高溫高壓下光學(xué)法測量蒸汽干度的原理

王穎(遼寧省盤錦市遼河油田鉆采工藝研究院儀表所，遼寧 盤錦 124010)

高溫高壓下光學(xué)法測量蒸汽干度的原理

王穎(遼寧省盤錦市遼河油田鉆采工藝研究院儀表所，遼寧 盤錦 124010)

氣液兩相流的干度測量就是確定氣相質(zhì)量流量與氣液兩相總質(zhì)量流量的比值，隨著計算機(jī)技術(shù)的提高以及其他領(lǐng)域的進(jìn)步，測量方法也在持續(xù)改進(jìn)。根據(jù)實際情況的不同，測量氣液兩相流干度的方法有很多種。本文利用高溫高壓下飽和水和飽和水蒸氣的光譜吸收原理推導(dǎo)出了飽和水蒸氣的蒸汽干度值。

飽和蒸汽;飽和水;蒸汽干度;光譜吸收

由于氣液兩相流廣泛存在于石油、化工、動力、食品以及制冷等生產(chǎn)實際的各個領(lǐng)域，學(xué)者對氣液兩相流很多參數(shù)的計量方法進(jìn)行了大量的研究。干度在蒸汽參數(shù)的測量中具有重要的地位。對于油田上，注汽油井中蒸汽干度、溫度和壓力的測定可以反映出井下的蒸汽吸收情況，對于合理注汽、減少熱損、提高產(chǎn)油率和油藏?zé)岵傻膭討B(tài)監(jiān)測具有重要的意義。本文利用高溫高壓下飽和水和飽和水蒸氣的光譜吸收原理推導(dǎo)出了飽和水蒸氣的蒸汽干度值。下一步將進(jìn)行室內(nèi)實驗和現(xiàn)場應(yīng)用。

1 原理

蒸汽質(zhì)量的定義是蒸汽相的質(zhì)量除以包括液體和蒸汽的總質(zhì)量的比。液體和蒸汽兩相混合的復(fù)合密度可以用飽和液體的密度，飽和蒸汽密度表示，蒸汽質(zhì)量x的表達(dá)式為

下標(biāo)f標(biāo)識飽和液體，下標(biāo)fg標(biāo)識液體和蒸汽兩相混合的復(fù)合密度。x是蒸汽的干度，確定飽和液體和飽和蒸汽之間的屬性值的變數(shù)。

波長為λ的光束通過吸收媒介時，其輻射強(qiáng)度將按Beer-Lambert關(guān)系式衰減：

式中 ：I0(λ)是入射光速輻射強(qiáng)度，其波長為λ I(λ)是穿過吸收媒介后光束的輻射強(qiáng)度

αλ為吸收媒介的光譜吸收系數(shù),它與被測媒介的濃度、壓力、溫度及光程L有關(guān)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

這里：P是靜壓力(atm)

X是摩爾分?jǐn)?shù)或媒介的相對濃度

L 是吸收光程的長度

Si(T)是與樣品溫度有關(guān)的光譜線強(qiáng)度i(cm-2/atm)

φi(λ-λ0)是樣品媒介吸收譜線的線形函數(shù)(cm)，其線形函數(shù)定義如下:

線強(qiáng)度S i(cm-2/atm)與樣品（吸收媒介）的溫度有如下關(guān)系：

式中：

Q(T)分配函數(shù)在整個溫度區(qū)可用下面多項式表示：

在實際中，吸收系數(shù)αλ,i的測量是通過對整個吸收譜線的線型進(jìn)行波長掃描，取其各波長下的αλ,i累加。由于線型函數(shù)的定義所以對（3）式兩邊取其波長積分，得：

代入(2)則得：

則：

兩邊取自然對數(shù)得：

其中σ是吸收散射截面（cm2）和N是單位體積的水分子的數(shù)N（cm-3）。N由該測量來確定。

由于飽和蒸汽中不僅存在蒸汽氣體分子，也存在液態(tài)微小的水珠，它們對光束會產(chǎn)生散射和吸收，因此需要選取λ1、λ2兩波長光束通過待測樣品，選波長λ1為飽和蒸汽的吸收波長，λ1光束通過待測樣品，對應(yīng)的吸收散射截面為σv；其透射率分別為τ（λ1）；選波長λ2為飽和水的吸收波長，對應(yīng)的吸收散射截面為σw。因此在波長λ2處要求σv=0，那么飽和水的密度Nw為：

在λ1處除了飽和水蒸汽的吸收外還有飽和水的吸收，若選取λ1和λ2處的σw相等，那么飽和水蒸汽的數(shù)字密度Nv為：

則蒸汽的干度為：

2 結(jié)語

高溫高壓下條件下，利用飽和水和飽和水蒸氣的光譜吸收原理推導(dǎo)出飽和水蒸氣的蒸汽干度值的原理方法可以應(yīng)用在廣泛存在于石油、化工、動力、食品以及制冷等生產(chǎn)實際的各個領(lǐng)域。接下來將進(jìn)行室內(nèi)實驗以及現(xiàn)場應(yīng)用試驗推廣。

[1]梁培,余建軍,朱桂榮等.光纖傳感用于油田熱采的蒸汽干度測量[J].光學(xué)與光電技術(shù)，2008，Vol.6 No.3：1-3．

[2]蔡頤年，王乃寧.濕蒸汽兩相流[M].西安交通大學(xué)出版社，1985.

王穎（1983-），女，畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）無線電物理專業(yè)，現(xiàn)在遼河油田公司鉆采工藝研究院儀器儀表所高溫測