摘要：稠油熱采注蒸汽工藝對調節閥的基本要**應能在小流量時具有較大的降壓功能，而在大流量時能獲得小的壓降。現有蒸汽流量調節閥均難以在全行程范圍內有效地調節蒸汽流量，且存在振動和沖蝕等問題。在分析國內外高壓差流量調節閥的結構、工作原理及存在問題的基礎上，研制成新型高壓差迷宮式蒸汽流量調節閥。當調節閥開度百分率從0％到100％（行程不斷變化）時，流量百分率從0％上升到100％；反之，則下降，整個行程近100mm可方便調節，且實現了高壓差下的低流速。在閥門進口p進=9.4MPa，出口p出=3.2MPa時，實測閥門噪聲70dB（普通調節閥噪聲達到84dB以上），從根本上減輕了沖蝕和噪聲。 關鍵詞：注蒸汽流量 控制 調節閥 高壓差
1、稠油熱采注汽對流量調節閥的基本要求
稠油熱力開采進入蒸汽驅開采以后，形成比較固定的注汽管網、蒸汽分配和計量的典型流程。稠油開發注蒸汽流程中至關重要的三個問題是蒸汽的分配、計量和調控。??理的蒸汽調控能實現科學注汽，提高熱采的油汽比和原油的采收率，從而獲得滿意的經濟效益。稠油熱采有單井吞吐和汽驅兩個階段。在整個區塊的熱采全過程中，除初期只有單井吞吐外，一般是單井吞吐和汽驅同時進行。因此配汽站要同時給吞吐井和汽驅井配注。在新疆克拉瑪依油田的熱采現場，吞吐井壓力高（5～10MPa），注汽流量大（6～10t/h），而汽驅井注汽壓力低（2～5MPa），注汽流量小（1.5～5t/h）。這就是說，分配器到各注汽井之間的壓差大小不一，相差3MPa或更多，必須在分配器和注汽井之間增加**動阻力環節來吸收剩余的壓力。顯然，這里使用的流量調節閥應能在小流量時具有較大的降壓功能，而在大流量時具有小的壓降。這就是稠油熱采注汽工藝流程對調節閥的特殊要求。
2、現有蒸汽流量調節閥和高壓差流量調節閥存在的問題
目前熱采工藝流程中，為了降壓，所使用的調節閥以極小開度工作，閥內蒸汽流速很高，可調性差，很難達到預定流量值。加之一個分配器對應多口注汽井，調節其中一口井的流量會影響其它井的流量，這又增加了流量調節的難度。勝利油田與西安高壓閥門廠合作開發的JT65y250V型高壓蒸汽調節截止閥的阻力件為活塞過孔式調節結構。根據熱采現場運行測試數據繪制的流量百分率與開度百分率的關系曲線如圖1。從曲線看出，開度從0％～10％時，流量百分數超過60％，調節靈敏度太大，閥門手輪一動，要么蒸汽流量過大，要么過小。而在10％開度以上時調節靈敏度又太低，在40％～100％開度范圍內則無調節功能。因此難以在全行程范圍內有效地調節蒸汽流量。同時閥門開度較小時，閥內的流體達到臨界流速，隨之引起振動和沖蝕等嚴重問題。
圖1 JT65y250V型高壓蒸汽調節截止閥流量百分率與開度百分率的關系曲線
西安交通大學的科研人員設計了GYY高壓差調節閥（圖2），實現了高壓降，并使流量調節特性有所改善，但臨界流速過高使得沖蝕、振動、噪聲等問題更嚴重，不得不采用高強度、耐磨損材料。這樣，不僅提高了閥門成本，而且流量隨行程的變化率仍很大，調節特性并未得到明顯改善。此外，臨界流一般要求入口壓力與背壓之比大于2，這就限制了其應用范圍。例如一些熱采注汽井需要壓力8～12MPa或更高，而鍋爐的出口*大壓力為18MPa，不可能形成臨界流。在現場應用中，這種調節閥還不能有效地實現高溫高壓下大范圍內的流量調節和壓降調節，其流量調節主要取決于*后**的通道面積。這種調節方法與普通閥門沒有根本的區別，仍很難通過調節閥門開度來保證預計流量。現有高壓差流量調節閥的一個共同特點是高壓差必然導致高流速，而高流速又帶來振動、沖蝕、噪聲等嚴重問題。如何解決這些問題是擺在科技人員面前的一項重要研究課題。
圖2 GYY高壓差調節閥
3、新型高壓差迷宮式蒸汽流量調節閥的研制
國外在調節閥的研究方面提出了一些有價值的設計思想和方法。圖3為美國設計的一種調節閥的可變流阻閥心。與普通閥門的不同之處在于，其流通面積隨行程變化，而且閥門的節流級數、阻力系數也隨行程變大而減小，即流通面積變量與阻力系數成反比變化。因而此閥心在許多流程的控制系統中可修正自然壓降的偏差，實現小流量大壓降或大流量小壓降，獲得寬廣的固有調節幅度。此外，采用多級壓降、曲折流道使流速降低而具有低噪聲特點。實際流體可通過的流道數量與閥門開度成正比，即閥門的行程剛開始時，只有一個流道露出，而開度接近100％時，露出的流道數*大，閥心處于如圖的位置時，涂黑部分才是實際流道。但卻引起另外一些問題，如節流件采用垂直彎頭的順―順連接（或逆―逆連接，即正向直角彎頭）而限制了流阻系數；密封性較差，漏失嚴重，工藝復雜，加工成本高，因而這種閥門未出現在美國國內市場上。
圖3 美國設計的可變流阻閥心
綜上所述，稠油熱采注蒸汽工藝流程需要的是一種高壓差調節閥，除適應高溫、高壓的汽水兩相流介質外，還將遇到高壓差、寬調節范圍、振動、沖蝕等特殊問題。為此，新疆石油管理局采油工藝研究院與清華大學核能技術設計研究院開展了聯合攻關，其指導思想是盡可能地增大閥門的阻力系數，實現低流速下的高壓差，從根本上緩解了沖蝕和噪聲，得到了良好的調節性能和寬廣的固有流量調節幅度。新設計的迷宮式流量調節閥（已申報國家**，其閥心結構見圖4）在克拉瑪依紅淺熱采稠油區進行了現場試驗，測量結果見圖5。
圖4 迷宮式流量調節閥閥心
圖5 流量百分率與開度百分率關系曲線
改變閥門開度時，流量變化平緩、穩定。當開度百分率從0％到100％（行程不斷變化）時，流量百分率從0％上升到100％。反之，則下降，整個行程近100mm可方便調節。由圖5中曲線可看出閥門開度百分率與流量百分率近似成線性關系，所以易于調節，且閥門實現了高壓差下的低流速。在閥門進口p進=9.4MPa，出口p出=3.2MPa時，實測閥門（距閥門30cm）噪聲70dB（普通調節閥噪聲達到84dB以上），表明這種迷宮式流量調節閥具有良好的推廣應用前景和巨大的經濟效益。