臨界流壅塞裝置研究現狀分析

王超

摘 要：文章主要針對石油工程應用中的臨界流壅塞裝置結構進行簡要分析與總結，并針對其存在的問題提出相應地解決措施，以供參考。

關鍵詞：直孔嘴壅塞；錐形孔壅塞；可調節壅塞

引言

在蒸汽驅采油工程中，對于蒸汽注入流量的控制是非常重要的，它關系到是否能夠有效的將熱量分配到各個油層，人們對于流量的控制方法和工具的研究已經進行了很長時間。機械壅塞配汽器，噴嘴，孔板都可以用以井下流量控制，而文獻中關于恒流量配汽器的研究主要集中在臨界流壅塞裝置的研究。

根據定義，臨界流發生時通過節流裝置的質量流量，即使在下游壓力發生變化的情況下也將保持恒定，此時的流動便稱為壅塞流，流量的大小只能隨著上游壓力和流通孔面積的大小的變化而變化，而下游的任何參數的變化都不會影響流量的大小，這時的流量便稱為臨界流量。為了達到臨界流狀態，節流裝置兩端的壓降必須是上游滯止壓力的一半左右，否則流動將被考慮為亞臨界狀態，在亞臨界狀態，質量流量將和下游壓力有關。石油工程應用中的臨界流壅塞裝置根據結構大致分為直孔嘴壅塞裝置、錐形孔壅塞裝置和可調節壅塞裝置。

1 直孔嘴壅塞裝置

Chien，S·F和Schrodt，J·L·G通過實驗和理論分析證明了固定的壅塞裝置是一種可靠的控制質量流量的方式。Thornhill-Craver壅塞裝置是直孔嘴壅塞裝置的一種典型結構，它具有可拆換式的孔嘴，廣泛應用于蒸汽的流量控制。其結構示意圖如圖1所示。在臨界流狀態下，蒸汽質量流量卻取決于上游壓力，蒸汽干度和孔嘴尺寸，因此注氣壓力一定的情況下，通過設計孔嘴的大小可以確定通過流量的大小。該裝置結構簡單，堅固耐用，可靠性強，但是其最主要的缺點是其壓降過大，幾乎接近上游滯止壓力的一半左右，限制了其應用范圍，對于那些鍋爐蒸汽壓力偏小或者地下油層壓力偏大的情況，很難保持臨界流動狀態，即難以維持質量流量的恒定。

圖1 直孔嘴壅塞裝置結構示意圖

2 錐形孔壅塞裝置

錐形孔壅塞裝置可以用以代替直孔壅塞裝置來實現臨界流動狀態，并且其產生的壓力損失也小的多。Suzanne和Tom Abate研究了傳統Thornhill-Craver上裝配一個錐形孔嘴（見圖2）的流動特性，并和直孔嘴壅塞裝置的流動特性進行了比較，其結果如圖3所示。錐形孔嘴的喉部如同直孔嘴一樣，達到了臨界流動狀態，但是其擴散段起到了壓力恢復的作用，出口的蒸汽壓力可恢復到上游壓力的85%～90%左右。因此錐形孔壅塞裝置可以在較小的壓力損失情況下實現臨界流動狀態，使得它可以較理想的用于那些吸汽能力較差的油層，并且可以減小鍋爐供蒸汽的壓力，降低煤耗。

a.直孔嘴壅塞裝置流動特性 b.錐形孔嘴壅塞裝置流動特性

圖3 直孔嘴壅塞和錐形孔嘴壅塞裝置流動特性比較

3 可調節壅塞裝置

多孔板閥和針閥有時也應用于臨界流狀態實現壅塞來控制流量，被稱為可調節壅塞裝置。一個典型的多孔板壅塞裝置的示意圖如圖4所示。臨界流流量的大小通過預先設定孔嘴流通面積來實現，而孔嘴流通面積大小可以通過旋轉一個或者同時旋轉兩個帶對孔的圓盤來調節。但是，圖中可以看出，該壅塞裝置的流通孔是非圓或非環形的，這樣就不可能用一個固定的流量系數來實現預設流通面積與流量的對應，必須要在調節后進行流量的就地校準，才能保證流量控制的精確性。

圖4 多孔板可調壅塞裝置示意圖

臨界流文丘里噴嘴是壅塞裝置中研究的比較成熟的一種結構，國際標準化組織（ISO）也頒布了關于它的標準ISO9300，為流量的計算和噴嘴的結構設計提供了依據，它廣泛的應用于航天，化工，石油工業能領域。Jae-Hyung Kim等人也研究了一種可調節的壅塞裝置，將一個直徑較小的圓桿同心的放到臨界流噴嘴中間，用來改變流通面積，當需要改變流量的時候只需要更換不同直徑的圓桿即可，而不需要重新設計臨界流噴嘴。

4 結束語

以上提到的臨界流壅塞裝置，其主要價值在于能夠屏蔽下游壓力參數的變化來保持流量的恒定。但是它們存在以下兩方面的問題：

（1）壓力損失大，最低的壓力損失也達到上游滯止壓力的10%，對于在高壓注蒸汽的石油工程中，這么大的壓力損失代表了能量的耗費，這對于節約能源來說是非常不利的。

（2）對上游的壓力波動沒有屏蔽作用。當流動出現壅塞時只對下游的干擾具有屏蔽作用，流量大小取決于上游參數，因而上游出現波動時，仍會引起流動不穩定，不能保證注入蒸汽的流量按照設定值進行。