中国石油集团渤海石油装备制造有限公司辽河热采机械制造分公司
1蒸汽过热判定依据与算法模型
1.1蒸汽过热判定依据
实际蒸汽温度与饱和蒸汽温度之差即为过热度。当过热度小于0时，注汽锅炉炉管内的介质为欠饱和状态的水；当过热度等于0时，注汽锅炉炉管内的介质处于饱和状态，即为饱和湿蒸汽；当过热度大于0时，注汽锅炉炉管内的介质处于过饱和状态，即为干蒸汽，此时注汽锅炉内的蒸汽过热。所以，通过过热度的监测即可监控注汽锅炉的蒸汽是否处于过热状态。
过热度的计算式见式（1）。
ＴΔ＝Ｔｓ－ＴＬ－Ｔδ（１）
式中，T△为过热度，K；TS为实际蒸汽温度，K；TL为饱和蒸汽温度，K；Tδ为实际蒸汽温度的绝对测量误差，K。
式（1）中的实际蒸汽温度由测温仪表实时测量得到；饱和蒸汽温度则先测定实测工况下的蒸汽压力，再将其代入水和蒸汽的性质公式计算得出；实际蒸汽温度的绝对测量误差则通过现场校准测温仪表得到。
1.2饱和蒸汽温度算法模型
水和蒸汽是注汽锅炉的介质，饱和蒸汽温度计算的准确与否会影响蒸汽过热监测的判定结果，一般采用水和蒸汽的物理性质的计算公式IAPWS－IF97计算饱和蒸汽温度，以保证饱和蒸汽温度的计算精度。IAPWS－IF97的各区域如图1所示。
2装置的组成
装置的组件装置主要由控制柜箱体、触摸平板电脑、CF卡、开关电源、开关量模块、交换机、断路器、报警器和系统组态软件组成。装置所需工况参量不需要直接测量，通过触摸平板电脑的系统组态软件与注汽锅炉控制系统的PLC进行网络通讯获取，即装置为上位机，注汽锅炉控制系统的PLC为下位机。这样的设计既避免了测量仪表的重复安装，又降低了成本投入。作为外部设备的下位机，其以太网通讯模块连接自身系统的人机界面或网络监控平台等设备，网络通讯接口提供不足。所以，为了提高装置的现场兼容能力，配置工业以太网交换机。考虑到注汽锅炉工作环境中灰尘大、振动较强，且存在很多干扰因素，选用适应环境能力较强的EDS205A型卡轨式交换机，交换机与装置的触摸平板电脑和下位机的连接使用屏蔽双绞线（STP），网线的一侧使用RJ－45接头连接装置和下位机的LAN口，另一侧连接交换机的LAN口。RJ－45接头的排线采用T568B接法。对装置和下位机进行网络IP地址分配时，事先获取下位机PLC的网络IP地址，在装置进行软件组态时，对其进行设置。装置的本地连接网络IP地址的前三段号码与下位机PLC相同，第四段有所区别即可。装置通过网络通讯，从下位机PLC中实时读取注汽锅炉的蒸汽压力和实际蒸汽温度测量值，并将计算所得的饱和蒸汽温度、过热度和蒸汽过热状态值写入下位机PLC中，以供注汽系统监控平台使用。装置的声光报警由报警器和开关量模块组成。开关量模块与触摸平板电脑的通信方式采用RS485通讯协议，连接时触摸平板电脑串口的第2号针脚为DATA＋，第1号针脚为DATA－，并在软件中对其进行组态。开关量模块的输出端为继电器输出，直接串入报警器的回路中。触摸平板电脑、开关量模块和交换机均为24V直流开关电源供电。
3应用
注汽锅炉从发生蒸汽过热报警事件前4min开始出现明显的过热度，由于蒸汽过热程度不高，装置在直观坐标图上发出了蒸汽过热警告，直至报警事件发生；装置发出声光报警2min后，操作人员取消了报警状态，并调整了注汽锅炉运行参数，使蒸汽过热度降回“0”，蒸汽回到饱和湿蒸汽状态。随后发生的两次蒸汽过热警告事件，也是由于蒸汽过热程度不高，且发生时间较短，所以装置没有启动蒸汽过热报警，只是自动保存了警告记录。 造成注汽锅炉蒸汽暂短过热的主要原因有两个，其一是燃料供给系统中燃料压力控制不稳定，燃料量暂短提升，在给水量不变的条件下饱和湿蒸汽吸收热量变多，汽化程度变大直至过热；其二是水量供给系统不稳定，给水量暂短下降，在燃料量不变的条件下饱和湿蒸汽吸收热量变多，汽化程度变大直至过热。
4结论
（1）装置适用于发生饱和湿蒸汽的现役注汽锅炉，制造工艺简单，且可以充分利用注汽锅炉的自身仪表，大幅降低使用成本。装置可以实时监测注汽锅炉的蒸汽运行状态，人机界面友好，报警及时，可有效地避免注汽锅炉因蒸汽过热而发生爆管现象。（2）当装置在新出厂注汽锅炉上应用时，还需要对组成进行优化，将装置高度集成到新注汽锅炉上，此方面的内容有待于进一步研究。（3）装置的现场应用获得成功，已在辽河油田和新疆油田推广使用，具有良好的应用前景。
参考文献
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［2］吴景春，王宝骑．稠油油藏蒸汽吞吐后转驱方式研究［J］．当代化工，2015,44(12):2864-2865.
［3］张杰，张轮亭，杨中成，等．稠油热采用注汽锅炉现状及展望［J］．工业加热，2016，45（3）:61-63.
论文作者:刘 波
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第8期
论文发表时间:2019/6/24
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