临界流壅塞装置研究现状分析

摘 要：文章主要针对石油工程应用中的临界流壅塞装置结构进行简要分析与总结，并针对其存在的问题提出相应地解决措施，以供参考。

关键词：直孔嘴壅塞；锥形孔壅塞；可调节壅塞

引言

在蒸汽驱采油工程中，对于蒸汽注入流量的控制是非常重要的，它关系到是否能够有效的将热量分配到各个油层，人们对于流量的控制方法和工具的研究已经进行了很长时间。机械壅塞配汽器，喷嘴，孔板都可以用以井下流量控制，而文献中关于恒流量配汽器的研究主要集中在临界流壅塞装置的研究。

根据定义，临界流发生时通过节流装置的质量流量，即使在下游压力发生变化的情况下也将保持恒定，此时的流动便称为壅塞流，流量的大小只能随着上游压力和流通孔面积的大小的变化而变化，而下游的任何参数的变化都不会影响流量的大小，这时的流量便称为临界流量。为了达到临界流状态，节流装置两端的压降必须是上游滞止压力的一半左右，否则流动将被考虑为亚临界状态，在亚临界状态，质量流量将和下游压力有关。石油工程应用中的临界流壅塞装置根据结构大致分为直孔嘴壅塞装置、锥形孔壅塞装置和可调节壅塞装置。

1 直孔嘴壅塞装置

Chien，S·F和Schrodt，J·L·G通过实验和理论分析证明了固定的壅塞装置是一种可靠的控制质量流量的方式。Thornhill-Craver壅塞装置是直孔嘴壅塞装置的一种典型结构，它具有可拆换式的孔嘴，广泛应用于蒸汽的流量控制。其结构示意图如图1所示。在临界流状态下，蒸汽质量流量却取决于上游压力，蒸汽干度和孔嘴尺寸，因此注气压力一定的情况下，通过设计孔嘴的大小可以确定通过流量的大小。该装置结构简单，坚固耐用，可靠性强，但是其最主要的缺点是其压降过大，几乎接近上游滞止压力的一半左右，限制了其应用范围，对于那些锅炉蒸汽压力偏小或者地下油层压力偏大的情况，很难保持临界流动状态，即难以维持质量流量的恒定。

图1 直孔嘴壅塞装置结构示意图

2 锥形孔壅塞装置

锥形孔壅塞装置可以用以代替直孔壅塞装置来实现临界流动状态，并且其产生的压力损失也小的多。Suzanne和Tom Abate研究了传统Thornhill-Craver上装配一个锥形孔嘴（见图2）的流动特性，并和直孔嘴壅塞装置的流动特性进行了比较，其结果如图3所示。锥形孔嘴的喉部如同直孔嘴一样，达到了临界流动状态，但是其扩散段起到了压力恢复的作用，出口的蒸汽压力可恢复到上游压力的85%～90%左右。因此锥形孔壅塞装置可以在较小的压力损失情况下实现临界流动状态，使得它可以较理想的用于那些吸汽能力较差的油层，并且可以减小锅炉供蒸汽的压力，降低煤耗。

a.直孔嘴壅塞装置流动特性 b.锥形孔嘴壅塞装置流动特性

图3 直孔嘴壅塞和锥形孔嘴壅塞装置流动特性比较

3 可调节壅塞装置

多孔板阀和针阀有时也应用于临界流状态实现壅塞来控制流量，被称为可调节壅塞装置。一个典型的多孔板壅塞装置的示意图如图4所示。临界流流量的大小通过预先设定孔嘴流通面积来实现，而孔嘴流通面积大小可以通过旋转一个或者同时旋转两个带对孔的圆盘来调节。但是，图中可以看出，该壅塞装置的流通孔是非圆或非环形的，这样就不可能用一个固定的流量系数来实现预设流通面积与流量的对应，必须要在调节后进行流量的就地校准，才能保证流量控制的精确性。

图4 多孔板可调壅塞装置示意图

临界流文丘里喷嘴是壅塞装置中研究的比较成熟的一种结构，国际标准化组织（ISO）也颁布了关于它的标准ISO9300，为流量的计算和喷嘴的结构设计提供了依据，它广泛的应用于航天，化工，石油工业能领域。Jae-Hyung Kim等人也研究了一种可调节的壅塞装置，将一个直径较小的圆杆同心的放到临界流喷嘴中间，用来改变流通面积，当需要改变流量的时候只需要更换不同直径的圆杆即可，而不需要重新设计临界流喷嘴。

4 结束语

以上提到的临界流壅塞装置，其主要价值在于能够屏蔽下游压力参数的变化来保持流量的恒定。但是它们存在以下两方面的问题：

（1）压力损失大，最低的压力损失也达到上游滞止压力的10%，对于在高压注蒸汽的石油工程中，这么大的压力损失代表了能量的耗费，这对于节约能源来说是非常不利的。

（2）对上游的压力波动没有屏蔽作用。当流动出现壅塞时只对下游的干扰具有屏蔽作用，流量大小取决于上游参数，因而上游出现波动时，仍会引起流动不稳定，不能保证注入蒸汽的流量按照设定值进行。

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