УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НАСЫЩЕННОГО ВОДЯНОГО ПАРА В ПАРОПРОВОДЕ
DEVICE FOR DETERMINING THERMODYNAMIC PARAMETERS OF SATURATED WATER STEAM IN A STEAM LINE

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для автоматизированного периодического замера параметров влажного насыщенного водяного пара в паропроводе - давления, температуры и сухости, транспортируемого по паропроводам от мобильного парогенератора к паронагнетательным скважинам.
Известно устройство для определения степени сухости, энтальпии, массового и теплового расхода влажного пара, содержащее паропровод с измерителем статического давления и двумя измерителями расходных параметров потока, один из которых избирателен к параметрам паровой фазы, например, направленная по потоку трубка Пито, а другой избирателен к параметрам паровой и жидкой фаз потока, например направленная навстречу потоку трубка Пито, контроллер для обработки и хранения сигналов измерителей с подключенными выходами измерителей, турбулизатор потока, участок постоянного сечения потока, расположенный за турбулизатором, содержащий приемники всех измерителей, причем устройство также содержит узел отбора пробы пара и модуль определения опорных значений степени сухости, подключенный к узлу отбора пробы пара и к контроллеру(RU 2522144, 2012).
К недостаткам известного устройства относятся косвенное определение искомых параметров, а также наличие силы сопротивления потоку пара в паропроводе за счет применения турбулизатора, сужающего проходное сечение, что отражается на точности определения.
Известен измеритель степени сухости пара, содержащий паропровод, входной патрубок, пароперегреватель с электронагревателем, канал измерения температуры, включенный в систему автоматического регулирования, и канал измерения давления, при этом выход пароперегревателя через выходной патрубок соединен с паропроводом, а цепь питания электронагревателя и цепи управления клапанами подключены к системе автоматического регулирования (RU 2568050, 2014).
К числу существенных недостатков указанного решения является необходимость подведения электроэнергии большой мощности, а также сложная теплоизоляция измерительной емкости с большим давлением от паропровода.
Известно устройство для контроля степени сухости, энтальпии, теплового и массового расходов потока влажного пара, содержащее паропровод, цилиндр зонда с трубкой и приемником давления со стороны движения потока, с трубкой и приемником статического давления и с трубкой и приемником давления в сторону движения потока, измеритель перепада давления между трубкой давления со стороны движения потока и трубкой статического давления, измеритель статического давления в трубке статического давления, измеритель перепада давления между трубкой статического давления и трубкой давления в сторону движения потока, контроллер для вычисления массового расхода и степени сухости (RU 2521237, 2012).
К недостаткам указанного устройства относятся следующие: приемник давления со стороны движения потока, приемник статического давления и приемник давления в сторону движения потока расположены в помещенном в паропровод цилиндре зонда. Характер обтекания цилиндра зонда потоком влажного пара определяет существенное локальное искажение течения потока пара, как в зоне приемника давления со стороны движения потока, так и в зоне приемника статического давления, и в зоне приемника давления в сторону движения потока, что обуславливает соответствующую этим локальным искажениям погрешность определения массового расхода и степени сухости влажного пара.
Также известно устройство для удаленного онлайн-измерения сухости и расхода влажного пара, включающее установленный в паропроводе датчик расхода вихревого потока, схемы сбора данных с датчика расхода вихревого потока, цифрового дисплея, блока передачи сигналов, датчик температуры, датчик расхода и диафрагменный датчик потока (CN 202471133 U, 2012).
Известное устройство может использоваться для удаленного, оперативного и точного измерения параметров сухости и расхода влажного насыщенного пара в трубопроводе нагнетания сгущенного нефтяного пара и может в режиме реального времени давать инструкции по нагнетанию сгущенного нефтяного пара.
При этом измерение сухости пара не производится, а осуществляется измерение температуры и расхода косвенным вихревым методом. На основании этих параметров, теоретически, может быть вычислена и сухость пара, но такие вычисления могут дать некорректные результаты при изменении режима работы паропровода, либо изменении его шероховатости во времени, изменению минерального состава капельной воды.
Таким образом, указанное устройство основано не на измерении энтальпии либо сухости пара, а предусматривает вычисление этих параметров на основании косвенных измерений.
Из известных решений наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство для определения сухости потока влажного пара в паропроводе, содержащее датчик давления, узел отбора проб и термостатированный сосуд, снабженный датчиком температуры и двумя трубками, одна из которых подключена к узлу отбора проб, а другая через вентиль подсоединена к мерному стакану (RU 2046328, 1992).
К числу существенных недостатков известного решения относятся следующие:
• ручное измерение параметров,
• ручные манипуляции установки мерного стакана под трубку, связывающую сосуд с мерным стаканом,
• отсутствие контроля процесса конденсации пара, что может привести к переполнению сосуда паром и вытеснению всей воды,
• сложность подготовки устройства к следующему измерению,
• повышенный риск опасности при работе с паропроводами.
Перечисленные недостатки снижают точность определения параметров влажного пара.
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение точности определения параметров влажного пара и обеспечение безопасности работы.
Указанная проблема решается тем, что устройство для определения термодинамических параметров насыщенного водяного пара в паропроводе содержит пароотборную трубку с установленным на ней регулируемым пробоотборным вентилем, верхний конец которой, размещенный на уровне оси паропровода, перфорирован по высоте, а нижний конец, выполненный в виде гофрированной трубки, уложенный в форме змеевика с углом наклона каждого витка не менее 5 градусов, расположен в емкости для конденсации пара, на нижнем торце которой размещен дренажный вентиль, а на ее верхнем торце установлен измерительный сосуд с входным и выходным патрубками, выходной патрубок измерительного сосуда подсоединен к компрессору и через дыхательную трубку с установленным на ней запорным клапаном сообщается с емкостью для охлаждения, которая гидравлически связана посредством перепускной трубки с измерительным сосудом и емкостью для конденсации пара, при этом регулируемый пробоотборный вентиль, установленный на пароотборной трубке, подключен к сервоприводу, емкость для конденсации пара и измерительный сосуд снабжены датчиком гидростатического давления и системой датчиков температуры воды, установленных по высоте емкости для конденсации пара, в измерительном сосуде и в его входном и выходном патрубках, а емкость для конденсации пара и измерительный сосуд размещены в термостатирующей рубашке. При этом участок пароотборной трубки между регулируемым пробоотборным вентилем и точкой ввода ее в емкость для конденсации пара выполнен из материала с низкой теплопроводностью.
Достигаемый технический результат заключается в обеспечении отбора репрезентативной пробы и полной конденсации пара в процессе отбора пробы, снижения давления и температуры отбираемой пробы и поддержания на всех циклах измерения давления в пределах атмосферного и температуры не выше 85°С.
Сущность устройства поясняется чертежом, на котором приведена принципиальная схема предлагаемого устройства.
Предлагаемое устройство для определения термодинамических параметров насыщенного водяного пара в паропроводе содержит размещенную во врезке 1 в паропровод пароотборную трубку 2.
Врезка 1 в паропровод осуществляется непосредственно возле устья паронагнетательной скважины нефтяных месторождений, где применяется тепловое воздействие на пласт. Диаметр трубы врезки 1 равен диаметру паропровода, врезка не оказывает сопротивления потоку пара.
Отбор представительной пробы влажного насыщенного пара требует турбулизации потока, для обеспечения которой целесообразно устанавливать устройство в восходящем участке паропровода или после поворота паропровода. Эти условия выполняются непосредственно перед устьевой арматурой паронагнетательной скважины, где и предполагается установка прибора.
Верхний конец пароотборной трубки 2 размещен на уровне оси врезки 1 и перфорирован по высоте в трех точках (на фигуре отверстия не обозначены). Первое отверстие выполнено по центру паропровода, второе - у внутренней стенки врезки 1 в паропровод, третье - между ними. Такое расположение отверстий обеспечивает отбор представительной пробы пара.
На пароотборной трубке 2 установлен регулируемый пробоотборный вентиль 3, приводимый в движение сервоприводом 4.
Нижний конец пароотборной трубки расположен в емкости для конденсации пара 5 и выполнен в виде гофрированной трубки 6, уложенной в форме змеевика с углом наклона каждого витка не менее пяти градусов. Выбор угла наклона укладки витков не менее пяти градусов обусловлен тем, чтобы при штатной вертикальной установке прибора можно было полностью слить из прибора воду. В противном случае прибор может быть поврежден при отрицательной температуре окружающей среды (при хранении, транспортировке или при отключенном паропроводе).
На нижнем торце емкости 5 имеется дренажная линия 7 с вентилем для слива 8, выполненным, например, в виде управляемого шарового крана. На верхнем торце емкости 5 установлены последовательно снизу вверх: нижний патрубок 9 измерительный сосуда 10 и его верхний патрубок 11.
Верхний патрубок 11 измерительного сосуда 10 подсоединен к компрессору 12 трубкой 13, которая через установленный на ней запорный клапан 14 соединена посредством дыхательной трубки 15 с емкостью для охлаждения 16.
Емкость для охлаждения 16 гидравлически связана посредством перепускной трубки 17 с емкостью для конденсации пара 5.
Емкость для конденсации пара 5 и измерительный сосуд 10 снабжены датчиком гидростатического давления 18 и системой датчиков температуры воды 19, установленных равномерно по высоте емкости для конденсации пара 5, в измерительном сосуде 10 и в патрубках 9 и 11.
Участок 20 пароотборной трубки 2 между регулируемым пробоотборным вентилем 3 и змеевиком 6 выполнен из материала с низкой теплопроводностью, например, из керамики, что обеспечивает снижение теплопередачи между паропроводом (температура которого может превышать 300°С) и емкостью для конденсации пара 5 (температура в которой не должна превышать 90°С). Также из материала с низкой теплопроводностью выполнены трубки 7, 13 и 17, что обеспечивает уменьшение теплопотерь измерительной емкости.
Емкость для конденсации пара 5 и измерительный сосуд 10 размещены в термостатирующей рубашке 21 (контур рубашки показан на чертеже пунктирной линией). Врезка 1 в паропровод теплоизолирована (теплоизоляция на фигуре не показана), что обеспечивает защиту элементов и корпуса прибора от высокой температуры пара в паропроводе. Позицией 22 обозначены фланцы для закрепления врезки 1 в паропровод.
Давление и температура во врезке 1 в паропровод контролируются, соответственно, датчиками 23 и 24.
Устройство работает следующим образом.
Пар движется по врезке 1 паропровода по направлению стрелки (на фигуре слева направо). Проба пара поступает по пароотборной трубке 2 через вентиль 3 за счет высокого давления в паропроводе и практически атмосферного давления внутри емкостей прибора, которое обеспечивается дыхательным отверстием (на фигуре отверстие не обозначено) в емкости для охлаждения 16. Нормальное положение запорного клапана 14 является открытым, а дренажного вентиля 8 - закрытым.
Скорость отбора пробы пара пароотборной трубкой 2 задается на основе разработанного алгоритма управления сервоприводом 4 пробоотборного вентиля 3. Положение вентиля плавно 3 регулируется от полностью отрытого до полностью закрытого состояния по текущему уровню воды и скорости его изменения в измерительном сосуде 10. Уровень воды определяется по показаниям датчика давления 18.
Форма и размер проходного сечения пробоотборного вентиля 3, характеристики (вращающий момент и скорость вращения выходного вала) сервопривода 4, размеры гофрированной конденсационной трубки 6 и форма укладки ее в виде змеевика, а также алгоритм отбора пробы пара подбирают, исходя из обеспечения условия полной конденсации пробы пара до его выхода из нижнего конца трубки 6 в емкость 5.
Процесс конденсации пара был смоделирован в симуляторе с использованием программного обеспечения Ansys.
Перед отбором пробы в течение заданного времени (например, в течение одной минуты) проводится несколько последовательных измерений уровня датчиком 18 и температуры системой датчиков 19. Если уровень находится вне пределов нижнего патрубка 9, то лишнюю воду либо сливают через дренажный вентиль 8, либо добавляют недостающую воду из паропровода через пробоотборный вентиль 3. В последнем случае может потребоваться цикл охлаждения.
При достижении стабильности параметров (температуры и уровня) прибор фиксирует начальную температуру и уровень, после чего начинают открывать вентиль 3 до тех пор, пока растущий уровень воды не достигнет середины высоты измерительного сосуда 10. При достижении указанной середины вентиль 3 начинают вращать в сторону закрывания. Когда измерительный сосуд 10 полностью заполнится и уровень воды достигнет верхнего патрубка 11, вентиль 3 закрывается полностью. Условием окончания отбора пробы является стабилизация уровня воды в верхнем патрубке 11.
В алгоритме работы устройства предусмотрены аварийные условия прерывания отбора пробы - по росту температуры в емкости для конденсации пара 5 выше допустимой (выше 85°С), или при превышении допустимого времени отбора пробы (более 10 минут).
После окончания отбора пробы пара проводят несколько измерений уровня и температуры, результат измерений в течение некоторого времени (например, одна минута) усредняется, вычисляется сухость пара.
Степень сухости пара вычисляют по формуле:
s
pm.1
где: h, h' - удельная энтальпия пара и кипящей воды при давлении в паропроводе, Дж/кг; t - температура кипения (насыщения) воды (°С) при заданном давлении Р; c - удельная изобарная теплоемкость воды при параметрах насыщения, Дж/(кг⋅К); r - скрытая теплота парообразования.
Удельная энтальпия h (Дж) влажного насыщенного пара определяется по формуле:
1
2
G G - масса воды в приборе до и после отбора пробы.
1
2
t t - температура воды в приборе до и после отбора пробы.
pm1
pm2
c c - удельные изобарные теплоемкости воды до и после отбора пробы.
Давление и температура пара в паропроводе непрерывно контролируются датчиком давления 23 и датчиком температуры 24. Теплоемкость, скрытая теплота парообразования и прочие параметры воды и пара определяются из термодинамических таблиц состояния воды - «IAPWS Industrial Formulation for the Thermodynamic Properties of Water and Steam».
Измерение объема и расчет массы отобранной пробы пара осуществляется по увеличению уровня жидкости, определяемому датчиком давления 18. Применение метода замера начального и конечного уровня воды в нижнем 9 и верхнем 11 патрубках малого диаметра, между которыми установлен измерительный сосуд 10 более большого диаметра, позволяет достичь высокой точности при небольшой высоте прибора.
Система цифровых датчиков температуры 19 фиксирует начальную и конечную температуру воды в системе. Применение нескольких датчиков температуры, установленных в разных частях емкости для конденсации пара 5 и измерительном сосуде 10, за счет осреднения показаний повышают точность замера изменения температуры.
Емкость для конденсации пара 5, измерительный сосуд 10 с патрубками 9 и 11 размещены в термостатирующей рубашке 21. Трубки 7, 13, 17 и 20 изготовлены из материала с низкой теплопроводностью, что снижает теплообмен между измерительной частью прибора, окружающей средой и паропроводом. Указанные особенности конструкции позволяют увеличить точность замера изменения температуры в емкостях прибора, вызванной именно процессом отбора пробы пара.
Для следующего цикла измерения термодинамических параметров насыщенного водяного пара вода в емкости для конденсации пара 5 должна быть охлаждена.
Охлаждение реализовано следующим образом.
Перекрывают запорный клапан 14 и включают компрессор 12, за счет роста давления воздуха вода из емкостей 10 и 5 вытесняется по трубке 17 в емкость для охлаждения 16. Вода останется в емкости для охлаждения 16 до момента, пока не будет открыт запорный клапан 14.
Использование компрессора 12 для вытеснения воды воздухом в емкость 16 является оптимальным решением по сравнению с другими вариантами реализации охлаждения воды. После охлаждения воды запорный клапан 14 открывают, давление воздуха в емкостях 5 и 10 снижается, так как воздух переходит в емкость для охлаждения 16 по дыхательной трубке 15, вода сливается из емкости 16 обратно в емкость 5 по трубке 17.
Излишки воды, равные объему отобранной пробы, сливаются на грунт (это допустимо, так как в паропроводах движется вода, близкая к дистиллированной) через трубку 7 при открывании дренажного вентиля 8. При сливе воды датчиком давления 18 контролируется ее уровень. Дренаж останавливается (вентиль 8 закрывают), когда уровень воды достигнет начального положения - примерно в середине высоты патрубка 9.
Для нормальной работы прибора емкость 5 всегда должна быть заполнена водой, но при опасности замерзания (при условии отрицательной температуры окружающей среды и отсутствии пара в паропроводе) устройство автоматически сливает всю воду, открыв дренажный вентиль 8. Правильное вертикальное положение прибора - как при начальной установке, так и при работе - проверяется встроенным цифровым акселерометром (на схеме не показан).
Устройство не нуждается во внешнем электропитании, так как генерирует электроэнергию за счет тепла трубы паропровода (на фигуре это решение не показано). Это удобно для применения с мобильными парогенераторами, так как не требуется перепрокладка электропроводки при перемещении на другие скважины.
Конструкция устройства и алгоритмы управления обеспечивают автоматический дренаж и перевод кранов устройства в положение, обеспечивающее сохранность прибора в зимний период при отключении подачи пара по паропроводу. В приборе не останется воды, которая могла бы замерзнуть и повредить прибор. При возобновлении подачи пара устройство перейдет в рабочий режим.
Устройство рассчитано на применение в паропроводах при давлении пара до 10 МПа, температуре пара до 320°С, для расхода пара не ниже 0.5 кг/мин, верхний предел расхода пара ограничен пропускной способностью паропровода. Прибор измеряет сухость влажного насыщенного пара в диапазоне от 0 до 100%, при нахождении в паропроводе воды или перегретого пара (однофазных систем) измерение сухости не производится, так как не имеет смысла.
Устройство работает автономно в составе измерительного комплекса из нескольких таких устройств, не нуждается во внешнем электропитании и какой-либо внешней жидкости, разработано специально для применения с мобильными парогенераторами. Управление работой прибора и передача результатов измерений осуществляется по радиоканалу, что обеспечивает удобство использования прибора на нефтяных месторождениях, в том числе совместно с мобильными парогенераторами.