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高压差迷宫式蒸汽流量控制阀的研究

稠油热采注蒸汽工艺对控制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。现有蒸汽流量控制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控制阀的结构、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控制阀。当控制阀开度百分率从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 通控制阀噪声达到84dB以上),从根本上减轻了冲蚀和噪声。
1、稠油热采注汽对流量控制阀的基本要求
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,这里使用的流量控制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控制阀的特殊要求。
2、现有蒸汽流量控制阀和高压差流量控制阀存在的问题
目前热采工艺流程中,为了降压,所使用的控制阀以极小开度工作,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高压差控制阀(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,这种控制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,仍很难通过控制阀门开度来保证预计流量。现有高压差流量控制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。

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