新型高压差迷宫式蒸汽流量调节阀的研究

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发布时间:2017年6月17日

稠油热采注蒸汽工艺对调节阀的基本要求是应能在小流量时具有较大的降压功能,而在大流量时能获得小的压降。现有蒸汽流量调节阀均难以在全行程范围内有效地调节蒸汽流量,且存在振动和冲蚀等问题。在分析国内外高压差流量调节阀的结构、工作原理及存在问题的基础上,研制成新型高压差迷宫式蒸汽流量调节阀。当调节阀开度百分率从0%到100%(行程不断变化)时,流量百分率从0%上升到100%;反之,则下降,整个行程近100mm可方便调节,且实现了高压差下的低流速。在阀门进口p进=9.4MPa,出口p出=3.2MPa时,实测阀门噪声70dB(普通调节阀噪声达到84dB以上),从根本上减轻了冲蚀和噪声。 

    关键词:注蒸汽流量 控制 调节阀 高压差 

    1、稠油热采注汽对流量调节阀的基本要求 

    稠油热力开采进入蒸汽驱开采以后,形成比较固定的注汽管网、蒸汽分配和计量的典型流程。稠油开发注蒸汽流程中至关重要的三个问题是蒸汽的分配、计量和调控。合理的蒸汽调控能实现科学注汽,提高热采的油汽比和原油的采收率,从而获得满意的经济效益。稠油热采有单井吞吐和汽驱两个阶段。在整个区块的热采全过程中,除初期只有单井吞吐外,一般是单井吞吐和汽驱同时进行。因此配汽站要同时给吞吐井和汽驱井配注。在新疆克拉玛依油田的热采现场,吞吐井压力高(5~10MPa), 注汽流量大(6~10t/h),而汽驱井注汽压力低(2~5MPa),注汽流量小(1.5~5t/h)。这就是说,分配器到各注汽井之间的压差大小不一,相差3MPa或更多,必须在分配器和注汽井之间增加一流动阻力环节来吸收剩余的压力。显然,这里使用的流量调节阀应能在小流量时具有较大的降压功能,而在大流量时具有小的压降。这就是稠油热采注汽工艺流程对调节阀的特殊要求。 

    2、现有蒸汽流量调节阀和高压差流量调节阀存在的问题 

    目前热采工艺流程中,为了降压,所使用的调节阀以极小开度工作,阀内蒸汽流速很高,可调性差,很难达到预定流量值。加之一个分配器对应多口注汽井,调节其中一口井的流量会影响其它井的流量,这又增加了流量调节的难度。胜利油田与西安高压阀门厂合作开发的JT65y250V型高压蒸汽调节截止阀的阻力件为活塞过孔式调节结构。根据热采现场运行测试数据绘制的流量百分率与开度百分率的关系曲线如图1。从曲线看出,开度从0%~10%时,流量百分数超过60%,调节灵敏度太大,阀门手轮一动,要么蒸汽流量过大,要么过小。而在10%开度以上时调节灵敏度又太低,在40%~100%开度范围内则无调节功能。因此难以在全行程范围内有效地调节蒸汽流量。同时阀门开度较小时,阀内的流体达到临界流速,随之引起振动和冲蚀等严重问题。

图1  JT65y250V型高压蒸汽调节截止阀流量百分率与开度百分率的关系曲线

图1  JT65y250V型高压蒸汽调节截止阀流量百分率与开度百分率的关系曲线

    西安交通大学的科研人员设计了GYY高压差调节阀(图2),实现了高压降,并使流量调节特性有所改善,但临界流速过高使得冲蚀、振动、噪声等问题更严重,不得不采用高强度、耐磨损材料。这样,不仅提高了阀门成本,而且流量随行程的变化率仍很大,调节特性并未得到明显改善。此外,临界流一般要求入口压力与背压之比大于2,这就限制了其应用范围。例如一些热采注汽井需要压力8~12MPa或更高,而锅炉的出口最大压力为18MPa,不可能形成临界流。在现场应用中,这种调节阀还不能有效地实现高温高压下大范围内的流量调节和压降调节,其流量调节主要取决于最后一级的通道面积。这种调节方法与普通阀门没有根本的区别,仍很难通过调节阀门开度来保证预计流量。现有高压差流量调节阀的一个共同特点是高压差必然导致高流速,而高流速又带来振动、冲蚀、噪声等严重问题。如何解决这些问题是摆在科技人员面前的一项重要研究课题。

图2  GYY高压差调节阀

图2  GYY高压差调节阀

    3、新型高压差迷宫式蒸汽流量调节阀的研制 

    国外在调节阀的研究方面提出了一些有价值的设计思想和方法。图3为美国设计的一种调节阀的可变流阻阀心。与普通阀门的不同之处在于,其流通面积随行程变化,而且阀门的节流级数、阻力系数也随行程变大而减小,即流通面积变量与阻力系数成反比变化。因而此阀心在许多流程的控制系统中可修正自然压降的偏差,实现小流量大压降或大流量小压降,获得宽广的固有调节幅度。此外,采用多级压降、曲折流道使流速降低而具有低噪声特点。实际流体可通过的流道数量与阀门开度成正比,即阀门的行程刚开始时,只有一个流道露出,而开度接近100%时,露出的流道数最大,阀心处于如图的位置时,涂黑部分才是实际流道。但却引起另外一些问题,如节流件采用垂直弯头的顺―顺连接(或逆―逆连接,即正向直角弯头)而限制了流阻系数;密封性较差,漏失严重,工艺复杂,加工成本高,因而这种阀门未出现在美国国内市场上。

图3  美国设计的可变流阻阀心

图3  美国设计的可变流阻阀心

    综上所述,稠油热采注蒸汽工艺流程需要的是一种高压差调节阀,除适应高温、高压的汽水两相流介质外,还将遇到高压差、宽调节范围、振动、冲蚀等特殊问题。为此,新疆石油管理局采油工艺研究院与清华大学核能技术设计研究院开展了联合攻关,其指导思想是尽可能地增大阀门的阻力系数, 实现低流速下的高压差,从根本上缓解了冲蚀和噪声,得到了良好的调节性能和宽广的固有流量调节幅度。新设计的迷宫式流量调节阀(已申报国家专利,其阀心结构见图4)在克拉玛依红浅热采稠油区进行了现场试验,测量结果见图5 。

图4   迷宫式流量调节阀阀心

图4   迷宫式流量调节阀阀心

图5  流量百分率与开度百分率关系曲线

图5  流量百分率与开度百分率关系曲线

    改变阀门开度时,流量变化平缓、稳定。当开度百分率从0%到100%(行程不断变化)时,流量百分率从0%上升到100%。反之,则下降,整个行程近100mm可方便调节。由图5中曲线可看出阀门开度百分率与流量百分率近似成线性关系,所以易于调节,且阀门实现了高压差下的低流速。在阀门进口p进=9.4MPa,出口p出=3.2MPa时,实测阀门(距阀门30cm)噪声70dB(普通调节阀噪声达到84dB以上),表明这种迷宫式流量调节阀具有良好的推广应用前景和巨大的经济效益。