电动抗剪切流量自动控制阀的研制

概述

　　目前，在油田进入高含水采油阶段时，其中聚合物驱和三元复合驱配注工艺已得到了广泛的应用。在这两种工艺中，聚合物母液的注入量和粘度对提高原油采收率起着关键作用。聚合物一般为阴离子聚丙烯酰胺，属于一种高粘度、高分子的非牛顿假塑性流体。它对机械剪切比较敏感，当聚合物母液在流动时所受的机械剪切应力增大至足以使分子链断裂时，将产生机械降解，粘度降低。聚合物采用普通控制阀门调节流量时会因为流道复杂、高流阻等原因产生较强的剪切作用，导致其粘度和性能降低，影响了原油采收率的提高。电动抗剪切流量自动控制阀( 母液调节阀) 采用了高长径比内件( HLDT) 设计，解决了聚合物母液流量调节时粘度损失大的难题，而且整机实现了流量控制过程的自动化。

主要技术指标

　　公称通径DN25 ～ 100
　　公称压力PN16 ～ 250
　　工况温度＜ 60℃
　　适用介质分子量为1 000 ～ 15 000 万、浓度0. 6 ～ 6g /L 的聚合物溶液

工作原理

　　母液调节阀与流量主控单元和电动执行机构等组成了电动抗剪切流量自动调节成套装置( 图1) 。流量主控单元接受来自电磁流量计的4 ～ 20mA 标准信号，它一方面将现场的实测流量通过液晶数字显示，另一方面将实测流量与设定流量进行比较，如果偏小则控制电动执行机构驱动母液调节阀开度增大，反之则开度减小，直至实测流量与设定流量一致。

1. 母液调节阀2. 流量主控单元3. 电动执行机构

图1 整机总装图

图2 工作原理

　　阀门正常工作时，聚合物母液从注聚泵出来流过电磁流量计，然后流入母液调节阀入口，经过直角流道，在阀瓣和阀体形成的截面为圆环的锥形腔中被节流，最后流出阀门出口( 图2) 。

母液调节阀

　　母液调节阀采用小流阻的直角流道，内件采用高长径比( HLDT) ，即阀体节流腔为无阀座深锥孔，阀瓣节流区为双头长锥体。入口处长径比( L/D) 应大于5，出口处长径比( L/D) 应大于15。阀体和内件采用耐蚀不锈钢制造，阀体深锥孔采用深孔专用设备加工。阀瓣节流区的双头长锥体采用高精度数控车床加工并经磨削，保证两者有较好的同轴度和表面光洁度，以确保流道具有最小流阻。对大于DN50 的阀门，采用内压自平衡阀瓣，以减小阀杆推力，减轻阀门自重。

　　直角流道、高长径比( HLDT) 内件、无阀座式阀体节流腔、较高的形位精度和低粗糙度及全不锈钢材料，构成了母液调节阀具有较好抗剪切能力及较强抗腐蚀能力的必要条件。

流量主控单元

　　流量主控单元硬件由单片机和液晶显示器件组成，软件采用分区段算法通过外围继电器驱动电动执行机构调整阀瓣开度，实现流量自动控制。液晶界面有设定流量，实测流量等参数。流量主控单元设计有按键，同时配置通讯模块，参数可通过按键给定，也可通过现场总线与配注工作站实现数字通讯，从而对流量等参数进行监测和设定。

电动执行机构

　　电动执行机构采用大位移直行程设计，电机采用AC 可逆单相齿轮减速电机，配齿形同步带传动，末级为螺杆传动，壳体设计满足IP65 级和ExdIIbT4隔爆级要求，符合油田爆炸性环境的使用规定。另外执行机构设计有便携式手柄驱动，方便出厂测试和现场调试。

测试和应用

　　在LSJ-50 水流量标准装置上对DN40 PN160整机进行测试，介质为水，在初始实测流量为0. 5m3 /h时，将设定流量值设为1m3 /h，死区上下偏差设为0. 01m3 /h，产品在自控状态下启动，实测流在设定点上下反复变化并逐步逼近，在80s 内达到稳定的实测流量0. 99m3 /h，符合设计要求。在实际应用中，通过在自动调节装置进出口对聚合物母液多次取样化验，分析结果证明整机粘度保留率均在97. 1% ～ 98. 2%之间。

结语

　　电动抗剪切流量自动控制阀解决了高粘度聚合物流量调节时粘度损失大的难题，提高了高含水油田的原油采收率。该产品通过近几年的设计、试验、应用和改进，技术和工艺趋于成熟，已批量应用于聚合物驱配注工艺，并通过了设计院的标准化设计。