1.稠油熱采注汽對流量調(diào)節(jié)閥的基本要求
稠油熱力開采進(jìn)入蒸汽驅(qū)開采以后，形成比較固定的注汽管網(wǎng)、蒸汽分配和計量的典型流程。稠油開發(fā)注蒸汽流程中至關(guān)重要的三個問題是蒸汽的分配、計量和調(diào)控。合理的蒸汽調(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，從而獲得滿意的經(jīng)濟(jì)效益。稠油熱采有單井吞吐和汽驅(qū)兩個階段。在整個區(qū)塊的熱采全過程中，除初期只有單井吞吐外，一般是單井吞吐和汽驅(qū)同時進(jìn)行。因此配汽站要同時給吞吐井和汽驅(qū)井配注。在新疆克拉瑪依油田的熱采現(xiàn)場，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，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阻力環(huán)節(jié)來吸收剩余的壓力。顯然，這里使用的流量調(diào)節(jié)閥應(yīng)能在小流量時具有較大的降壓功能，而在大流量時具有小的壓降。這就是稠油熱采注汽工藝流程對調(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。加之一個分配器對應(yīng)多口注汽井，調(diào)節(jié)其中一口井的流量會影響其它井的流量，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廠合作開發(fā)的JT65y250V型高壓蒸汽調(diào)節(jié)截止閥的阻力件為活塞過孔式調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。根據(jù)熱采現(xiàn)場運(yùn)行測試數(shù)據(jù)繪制的流量百分率與開度百分率的關(guān)系曲線如圖1。從曲線看出，開度從0%～10%時，流量百分?jǐn)?shù)超過60%，調(diào)節(jié)靈敏度太大，閥門手輪一動，要么蒸汽流量過大，要么過小。而在10%開度以上時調(diào)節(jié)靈敏度又太低，在40%～開度范圍內(nèi)則無調(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。同時閥門開度較小時，閥內(nèi)的流體達(dá)到臨界流速，隨之引起振動和沖蝕等嚴(yán)重問題。
西安交通大學(xué)的科研人員設(shè)計了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，但臨界流速過高使得沖蝕、振動、噪聲等問題更嚴(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zui大壓力為18MPa，不可能形成臨界流。在現(xiàn)場應(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zui后一級的通道面積。這種調(diào)節(jié)方法與普通閥門沒有根本的區(qū)別，仍很難通過調(diào)節(jié)閥門開度來保證預(yù)計流量?，F(xiàn)有高壓差流量調(diào)節(jié)閥的一個共同特點(diǎn)是高壓差必然導(dǎo)致高流速，而高流速又帶來振動、沖蝕、噪聲等嚴(yán)重問題。如何解決這些問題是擺在科技人員面前的一項(xiàng)重要研究課題。
3.新型高壓差迷宮式蒸汽流量調(diào)節(jié)閥的研制
國外在調(diào)節(jié)閥的研究方面提出了一些有價值的設(shè)計思想和方法。圖3為美國設(shè)計的一種調(diào)節(jié)閥的可變流阻閥心。與普通閥門的不同之處在于，其流通面積隨行程變化，而且閥門的節(jié)流級數(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)際流體可通過的流道數(shù)量與閥門開度成正比，即閥門的行程剛開始時，只有一個流道露出，而開度接近時，露出的流道數(shù)zui大，閥心處于如圖的位置時，涂黑部分才是實(shí)際流道。但卻引起另外一些問題，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，因而這種閥門未出現(xiàn)在美國國內(nèi)市場上。
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、沖蝕等特殊問題。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)計研究院開展了聯(lián)合攻關(guān)，其指導(dǎo)思想是盡可能地增大閥門的阻力系數(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)計的迷宮式流量調(diào)節(jié)閥(已申報國家，其閥心結(jié)構(gòu)見圖4)在克拉瑪依紅淺熱采稠油區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，測量結(jié)果見圖5 。
改變閥門開度時，流量變化平緩、穩(wěn)定。當(dāng)開度百分率從0%到(行程不斷變化)時，流量百分率從0%上升到。反之，則下降，整個行程近100mm可方便調(diào)節(jié)。由圖5中曲線可看出閥門開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)，且閥門實(shí)現(xiàn)了高壓差下的低流速。在閥門進(jìn)口p進(jìn)=9.4MPa，出口p出=3.2MPa時，實(shí)測閥門(距閥門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。
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