)用前景和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。