高溫高壓下光學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量流量與氣液兩相總質量流量的比值，隨著計算機技術的提高以及其他領域的進步，測量方法也在持續改進。根據實際情況的不同，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實際的各個領域，學者對氣液兩相流很多參數的計量方法進行了大量的研究。干度在蒸汽參數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、提高產油率和油藏熱采的動態監測具有重要的意義。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出了飽和水蒸氣的蒸汽干度值。下一步將進行室內實驗和現場應用。

1 原理

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

下標f標識飽和液體，下標fg標識液體和蒸汽兩相混合的復合密度。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。

波長為λ的光束通過吸收媒介時，其輻射強度將按Beer-Lambert關系式衰減：

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

αλ為吸收媒介的光譜吸收系數,它與被測媒介的濃度、壓力、溫度及光程L有關，其數學表達式為：

這里：P是靜壓力(atm)

X是摩爾分數或媒介的相對濃度

L 是吸收光程的長度

Si(T)是與樣品溫度有關的光譜線強度i(cm-2/atm)

φi(λ-λ0)是樣品媒介吸收譜線的線形函數(cm)，其線形函數定義如下:

線強度S i(cm-2/atm)與樣品（吸收媒介）的溫度有如下關系：

式中：

Q(T)分配函數在整個溫度區可用下面多項式表示：

在實際中，吸收系數αλ,i的測量是通過對整個吸收譜線的線型進行波長掃描，取其各波長下的αλ,i累加。由于線型函數的定義所以對（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，也存在液態微小的水珠，它們對光束會產生散射和吸收，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字密度Nv為：

則蒸汽的干度為：

2 結語

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出飽和水蒸氣的蒸汽干度值的原理方法可以應用在廣泛存在于石油、化工、動力、食品以及制冷等生產實際的各個領域。接下來將進行室內實驗以及現場應用試驗推廣。

[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].光學與光電技術，2008，Vol.6 No.3：1-3．

[2]蔡頤年，王乃寧.濕蒸汽兩相流[M].西安交通大學出版社，1985.

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