氮氣/蒸汽混合氣體狀態(tài)特性探究實驗教學(xué)平臺的搭建及應(yīng)用

林日億，楊正大，王新偉，姜 燁

（中國石油大學(xué)（華東） 新能源學(xué)院，山東 青島 266580）

水蒸氣作為常用的熱載體工質(zhì)，在石油開采[1]、石化煉化[2]和發(fā)電[3]等諸多領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，是動力工程及工程熱物理學(xué)科學(xué)生在進行熱能轉(zhuǎn)換利用工藝和設(shè)備設(shè)計工作時必須深入認(rèn)識的工質(zhì)。在鍋爐、換熱器、油氣開采和輸運等不同場合下，水蒸氣的流動與換熱特性存在顯著不同[4-5]。

水蒸氣通常并非作為純物質(zhì)單獨使用，而會加入其他氣體形成混合氣體[6]。例如，在稠油熱采過程中，為提高稠油采收率，在注蒸汽過程中伴注氮氣、空氣、二氧化碳等不可凝氣體，以降低稠油黏度，提高波及體積[7-9]。不凝氣體的加入會影響蒸汽的性質(zhì)，加大了應(yīng)用的復(fù)雜性，甚至可能影響實際開采效果。在此類應(yīng)用中，涉及的蒸汽性質(zhì)、混合氣體分壓定律、氣液相平衡等內(nèi)容，屬于能源與動力工程、石油工程和石油化工等專業(yè)在“工程熱力學(xué)”課程講授的基礎(chǔ)知識[10]。由于應(yīng)用的背景性較強，除了理論知識講授外，還需結(jié)合必要的模擬實驗加深學(xué)生的認(rèn)識和理解[11]。由于稠油熱采相關(guān)專業(yè)面臨的是地層高溫、高壓等極端復(fù)雜工況[12-14]，現(xiàn)場就地實驗難以開展，而常規(guī)實驗平臺又無法滿足相關(guān)教學(xué)任務(wù)需求。

本文設(shè)計、搭建了一套高溫、高壓條件下氮氣/蒸汽混合氣體狀態(tài)特性探究實驗教學(xué)平臺。基于該教學(xué)平臺，可以開展混合氣體狀態(tài)參數(shù)確定、混合氣體分壓定律、氣液相平衡等實驗教學(xué)內(nèi)容。

1 實驗裝置

為了探究高溫、高壓條件下氮氣/蒸汽混合氣體狀態(tài)特性，設(shè)計并搭建了一套實驗裝置，如圖1 所示。該實驗裝置主要由供給系統(tǒng)、釜體系統(tǒng)、活塞升降系統(tǒng)、可視系統(tǒng)、溫度/壓力測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等6 部分組成。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖

（1）供給系統(tǒng)。實驗中蒸餾水通過抽真空吸入釜體，氮氣由鋼瓶氣（純度99.999%）供給，二者的供給量分別通過量筒和質(zhì)量流量計測定和控制。

（2）釜體系統(tǒng)。釜體有效長度為1 m，由筒體、活塞、堵頭和傳動密封件等構(gòu)成。釜體材料為316 L 不銹鋼，密封材料由軍工級斯特封加工而成。為保證密封性，筒體內(nèi)壁進行了精加工，內(nèi)壁光潔度達到1.6 μm。

（3）活塞升降系統(tǒng)。步進電機在電控系統(tǒng)的控制下，經(jīng)過齒輪機構(gòu)減速后帶動非圓齒輪傳動機構(gòu)，再由曲柄連桿機構(gòu)帶動柱塞完成往復(fù)運動。活塞可自由改變位置，從而調(diào)節(jié)筒體內(nèi)部壓力。

（4）可視系統(tǒng)。包括高壓視窗和高清攝像機。高壓視窗采用高強度Si-Al 玻璃，有良好的光學(xué)性能，透明度達到99%，高清攝像機可通過該視窗對內(nèi)部液滴狀態(tài)進行觀察和記錄。

（5）溫度/壓力測量系統(tǒng)。采用日本理化RD500控制器和J 型熱電偶溫度傳感器形成高精度負(fù)反饋控制，控溫精度為±1 ℃。采用壓力傳感器監(jiān)測整個流程管路壓力，當(dāng)壓力超過所需壓力時，壓力信號反饋給電腦，停止電機運轉(zhuǎn)并打開泄壓閥門泄壓。

（6）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過7017C 模塊對整套裝置的壓力、溫度等信號進行采集，再通過RS485 傳送給計算機。數(shù)據(jù)處理軟件采用Visual Basic 編程，可實時監(jiān)測壓力并動態(tài)繪制壓力曲線、溫度曲線，具有超壓報警等功能。

2 實驗操作步驟

（1）采用真空泵對釜體內(nèi)部抽真空，使釜體內(nèi)壓力達到-0.09 MPa，隨后充入高純度氮氣，重復(fù)以上操作3 至4 次，以保證釜內(nèi)空氣被完全除去。

（2）量取一定量的蒸餾水，利用釜內(nèi)負(fù)壓將其吸入釜體內(nèi)。設(shè)定釜體加熱溫度進行加熱，在升溫的過程中，通過攝像機實時觀察釜內(nèi)水蒸氣和液滴狀態(tài)的改變，記錄各個時刻下的溫度和壓力。

（3）調(diào)整釜體體積和釜內(nèi)溫度，重復(fù)以上操作，記錄并繪制單獨水蒸氣條件下的壓力-溫度變化曲線。

（4）保持釜體的體積不變，充入一定量的氮氣，使釜體內(nèi)壓力逐漸升高，并通過攝像機實時觀察釜內(nèi)水蒸氣和液滴狀態(tài)的改變，記錄各個時刻下的溫度和壓力。

（5）調(diào)整釜體體積、釜內(nèi)溫度和氮氣填充量，重復(fù)以上操作，記錄并繪制混合氣體條件下的壓力-溫度變化曲線。

3 混合氣體狀態(tài)特性探究實驗

3.1 水蒸氣狀態(tài)轉(zhuǎn)變的可視化實驗

水蒸氣狀態(tài)轉(zhuǎn)變的臨界條件是獲得氮氣/蒸汽混合氣體狀態(tài)特性的關(guān)鍵。通過本實驗裝置的高壓可視窗口，結(jié)合外接高清攝像機，實現(xiàn)對釜體內(nèi)部液滴形成、消失過程的可視化。以圖2 中4 個連續(xù)變化的典型工況為例，對釜體內(nèi)水蒸氣、液滴狀態(tài)說明如下。

圖2 典型溫度、壓力下水蒸氣狀態(tài)照片

圖2 給出的4 個連續(xù)變化工況分別為：工況1（T=196 ℃、P=1.35 MPa）時，觀察視窗內(nèi)有液滴；維持釜體體積不變，對裝置進行加熱達到工況2（T=215.2 ℃、P=1.92 MPa）時，視窗內(nèi)液滴全部汽化；將反應(yīng)釜的體積由5.83 L 壓縮至3.83 L，達到工況3（T=215.2 ℃、P=2.9 MPa）時，保持裝置內(nèi)溫度不變，此時再次有液滴產(chǎn)生；維持裝置內(nèi)溫度不變，向釜體內(nèi)充入氮氣，上調(diào)活塞以維持壓力不變，充氮氣過程由于溫度降低出現(xiàn)液滴變多的現(xiàn)象，待溫度恢復(fù)至充氮氣前溫度，達到工況4（T=215 ℃、P=2.9 MPa）時，液滴消失。

對比來看，工況4 的釜體內(nèi)總壓高于工況2，但兩種工況下均無液滴。若水蒸氣干度由總壓決定，2.9 MPa下水蒸氣的理論飽和溫度為232 ℃，由于工況4 的溫度低于飽和溫度，應(yīng)有液滴生成，但實際工況4 穩(wěn)定后并未有液滴產(chǎn)生，因此水蒸氣干度并非由總壓決定。對比工況3 和工況4，盡管總壓力維持在2.9 MPa，但工況 3 由于氮氣的分壓作用使水蒸氣分壓降低為1.92 MPa，對應(yīng)的水蒸氣理論飽和溫度也降低為210 ℃，小于反應(yīng)釜內(nèi)混合氣體的溫度，因此有明顯的液滴生成。通過以上可視化實驗，學(xué)生可對不同溫度、壓力條件下混合氣體狀態(tài)特性有更為直觀的認(rèn)識，有助于培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、歸納總結(jié)能力以及理論聯(lián)系實際能力[15]。

3.2 水蒸氣狀態(tài)與壓力的依存關(guān)系實驗

通過以上可視化實驗，可確定水蒸氣狀態(tài)轉(zhuǎn)變的臨界條件，記錄每個工況條件下的溫度和壓力值，進而得到水蒸氣的溫度、壓力隨時間的變化曲線，如圖3和圖 4 所示。將臨界條件下的溫度和壓力值進行總結(jié)，并與理論曲線進行對比，可進一步探明水蒸氣狀態(tài)與壓力的依存關(guān)系。

圖3 反應(yīng)釜內(nèi)溫度隨時間的變化曲線

該部分實驗同樣分為純蒸汽和氮氣/蒸汽混合氣體兩種情況，通過改變溫度、壓力，得到一組不同的飽和溫度-壓力點，可繪制出水蒸氣的飽和溫度-壓力曲線圖。在充入氮氣的情況下，繪制的曲線分為水蒸氣的飽和溫度-分壓力圖和飽和溫度-總壓力圖。將不同操作下的實驗工況與水蒸氣狀態(tài)總結(jié)如表1 所示。

圖4 反應(yīng)釜內(nèi)壓力隨時間的變化曲線

表1 實驗工況與水蒸氣狀態(tài)

表1 中水蒸氣狀態(tài)轉(zhuǎn)變的工況即為臨界工況，此類工況均通過緩慢控制溫度逼近獲得，當(dāng)恰好無水滴出現(xiàn)時，記錄此時反應(yīng)釜內(nèi)的溫度和壓力，作為一個飽和溫度-壓力點。將得到的水蒸氣飽和溫度-壓力點繪制成曲線，并與飽和水蒸氣性質(zhì)表中的溫度-壓力點繪制在同一個圖中。圖5 給出了實驗得到的水蒸氣飽和溫度-壓力曲線與查水蒸氣表得到的飽和溫度-壓力曲線，二者的變化趨勢符合良好。

圖5 中單獨水蒸氣的實驗作為對比實驗，驗證了實驗的可靠性。在此基礎(chǔ)上，向反應(yīng)釜中充入氮氣，進一步開展混合氣體狀態(tài)特性實驗。其中，分壓力可根據(jù)氣體分壓定律求得。對于理想氣體，不同氣體組分的分壓力符合道爾頓（Dalton）氣體分壓定律，即混合氣體的總壓力p 等于各組成氣體壓力pi之和[16]：

但由于蒸汽/氮氣混合氣體與理想氣體性質(zhì)相差甚遠(yuǎn)，采用理想氣體狀態(tài)方程計算分壓力偏差較大，因此選用真實氣體狀態(tài)方程Martin-Hou 方程進行計算[17]。

式中，fi為修正項；b 為常數(shù)；ν 為混合氣體比容，m3/kg。

計算時，先根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程求得混合氣體的比容0ν，然后將式（2）變形，進行迭代：

根據(jù)以上實驗與計算結(jié)果，得到水蒸氣的飽和溫度-分壓力實驗曲線，與前述水蒸氣飽和溫度-壓力實驗曲線共同對比于圖6。結(jié)果表明，水蒸氣飽和溫度-分壓曲線趨勢與理論的水蒸氣飽和溫度-壓力曲線吻合度較高，與圖5 中純蒸汽的飽和溫度-壓力曲線也基本一致，由此進一步驗證了水蒸氣的干度主要由分壓而非總壓決定的結(jié)論。

圖5 水蒸氣的飽和溫度-壓力曲線

圖6 氮氣/水蒸氣混合氣體飽和溫度-壓力曲線

3.3 實驗誤差分析

盡管實驗測得的水蒸氣飽和溫度-分壓曲線與理論計算獲得的水蒸氣飽和溫度-壓力曲線趨勢基本吻合，但仍存在一定偏差。為定量描述該偏差，采用均方誤差（MSE）來表征實驗測量值與理論計算值的偏差，計算公式如下：

據(jù)此，分別計算圖5 和圖6 中的實驗值與理論值的均方誤差分別為0.009 8 MPa 和0.033 9 MPa，對水蒸氣的干度主要由分壓決定這一結(jié)論進行了定量化描述。

4 結(jié)語

本文設(shè)計搭建的高溫、高壓條件下氮氣/蒸汽混合氣體狀態(tài)特性探究實驗教學(xué)平臺，具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作靈活、實驗精度高和安全性好等特點，可用于探究高溫高壓等條件下混合氣體溫度、總壓和分壓等對水蒸氣狀態(tài)特性的影響規(guī)律，適用于“工程熱力學(xué)”課程講授蒸汽性質(zhì)、混合氣體分壓定律、氣液相平衡等內(nèi)容。通過鼓勵學(xué)生自主設(shè)計具有可執(zhí)行性的實驗方案，預(yù)判實驗過程中可能出現(xiàn)的問題，分析稠油熱采蒸汽與氮氣混合注入工藝中存在的復(fù)雜工程問題，能夠提高他們的實踐能力和創(chuàng)新意識。該實驗平臺實現(xiàn)了科研實驗項目與教學(xué)實驗項目的緊密結(jié)合，具有較好的實用價值。