地面湿蒸汽临界流动流量控制方法及装置
阅读说明：本技术 地面湿蒸汽临界流动流量控制方法及装置 (Ground wet steam critical flow control method and device ) 是由 王顺华 董臣强 杨元亮 于田田 岳继文 孙立柱 陶建强 刘明 任延鹏 于 2020-05-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了地面湿蒸汽临界流动流量控制方法及装置,包括：外喷管,所述外喷管为一个由两端向中间渐缩的喷管；还包括：可变喷管,所述可变喷管整体装入所述外喷管内部,所述可变喷管也为一个由两端向中间渐缩的喷管,可变喷管中间缩颈最小的位置称为喉部；所述可变喷管具有径向伸缩性；过流面积调节机构,所述过流面积调节机构安装在可变喷管的喉部,径向带动喉部扩径或者缩颈。通过旋紧或扭松控制过流面积调节机构,过流面积调节机构径向带动喉部扩径或者缩颈,从而达到改变喉部直径,进而达到控制流量的效果。本发明基于临界流动规律可以通过改变控制装置的结构尺寸来达到改变通过流量控制装置的流量。(The invention discloses a method and a device for controlling ground wet steam critical flow, comprising the following steps: the outer spray pipe is a spray pipe gradually reduced from two ends to the middle; further comprising: the variable nozzle is integrally arranged in the outer nozzle, the variable nozzle is also a nozzle gradually reduced from two ends to the middle, and the position with the minimum necking in the middle of the variable nozzle is called a throat part; the variable nozzle has radial flexibility; and the flow area adjusting mechanism is arranged at the throat part of the variable spray pipe and radially drives the throat part to expand or shrink. The overflowing area adjusting mechanism is controlled by screwing or unscrewing, and the overflowing area adjusting mechanism radially drives the throat part to expand or shrink, so that the diameter of the throat part is changed, and the effect of controlling the flow is achieved. The invention can change the flow passing through the flow control device by changing the structural size of the control device based on the critical flow rule.)
技术领域
本发明涉及稠油开采蒸汽流量控制技术领域，具体地说是地面湿蒸汽临界流动流量控制方法及装置。
背景技术
在油层的稠油开采中，由于超稠油粘度高、油层条件下流动能力低，热力学方法中的蒸汽吞吐投资少、工艺技术简单、增产快，是首选的采油方法。
注蒸汽井采用流量测量的主要原因有两点：
(1)安全性，注汽系统中，对不同的井注入的湿蒸汽的量是不同的，这里就需要使用阀门根据流量计的变化来进行调控，所以经常使用到差压式流量计和控制阀门来实现。倘若不使用控制阀和流量计，对每口井的注蒸汽量没有控制，可能会产生蒸汽分配不均匀，甚至可能发生安全事故；
(2)经济性，根据每口井的规模，通入合适的蒸汽量，避免产生蒸汽资源的浪费，达到降低热采成本和提高经济效益。因此需对注汽系统参数进行监测与控制，并且对蒸汽的控制在热采过程中也是至关重要的。
当前常见的注汽蒸汽系统中蒸汽流量监测主要应用的是差压式流量计。当流体通过节流装置时，由于管径的变化或其他因素的影响使得流体断面收缩，在该处流体速度加快、压力降低，这样就会在节流装置两端出现压差，然后联立伯努利方程和连续性方程即可求得流量值。
申请号：92242205.2，申请日：1992-11-20一种用于公共、户内管道系统中流量控制的拉伐尔喷嘴降压节水器,是由带有阶梯型空腔10的螺母2、置于空腔10内的拉伐尔喷嘴1、与螺母2一端螺纹连接的端面紧固盖3、与螺母2侧面螺纹孔11相接的管接头5和分别与管接头5、节水器的出口7相接的节流阀6所组成。本节水器是利用自来水自身的能量,实现水流量在一定范围内自动控制,稳定出水流量,达到节水目的。
国内西安交通大学的一种流量可调节的不可压缩流体临界流装置，其发明专利号为ZL201410085529.8，一种流量可调节的不可压缩流体临界流装置，包括圆管状壳体，在圆管状壳体内同轴地固定有内孔为矩形的孔板，在圆管状壳体外与孔板对应的位置左右对称布置有两个流量自调室，上下对称布置有两个临界流自控室；维持装置上游流动参数不变，当下游压力达到某一个临界值时，流过该装置的流量就会达到一个最大值，如果继续降低下游压力，通过临界流自控室的作用流量仍将保持恒定不变，即实现了临界流动；而在装置上游压力发生变化时，流量自调室能够根据上游压力大小自动调节流量；该装置能够实现不可压缩流体的临界流动，克服了传统不可压缩流体依据汽蚀原理实现临界流存在的流速高、压损大、噪音和安全性能差的缺点，并且临界流量可调节，有效提高了不可压缩流体临界流装置的应用范围。长江大学的基于机械壅塞原理的临界流文丘里喷管，其发明专利号为ZL201710641683.2。一种基于机械壅塞原理的临界流文丘里喷管，包括缩放式的文丘里喷管本体，所述文丘里喷管本体由顺序连接的头部收缩段、喉部直管段、以及尾部扩散段组成；所述文丘里喷管本体位于头部收缩段的进口端设置有上游安装孔板，所述文丘里喷管本体位于尾部扩散段的出口端设置有下游安装孔板；所述文丘里喷管本体的内腔穿设有导杆，且所述导杆的中心轴线与文丘里喷管本体的中心轴线重合；所述导杆上套设有横跨喉部直管段用于控制流体流量的浮子，所述浮子可在流体的驱动下沿导杆轴向滑动与喉部直管段形成面积可变的流通通道。本发明能够在较低流速和较小的阻力损失下实现不可压缩流体的临界流动，且能够同时屏蔽上下游压力扰动对流量的影响。均是依据临界流动原理来设计的，其优点解决受安装条件的限制的问题，使测量装置在多种情形下均能使用。保证能流参数最小化的改变，减少压力损失对注汽效果带来的影响，增大流量计的控制和调控范围。但是其缺点也很明显，安装条件要求严格。在差压式流量计前后要求设置较长直管段，这个在实际的注汽系统中因为空间限制可能无法设置较长直管段。测量范围狭窄，应用局限性较大。在注汽管路中，流体为湿蒸汽，使用差压式流量计很难测量两相流体的流量。压力损失较大，对于较小直径的管道测量比较困难。在注汽管路中对压力的能流参数的控制要求较高，压力损失过大影响整体的注汽效果，在此需要避免出现压力损失过大的情况。
以上公开技术的技术方案以及所要解决的技术问题和产生的有益效果均与本发明不相同，或者
技术领域
或者应用场合不同，针对本发明更多的技术特征和所要解决的技术问题以及有益效果，以上公开技术文件均不存在技术启示。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种流量控制装置及方法，这种流量控制装置针对湿蒸汽流体，基于临界流动规律可以通过改变控制装置的结构尺寸来达到改变通过流量控制装置的流量。
为了达成上述目的，本发明采用了如下技术方案：
地面湿蒸汽临界流动流量控制装置，包括：
外喷管，所述外喷管为一个由两端向中间渐缩的喷管；
还包括：
可变喷管，所述可变喷管整体装入所述外喷管内部，所述可变喷管也为一个由两端向中间渐缩的喷管，可变喷管中间缩颈最小的位置称为喉部；所述可变喷管具有径向伸缩性；
过流面积调节机构，所述过流面积调节机构安装在可变喷管的喉部，径向带动喉部扩径或者缩颈。
进一步地，所述过流面积调节机构包括：
连接扣，所述连接扣连接在可变喷管的喉部位置；
调节阀，所述调节阀为一带手柄的螺栓，丝扣式安装在外喷管开设的丝孔中，调节阀内端与连接扣连接。
进一步地，所述连接扣包括：
圆弧管，所述圆弧管至少设置两个，所述圆弧管连接调节阀，所述圆弧管还连接可变喷管的喉部；每个圆弧管均配置一个调节阀；
圆弧杆，所述圆弧杆两端分别伸入相邻的两个圆弧管内。
进一步地，所述连接扣还包括：
防脱限位机构，所述防脱限位机构包括扩径片和缩颈肩台，所述扩径片连接在圆弧杆的端部，所述缩颈肩台安装在圆弧管端部口内壁，所述扩径片外径大于缩颈肩台内径。
进一步地，所述扩径片外径小于圆弧管内径，所述缩颈肩台内径大于圆弧杆外径。
进一步地，所述外喷管两端口内壁均设置一个插入环槽，所述可变喷管的端部插入到插入环槽内部。
进一步地，还包括：
自调节浮子，所述自调节浮子装入可变喷管内部，且靠近喉部位置。
进一步地，所述自调节浮子前端连接前支撑弹簧，前支撑弹簧连接前端支架，前端支架固定在外喷管前端口内壁；所述自调节浮子后端连接后支撑弹簧，后支撑弹簧连接后端支架，后端支架固定在外喷管后端口内壁。
为了达成上述目的，本发明采用了如下技术方案：
地面湿蒸汽临界流动流量控制方法，包括以下步骤：
可变喷管整体装入所述外喷管内部，可变喷管也为一个由两端向中间渐缩的喷管；把过流面积调节机构安装在可变喷管的喉部；可变喷管选择具有径向伸缩性的材质制成；
通过旋紧或扭松控制过流面积调节机构，过流面积调节机构径向带动喉部扩径或者缩颈，从而达到改变喉部直径，进而达到控制流量的效果。
进一步地，过流面积调节机构的具体调节步骤为：
通过旋紧或扭松调节阀，调节阀径向拉动或挤压圆弧管，各个圆弧管相互靠近，圆弧杆也逐渐伸入圆弧管内，圆弧杆可以限制圆弧管只能呈圆形放大或缩小，圆弧管就会拉大或压小可变喷管喉部的内径。
进一步地，当发生临界流时，流过可变喷管的流量和可变喷管喉口直径的关系：
其中，a和b为室内及现场试验所取系数，Mt为蒸汽的质量流量，单位为t/h；Pu为文丘里喷嘴上游的压力，单位为MPa；d为喉口直径，单位为mm；X为蒸汽干度，此时蒸汽干度为小数。
进一步地，在可变喷管内部设置自调节浮子，当湿蒸汽流体经过可变喷管时，入口压力发生波动时候，通过弹簧浮子的自调节功能，能够克服入口压力波动，使得入口压力还能够维持临界流的入口压力，无论如何减小出口压力，流量还能始终保持不变。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明通过不同的喷管喉部直管对应不同流量以保证流量控制的准确性。可以根据实际生产过程调节不同的喉部尺寸达到控制流量的效果。
本发明通过喷管的特殊状态达到控制流量的效果，减少成本投入，回报较高。
本发明的地面湿蒸汽临界流动流量控制装置结构简单，免去复杂的调控过程，直接设计使用达到理想的效果。喷管结构简单，免去了繁琐的操作，只需要根据不同流量调整喉部的口径即可。
本发明流量控制装置和方法适用于湿蒸汽流体的调控和计量。
附图说明
图1为本发明地面湿蒸汽临界流动流量控制装置的结构示意图；
图2为连接扣的结构示意图；
图3为本发明地面湿蒸汽临界流动流量控制装置的第二种实施例的结构示意图。
图中：1、外喷管；2、连接扣；3、调节阀；4、可变喷管；5、固定端；6、前端支架；7、支撑弹簧；8、自调节浮子；9、后端支架。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
请参阅图1至图2，图1为经过改进的拉伐尔喷管，经过改进的拉伐尔喷管分为外壳体与内壳体，内、外壳体通过连接扣连接，进口直径90mm，外壳体喉部直径为69.9mm，渐缩段长度为253.6mm，其内壳体喉部直径可以通过外部调节阀门进行调节，阀门位于喉部上下，通过旋紧或扭松控制内壳体的出口直径变化，从而达到改变喉部直径，进而达到控制流量的效果。图2为壳体变径工作原理，主要依靠韧性钢板的伸缩性达到控制直径变化的效果。其喉部扩角要保证在0°到5°之间，才能保证流量的控制准确和测量装置的实现，喷管前后出口段湿蒸汽能流参数可控制的压力在10MPa到15MPa之间，其中干度在0.5到0.8之间，最终实现湿蒸汽在1.5Kg/s到5Kg/s这个范围之内的所要求的流量控制。
本发明提供一种技术方案：
地面湿蒸汽临界流动流量控制装置，包括：
外喷管1，所述外喷管为一个由两端向中间渐缩的喷管，此时就是改进前的拉伐尔喷管；
还包括：
可变喷管4，所述可变喷管整体装入所述外喷管内部，所述可变喷管也为一个由两端向中间渐缩的喷管，可变喷管中间缩颈最小的位置称为喉部；所述可变喷管具有径向伸缩性；
过流面积调节机构，所述过流面积调节机构安装在可变喷管的喉部，径向带动喉部扩径或者缩颈。
进一步地，所述过流面积调节机构包括：
连接扣2，所述连接扣连接在可变喷管的喉部位置；
调节阀3，所述调节阀为一带手柄的螺栓，丝扣式安装在外喷管开设的丝孔中，调节阀内端与连接扣连接。
进一步地，所述连接扣包括：
圆弧管21，所述圆弧管至少设置两个，所述圆弧管连接调节阀，所述圆弧管还连接可变喷管的喉部；每个圆弧管均配置一个调节阀；
圆弧杆22，所述圆弧杆两端分别伸入相邻的两个圆弧管内。
进一步地，所述连接扣还包括：
防脱限位机构，所述防脱限位机构包括扩径片和缩颈肩台，所述扩径片连接在圆弧杆的端部，所述缩颈肩台安装在圆弧管端部口内壁，所述扩径片外径大于缩颈肩台内径，虽然以上构件没给出标号，但图纸显示很清楚。
进一步地，所述扩径片外径小于圆弧管内径，所述缩颈肩台内径大于圆弧杆外径。
进一步地，所述外喷管两端口内壁均设置一个插入环槽，也就是固定端5，所述可变喷管的端部插入到插入环槽内部。
进一步地，还包括：
自调节浮子8，所述自调节浮子装入可变喷管内部，且靠近喉部位置。
进一步地，所述自调节浮子前端连接前支撑弹簧，前支撑弹簧连接前端支架6，前端支架固定在外喷管前端口内壁；所述自调节浮子后端连接后支撑弹簧，后支撑弹簧连接后端支架9，后端支架固定在外喷管后端口内壁。
地面湿蒸汽临界流动流量控制方法，包括以下步骤：
可变喷管整体装入所述外喷管内部，可变喷管也为一个由两端向中间渐缩的喷管；把过流面积调节机构安装在可变喷管的喉部；可变喷管选择具有径向伸缩性的材质制成；
通过旋紧或扭松控制过流面积调节机构，过流面积调节机构径向带动喉部扩径或者缩颈，从而达到改变喉部直径，进而达到控制流量的效果。
进一步地，过流面积调节机构的具体调节步骤为：
通过旋紧或扭松调节阀，调节阀径向拉动或挤压圆弧管，各个圆弧管相互靠近，圆弧杆也逐渐伸入圆弧管内，圆弧杆可以限制圆弧管只能呈圆形放大或缩小，圆弧管就会拉大或压小可变喷管喉部的内径。
进一步地，在可变喷管内部设置自调节浮子，当湿蒸汽流体经过可变喷管时，入口压力发生波动时候，通过弹簧浮子的自调节功能，能够克服入口压力波动，使得入口压力还能够维持临界流的入口压力，无论如何减小出口压力，流量还能始终保持不变。
在拉伐尔喷管的基础上进行微小改动，其孔径逐渐减小，孔径最小部分为喷管喉部，喉部后有孔径逐渐增大的流道。缩放喷管上游与下游压力满足一定关系时，喷管喉部的气体流速达到当地因素，喷管达到临界状态，流过喷管的气体质量流量只与上游压力有关，而与下游压力无关。
当发生临界流时，流过可变喷管的流量和可变喷管喉口直径的关系：
其中，a和b为室内及现场试验所取系数，Mt为蒸汽的质量流量(t/h)，Pu为文丘里喷嘴上游的压力(MPa),d为喉口直径(mm)，X为蒸汽干度，此时蒸汽干度为小数。
经过改进的拉伐尔喷管分为外壳体与内壳体，内、外壳体通过连接扣连接，其内壳体喉部直径可以通过外部调节阀门进行调节，阀门位于喉部上下，通过旋紧或扭松控制内壳体的出口直径变化，从而达到改变喉部直径，进而达到控制流量的效果。
内壳体变径工作原理主要依靠韧性钢板的伸缩性达到控制直径变化的效果。其喉部扩角要保证在0°到5°之间，才能保证流量的控制准确和测量装置的实现，喷管前后出口段湿蒸汽能流参数可控制的压力在10MPa到15MPa之间，其中干度在0.5到0.8之间，最终实现湿蒸汽在1.5Kg/s到5Kg/s这个范围之内的所要求的流量控制。
当湿蒸汽流体经过拉伐尔喷管时，保持入口压力不变，当出口压力为临界压力时，无论如何减小出口压力，流量始终保持不变，这时我们可以通过改变拉伐尔喷管的喉部直径来改变通过拉伐尔喷管的流量。
改变喉部直径，我们可以通过中间的调节阀门旋转来改变特殊设计管径连接扣的开合，控制喉部管径的变化，从而控制装置流量的变化。
实施例2：
请参阅图1至图3，在实施方式1中，入口压力保持稳定，在实施方式中2当湿蒸汽流体经过拉伐尔喷管时，入口压力发生波动时候，通过弹簧浮子的自调节功能，能够克服入口压力波动，使得入口压力还能够维持临界流的入口压力，无论如何减小出口压力，流量还能始终保持不变。其中的流量控制还是通过调节阀门改变喉部直径来实现。
本申请中凡是没有展开论述的零部件本身、本申请中的各零部件连接方式均属于本技术领域的公知技术，不再赘述。比如焊接、丝扣式连接等。
在本发明中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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