注汽锅炉出口的蒸汽热力参数的计算方法及其装置制造方法及图纸

本申请公开一种地面输气管线锅炉出口的蒸汽热力参数的计算方法及其装置，所述计算方法包括：获取计算参数，所述计算参数包括：注汽井口蒸汽温度、干度，地面管线参数，地面管线外环境参数；根据所述计算参数，迭代计算注汽锅炉出口至注汽井口蒸汽的热损失量；忽略地面管线内压力、重力变化的条件下根据能量平衡定律建立能量控制方程，确定注汽锅炉出口处蒸汽的干度。

【技术实现步骤摘要】
注汽锅炉出口的蒸汽热力参数的计算方法及其装置
本专利技术涉及石油开采领域中的稠油热采领域，特别涉及一种地面输气管线的注汽锅炉出口的蒸汽热力参数的计算方法及其装置。
技术介绍
稠油是指地层条件下粘度大于50mp·s(毫帕·秒)，或油层温度下脱气原油粘度为1000至10000mp·s的高粘度重质原油。由于稠油粘度大，因此流动性能较差，甚至在某些油层条件下不能流动，给稠油的开采带来了困难。在油田的石油开采中，由于稠油具有特殊的高粘度和高凝固点的特性，在储层和井筒中流动性差，常规开采采收率低，即无法保证正常的经济产量。为了保证合理的采收率，往往通过降低原油的粘度来采油。注蒸汽热力开采稠油技术可以降低稠油黏度，改善流度比，降低残余油饱和度，提高驱油效率。注蒸汽热力开采稠油技术所用的高温高压蒸汽是在注汽站中产生，然后通过地面管线输送至井口，再由井口通过井筒注入地层。蒸汽在运移过程中不可避免存在热量损失，为了保证到达井底蒸汽保留较高的干度，达到较好的注汽效果，注汽锅炉出口蒸汽热力参数的设计至关重要。现有方法均是以注汽锅炉出口为起点计算井口蒸汽参数，进而计算蒸汽到达井底时热力学参数，本专利技术提供了一种已知井口蒸汽所需的压力、温度、干度以及注汽速率，预算实现该井口蒸汽参数条件下，锅炉出口蒸汽需要达到的压力、温度、干度，并计算在注汽过程中整个地面管线的蒸汽参数的变化，为锅炉蒸汽注入参数设计提供可靠依据。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种地面输气管线的注汽锅炉出口的蒸汽热力参数的计算方法及其装置，以能够确定注汽锅炉出口的蒸汽热力参数，从而为锅炉蒸汽注入参数设计提供可靠依据。为达到上述目的，本专利技术提供一种注汽锅炉出口的蒸汽热力参数的计算方法，包括：获取计算参数，所述计算参数包括：注汽井口蒸汽压力、温度、干度，地面管线参数，地面管线外环境参数；根据所述计算参数，迭代计算注汽锅炉出口至注汽井口蒸汽的热损失量；忽略地面管线内压力、重力变化的条件下根据能量平衡定律建立能量控制方程，确定地面管线注汽锅炉出口处蒸汽的干度。作为一种优选的实施方式，所述计算注汽锅炉出口至注汽井口蒸汽的热损失量包括：设定所述管线上的预设绝热层外表面温度；通过所述预设绝热层外表面温度计算所述管线总热阻，通过所述管线总热阻计算管线输气沿程热损失；根据所述管线输气沿程热损失计算绝热层外表面温度；反复迭代，当所述绝热层外表面温度计算值与设定值满足第一预定精度时，确定所述管线绝热层外表面温度，以获得注汽锅炉出口至注汽井口蒸汽的热损失。作为一种优选的实施方式，采用如下的计算公式计算单位长度地面管线中的热损失：上式中，q为单位时间内，单位长度地面管线中中的热损失，单位千卡/(小时·米)；Ts为蒸汽温度，单位摄氏度；Ta为环境温度，单位摄氏度；R为单位长度地面管线中的总热阻值，单位(米·小时·摄氏度)/千卡；通过所述计算步长的数值与所述单位长度地面管线中的热损失的乘积，确定所述地面管线中的热损失。作为一种优选的实施方式，所述计算地面管线总热阻包括：地面管线的总热阻R，根据下述公式进行计算：上式中，R为地面管线总热阻值，R1为地面管线内蒸汽与液膜层对流换热的热阻值，R2为地面管线内蒸汽与污垢层对流换热的热阻值，R3为管壁的热传导的热阻值，R4为绝热层热传导的热阻值，R5为地面管线对空气的强迫对流换热的热阻值，单位均为(米·小时·摄氏度)/千卡；hf为液膜层对流换热系数，hp为污垢层对流换热系数，hfc为绝热层外表面上强迫对流热系数，单位均为千卡/(平方米·小时·摄氏度)；λp为地面管线的导热系数，千卡/(米·小时·摄氏度)；ri为地面管线内半径，ro为地面管线外半径，rins为绝热层外半径，单位均为米；其中，地面管线对空气的强迫对流换热包括绝热层外表面至大气的对流换热和管外壁至大气的辐射换热；所述绝热层外表面至大气的对流换热系数hfc'，其计算公式如下：上式中，λa为空气的导热系数，单位千卡/(米·小时·摄氏度)；Re为雷诺数，通过下式计算得到：Re＝νaDs/υa上式中，νa为风速，单位米/秒；υa为空气的运动粘度，单位平方米/秒；Ds为绝热层外径，单位米；其中C，n根据Re按照预定规则进行选取；管外壁至大气的辐射换热系数hfc"，其计算公式如下：上式中，ε为管壁外黑度，无因次量；Ta为空气平均温度，单位摄氏度；Tw为绝热层外壁温度，单位摄氏度。作为一种优选的实施方式，采用如下的计算公式计算绝热层外表面温度：上式中，hf为液膜层对流换热系数，hp为污垢层对流换热系数，λp为地面管线的导热系数，千卡/(米·小时·摄氏度)；ri为地面管线内半径，ro为地面管线外半径，rins为绝热层外半径，单位均为米；q为单位时间内，单位长度地面管线中中的热损失，单位千卡/(小时·米)；Ts为蒸汽温度，单位摄氏度；Tw为绝热层外壁温度，单位摄氏度。作为一种优选的实施方式，所述根据能量平衡定律计算干度步骤包括：建立如下能量控制方程：将注汽井口蒸汽干度x|z＝L＝xu作为初始条件，求解上述方程，得到注汽锅炉出口的蒸汽干度计算表达式从而，锅炉出口的蒸汽干度计算公式为：上式中，q为单位时间单位长度地面管线中蒸汽的热损失，单位千卡/(小时·米)；z为计算位置与锅炉出口的距离，单位米；G为饱和蒸汽质量流量，单位千克/小时；Lv为汽化潜热，千卡/千克；xu为注汽井口(地面管线末端)蒸汽干度，无量纲；上述汽化潜热Lv为干饱和蒸汽的热焓与饱和水的热焓之差，其计算公式为：Lv＝273×(374.15-T)0.38＝hg-hl；hl为饱和水的热焓，单位kcal/kg，其计算公式为：hl为饱和水的热焓，单位千卡/千克；其计算公式为：hg＝12500+1.88T-3.7×10-6T3.2上式中，T为蒸汽温度，单位摄氏度。为达到上述目的，本专利技术还提供一种注汽锅炉出口的蒸汽热力参数的计算方法，包括：获取计算参数，所述计算参数包括：注汽井口蒸汽压力、温度、干度，注汽速率，地面管线参数，地面管线外环境参数，计算步长；根据所述计算参数，计算注汽锅炉出口至注汽井口蒸汽的热损失量；根据所述计算参数，通过动量守恒定律建立地面管线中蒸汽压降梯度的控制方程，确定地面管线任意位置蒸汽温度和压力；根据所述计算步长在所述地面管线长度上划分管线微元段，并建立能量控制方程，以所述注汽井口干度作为初始条件，通过相互耦合的热损失、压力、干度迭代计算，确定注汽锅炉出口处蒸汽的干度。作为一种优选的实施方式，取锅炉出口为坐标原点，蒸汽沿管线流动方向为Z轴方向，根据动量守恒原理，建立地面管线中蒸汽压降梯度的控制方程：根据所述控制方程，运用数值方法将整个地面管线分成若干计算步长，每一个计算步长长度为△z，在每一段内对上式进行积分；令vm＝(vout+vin)/2获得确定地面管线任意位置蒸汽压力的计算公式：上式中，pin为地面管线的每个计算步长的入口处的蒸汽压力，单位兆帕；pout为地面管线的每个计算步长的出口处的蒸汽压力，单位兆帕；fm为湿蒸汽流体的摩擦阻力系数，无量纲；ρm为湿蒸汽流体的密度，单位千克/立方米；νm为湿蒸汽流体的平均速度，单位米/秒；vin为地面管线的每个计算步长的入口处的蒸汽速度，单位米/秒；vout为地面管线的每个计算步长的出口处的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种注汽锅炉出口的蒸汽热力参数的计算方法，其特征在于，包括：获取计算参数，所述计算参数包括：注汽井口蒸汽压力、温度、干度，地面管线参数，地面管线外环境参数；根据所述计算参数，迭代计算注汽锅炉出口至注汽井口蒸汽的热损失量；忽略地面管线内压力、重力变化的条件下根据能量平衡定律建立能量控制方程，确定地面管线注汽锅炉出口处蒸汽的干度。

【技术特征摘要】
1.一种注汽锅炉出口的蒸汽热力参数的计算方法，其特征在于，包括：获取计算参数，所述计算参数包括：注汽井口蒸汽压力、温度、干度，地面管线参数，地面管线外环境参数；根据所述计算参数，迭代计算注汽锅炉出口至注汽井口蒸汽的热损失量；忽略地面管线内压力、重力变化的条件下根据能量平衡定律建立能量控制方程，确定地面管线注汽锅炉出口处蒸汽的干度。2.如权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述计算注汽锅炉出口至注汽井口蒸汽的热损失量包括：设定所述管线上的预设绝热层外表面温度；通过所述预设绝热层外表面温度计算所述管线总热阻，通过所述管线总热阻计算管线输气沿程热损失；根据所述管线输气沿程热损失计算绝热层外表面温度；反复迭代，当所述绝热层外表面温度计算值与设定值满足第一预定精度时，确定所述管线绝热层外表面温度，以获得注汽锅炉出口至注汽井口蒸汽的热损失。3.如权利要求2所述的计算方法，其特征在于，采用如下的计算公式计算单位长度地面管线中的热损失：上式中，q为单位时间内，单位长度地面管线中中的热损失，单位千卡/(小时·米)；Ts为蒸汽温度，单位摄氏度；Ta为环境温度，单位摄氏度；R为单位长度地面管线中的总热阻值，单位(米·小时·摄氏度)/千卡；通过所述计算步长的数值与所述单位长度地面管线中的热损失的乘积，确定所述地面管线中的热损失。4.如权利要求3所述的计算方法，其特征在于，所述计算地面管线总热阻包括：地面管线的总热阻R，根据下述公式进行计算：上式中，R为地面管线总热阻值，R1为地面管线内蒸汽与液膜层对流换热的热阻值，R2为地面管线内蒸汽与污垢层对流换热的热阻值，R3为管壁的热传导的热阻值，R4为绝热层热传导的热阻值，R5为地面管线对空气的强迫对流换热的热阻值，单位均为(米·小时·摄氏度)/千卡；hf为液膜层对流换热系数，hp为污垢层对流换热系数，hfc为绝热层外表面上强迫对流热系数，单位均为千卡/(平方米·小时·摄氏度)；λp为地面管线的导热系数，千卡/(米·小时·摄氏度)；ri为地面管线内半径，ro为地面管线外半径，rins为绝热层外半径，单位均为米；其中，地面管线对空气的强迫对流换热包括绝热层外表面至大气的对流换热和管外壁至大气的辐射换热；所述绝热层外表面至大气的对流换热系数hfc'，其计算公式如下：上式中，λa为空气的导热系数，单位千卡/(米·小时·摄氏度)；Re为雷诺数，通过下式计算得到：Re＝νaDs/υa上式中，νa为风速，单位米/秒；υa为空气的运动粘度，单位平方米/秒；Ds为绝热层外径，单位米；其中C，n根据Re按照预定规则进行选取；管外壁至大气的辐射换热系数hfc"，其计算公式如下：上式中，ε为管壁外黑度，无因次量；Ta为空气平均温度，单位摄氏度；Tw为绝热层外壁温度，单位摄氏度。5.如权利要求4所述的计算方法，其特征在于，采用如下的计算公式计算绝热层外表面温度：上式中，hf为液膜层对流换热系数，hp为污垢层对流换热系数，λp为地面管线的导热系数，千卡/(米·小时·摄氏度)；ri为地面管线内半径，ro为地面管线外半径，rins为绝热层外半径，单位均为米；q为单位时间内，单位长度地面管线中中的热损失，单位千卡/(小时·米)；Ts为蒸汽温度，单位摄氏度；Tw为绝热层外壁温度，单位摄氏度。6.如权利要求5所述的计算方法，其特征在于，所述根据能量平衡定律计算干度步骤包括：建立如下能量控制方程：将注汽井口蒸汽干度x|z＝L＝xu作为初始条件，求解上述方程，得到注汽锅炉出口的蒸汽干度计算表达式从而，锅炉出口的蒸汽干度计算公式为：上式中，q为单位时间单位长度地面管线中蒸汽的热损失，单位千卡/(小时·米)；z为计算位置与锅炉出口的距离，单位米；G为饱和蒸汽质量流量，单位千克/小时；Lv为汽化潜热，千卡/千克；xu为注汽井口(地面管线末端)蒸汽干度，无量纲；上述汽化潜热Lv为干饱和蒸汽的热焓与饱和水的热焓之差，其计算公式为：Lv＝273×(374.15-T)0.38＝hg-hl；hl为饱和水的热焓，单位kcal/kg，其计算公式为：hl为饱和水的热焓，单位千卡/千克；其计算公式为：hg＝12500+1.88T-3.7×10-6T3.2上式中，T为蒸汽温度，单位摄氏度。7.一种注汽锅炉出口的蒸汽热力参数的计算方法，其特征在于，包括：获取计算参数，所述计算参数包括：注汽井口蒸汽压力、温度、干度，注汽速率，地面管线参数，地面管线外环境参数，计算步长；根据所述计算参数，计算注汽锅炉出口至注汽井口蒸汽的热损失量；根据所述计算参数，通过动量守恒定律建立地面管线中蒸汽压降梯度的控制方程，确定地面管线任意位置蒸汽温度和压力；根据所述计算步长在所述地面管线长度上划分管线微元段，并建立能量控制方程，以所述注汽井口干度作为初始条件，通过相互耦合的热损失、压力、干度迭代计算，确定注汽锅炉出口处蒸汽的干度。8.如权利要求7所述的计算方法，其特征在于，取锅炉出口为坐标原点，蒸汽沿管线流动方向为Z轴方向，根据动量守恒原理，建立地面管线中蒸汽压降梯度的控制方程：

【专利技术属性】
技术研发人员：杨清玲，朱静，吕孝明，何金宝，邹杨，冯紫微，乔沐，霍艳皎，周轶青，王伟迪，栾睿智，郑利民，
申请(专利权)人：中国石油天然气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11