注汽锅炉出口的蒸汽热力参数的计算方法及其装置与流程

本发明涉及石油开采领域中的稠油热采领域，特别涉及一种地面输气管线的注汽锅炉出口的蒸汽热力参数的计算方法及其装置。
背景技术：
：稠油是指地层条件下粘度大于50mp·s(毫帕·秒)，或油层温度下脱气原油粘度为1000至10000mp·s的高粘度重质原油。由于稠油粘度大，因此流动性能较差，甚至在某些油层条件下不能流动，给稠油的开采带来了困难。在油田的石油开采中，由于稠油具有特殊的高粘度和高凝固点的特性，在储层和井筒中流动性差，常规开采采收率低，即无法保证正常的经济产量。为了保证合理的采收率，往往通过降低原油的粘度来采油。注蒸汽热力开采稠油技术可以降低稠油黏度，改善流度比，降低残余油饱和度，提高驱油效率。注蒸汽热力开采稠油技术所用的高温高压蒸汽是在注汽站中产生，然后通过地面管线输送至井口，再由井口通过井筒注入地层。蒸汽在运移过程中不可避免存在热量损失，为了保证到达井底蒸汽保留较高的干度，达到较好的注汽效果，注汽锅炉出口蒸汽热力参数的设计至关重要。现有方法均是以注汽锅炉出口为起点计算井口蒸汽参数，进而计算蒸汽到达井底时热力学参数，本发明提供了一种已知井口蒸汽所需的压力、温度、干度以及注汽速率，预算实现该井口蒸汽参数条件下，锅炉出口蒸汽需要达到的压力、温度、干度，并计算在注汽过程中整个地面管线的蒸汽参数的变化，为锅炉蒸汽注入参数设计提供可靠依据。技术实现要素：本发明的目的是提供一种地面输气管线的注汽锅炉出口的蒸汽热力参数的计算方法及其装置，以能够确定注汽锅炉出口的蒸汽热力参数，从而为锅炉蒸汽注入参数设计提供可靠依据。为达到上述目的，本发明提供一种注汽锅炉出口的蒸汽热力参数的计算方法，包括：获取计算参数，所述计算参数包括：注汽井口蒸汽压力、温度、干度，地面管线参数，地面管线外环境参数；根据所述计算参数，迭代计算注汽锅炉出口至注汽井口蒸汽的热损失量；忽略地面管线内压力、重力变化的条件下根据能量平衡定律建立能量控制方程，确定地面管线注汽锅炉出口处蒸汽的干度。作为一种优选的实施方式，所述计算注汽锅炉出口至注汽井口蒸汽的热损失量包括：设定所述管线上的预设绝热层外表面温度；通过所述预设绝热层外表面温度计算所述管线总热阻，通过所述管线总热阻计算管线输气沿程热损失；根据所述管线输气沿程热损失计算绝热层外表面温度；反复迭代，当所述绝热层外表面温度计算值与设定值满足第一预定精度时，确定所述管线绝热层外表面温度，以获得注汽锅炉出口至注汽井口蒸汽的热损失。作为一种优选的实施方式，采用如下的计算公式计算单位长度地面管线中的热损失：上式中，q为单位时间内，单位长度地面管线中中的热损失，单位千卡/(小时·米)；Ts为蒸汽温度，单位摄氏度；Ta为环境温度，单位摄氏度；R为单位长度地面管线中的总热阻值，单位(米·小时·摄氏度)/千卡；通过所述计算步长的数值与所述单位长度地面管线中的热损失的乘积，确定所述地面管线中的热损失。作为一种优选的实施方式，所述计算地面管线总热阻包括：地面管线的总热阻R，根据下述公式进行计算：上式中，R为地面管线总热阻值，R1为地面管线内蒸汽与液膜层对流换热的热阻值，R2为地面管线内蒸汽与污垢层对流换热的热阻值，R3为管壁的热传导的热阻值，R4为绝热层热传导的热阻值，R5为地面管线对空气的强迫对流换热的热阻值，单位均为(米·小时·摄氏度)/千卡；hf为液膜层对流换热系数，hp为污垢层对流换热系数，hfc为绝热层外表面上强迫对流热系数，单位均为千卡/(平方米·小时·摄氏度)；λp为地面管线的导热系数，千卡/(米·小时·摄氏度)；ri为地面管线内半径，ro为地面管线外半径，rins为绝热层外半径，单位均为米；其中，地面管线对空气的强迫对流换热包括绝热层外表面至大气的对流换热和管外壁至大气的辐射换热；所述绝热层外表面至大气的对流换热系数hfc'，其计算公式如下：上式中，λa为空气的导热系数，单位千卡/(米·小时·摄氏度)；Re为雷诺数，通过下式计算得到：Re＝νaDs/υa上式中，νa为风速，单位米/秒；υa为空气的运动粘度，单位平方米/秒；Ds为绝热层外径，单位米；其中C，n根据Re按照预定规则进行选取；管外壁至大气的辐射换热系数hfc"，其计算公式如下：上式中，ε为管壁外黑度，无因次量；Ta为空气平均温度，单位摄氏度；Tw为绝热层外壁温度，单位摄氏度。作为一种优选的实施方式，采用如下的计算公式计算绝热层外表面温度：上式中，hf为液膜层对流换热系数，hp为污垢层对流换热系数，λp为地面管线的导热系数，千卡/(米·小时·摄氏度)；ri为地面管线内半径，ro为地面管线外半径，rins为绝热层外半径，单位均为米；q为单位时间内，单位长度地面管线中中的热损失，单位千卡/(小时·米)；Ts为蒸汽温度，单位摄氏度；Tw为绝热层外壁温度，单位摄氏度。作为一种优选的实施方式，所述根据能量平衡定律计算干度步骤包括：建立如下能量控制方程：将注汽井口蒸汽干度x|z＝L＝xu作为初始条件，求解上述方程，得到注汽锅炉出口的蒸汽干度计算表达式从而，锅炉出口的蒸汽干度计算公式为：上式中，q为单位时间单位长度地面管线中蒸汽的热损失，单位千卡/(小时·米)；z为计算位置与锅炉出口的距离，单位米；G为饱和蒸汽质量流量，单位千克/小时；Lv为汽化潜热，千卡/千克；xu为注汽井口(地面管线末端)蒸汽干度，无量纲；上述汽化潜热Lv为干饱和蒸汽的热焓与饱和水的热焓之差，其计算公式为：Lv＝273×(374.15-T)0.38＝hg-hl；hl为饱和水的热焓，单位kcal/kg，其计算公式为：hl为饱和水的热焓，单位千卡/千克；其计算公式为：hg＝12500+1.88T-3.7×10-6T3.2上式中，T为蒸汽温度，单位摄氏度。为达到上述目的，本发明还提供一种注汽锅炉出口的蒸汽热力参数的计算方法，包括：获取计算参数，所述计算参数包括：注汽井口蒸汽压力、温度、干度，注汽速率，地面管线参数，地面管线外环境参数，计算步长；根据所述计算参数，计算注汽锅炉出口至注汽井口蒸汽的热损失量；根据所述计算参数，通过动量守恒定律建立地面管线中蒸汽压降梯度的控制方程，确定地面管线任意位置蒸汽温度和压力；根据所述计算步长在所述地面管线长度上划分管线微元段，并建立能量控制方程，以所述注汽井口干度作为初始条件，通过相互耦合的热损失、压力、干度迭代计算，确定注汽锅炉出口处蒸汽的干度。作为一种优选的实施方式，取锅炉出口为坐标原点，蒸汽沿管线流动方向为Z轴方向，根据动量守恒原理，建立地面管线中蒸汽压降梯度的控制方程：根据所述控制方程，运用数值方法将整个地面管线分成若干计算步长，每一个计算步长长度为△z，在每一段内对上式进行积分；令vm＝(vout+vin)/2获得确定地面管线任意位置蒸汽压力的计算公式：上式中，pin为地面管线的每个计算步长的入口处的蒸汽压力，单位兆帕；pout为地面管线的每个计算步长的出口处的蒸汽压力，单位兆帕；fm为湿蒸汽流体的摩擦阻力系数，无量纲；ρm为湿蒸汽流体的密度，单位千克/立方米；νm为湿蒸汽流体的平均速度，单位米/秒；vin为地面管线的每个计算步长的入口处的蒸汽速度，单位米/秒；vout为地面管线的每个计算步长的出口处的蒸汽速度，单位米/秒；g为重力加速度，单位米/平方秒；ri为输气管线内径，单位米；A为流动截面积，单位平方米；G为湿蒸汽流体的质量流量，单位千克/秒；所述ρm饱和湿蒸汽的平均密度计算公式如下：ρm＝Hgρg+(1-Hg)ρl上式中ρl为饱和水的密度，其与蒸汽温度T的关系式如下：ρl＝0.9967-4.615×10-5T-3.063×10-6T2上式中ρg为饱和蒸汽的密度，其计算公式如下：ρg＝5.9×10-4+3.2×10-4(T/100)4.5上式中，T为蒸汽温度，单位摄氏度；p为蒸汽压力，单位兆帕；上式中fm为湿蒸汽的摩擦阻力系数，其根据平均压力和平均温度下饱和湿蒸汽的雷诺数Re确定；Hg为饱和蒸汽的体积含汽率，其计算公式如下：上式中，x为蒸汽干度，无因次量；ρg为饱和蒸汽的密度，单位千克/立方米；ρl为饱和水的密度，单位千克/立方米。作为一种优选的实施方式，地面管线内蒸汽为饱和湿蒸汽，计算地面管线任意位置蒸汽温度的公式为：Tin＝195.94pin0.225-17.8上式中，Tin为地面管线的每个计算步长的入口处的蒸汽温度，单位摄氏度；pin为地面管线的每个计算步长的入口处的蒸汽压力，单位兆帕。作为一种优选的实施方式，所述确定注汽锅炉出口处蒸汽的干度包括以下步骤：设定所述管线微元段上的预设干度降；根据能量平衡定律计算干度，反复迭代，当所述管线微元段干度降计算值与设定值之间满足第二预定精度时，确定所述管线微元段的干度降；循环计算至整个地面管线，确定注汽锅炉出口处蒸汽的干度。作为一种优选的实施方式，所述根据能量平衡定律计算干度步骤包括：建立如下能量控制方程：将注汽井口蒸汽干度x|z＝L＝xu作为初始条件，求解上述方程，得到地面管线任意位置蒸汽干度计算表达式其中：C1＝G(hg-hl)从而，锅炉出口蒸汽干度计算公式为：上式中，hg为饱和蒸汽的焓，单位千卡/千克；hl为饱和水的焓，单位千卡/千克；x为蒸汽干度，无因次量；g为重力加速度，单位米/平方秒；G为注汽井口蒸汽排量，单位千克/小时；q为单位时间内，单位管线长度热损失，单位千卡/(小时·米)；ρm为饱和湿蒸汽密度，单位千克/立方米；A为管线横截面积，单位平方米；θ为管线倾角，单位度；所述ρm饱和湿蒸汽的平均密度计算公式如下：ρm＝Hgρg+(1-Hg)ρl上式中ρl为饱和水的密度，其与蒸汽温度T的关系式如下：ρl＝0.9967-4.615×10-5T-3.063×10-6T2上式中ρg为饱和蒸汽的密度，其计算公式如下：ρg＝5.9×10-4+3.2×10-4(T/100)4.5上式中，T为蒸汽温度，单位摄氏度；p为蒸汽压力，单位兆帕；Hg为饱和蒸汽的体积含汽率，其计算公式如下：上式中，x为蒸汽干度，无因次量；ρg为饱和蒸汽的密度，单位千克/立方米；ρl为饱和水的密度，单位千克/立方米。为达到上述目的，本发明还提供一种地面注汽管线内蒸汽热力参数计算装置，包括：参数获取模块，用于获取计算参数，所述计算参数包括：注汽井口蒸汽压力、温度、干度，地面管线参数，地面管线外环境参数；热损失确定模块，用于根据所述计算参数，迭代计算注汽锅炉出口至注汽井口蒸汽的热损失量；干度确定模块，用于在忽略地面管线内压力、重力变化的条件下根据能量平衡定律建立能量控制方程，确定注汽锅炉出口处蒸汽的干度。为达到上述目的，本发明还提供一种地面注汽管线内蒸汽热力参数计算装置，包括：参数获取模块，用于获取计算参数，所述计算参数包括：注汽井口蒸汽压力、温度、干度，注汽速率，地面管线参数，地面管线外环境参数，计算步长；热损失确定模块，用于根据所述计算参数，迭代计算注汽锅炉出口至注汽井口蒸汽的热损失量；压力温度确定模块，用于根据所述计算参数，通过动量守恒定律建立地面管线中蒸汽压降梯度的控制方程，确定地面管线任意位置蒸汽温度和压力；干度确定模块，用于根据所述计算步长在所述地面管线长度上划分管线微元段，并建立能量控制方程，以所述注汽井口干度作为初始条件，通过相互耦合的热损失、压力、干度迭代计算，确定注汽锅炉出口处蒸汽的干度。本发明的特点和优点是：本发明所述注汽锅炉出口的蒸汽热力参数的计算方法，通过获取注汽井口蒸汽压力、温度、干度，将所述地面管线内蒸汽压力进行数值分析，建立蒸汽沿着地面管线压力方程，确定蒸汽沿着地面管线任意点的压力，从而确定注汽锅炉出口的蒸汽热力参数，从而为锅炉蒸汽注入参数设计提供可靠依据。进一步的，由于所述热损失、干度的计算是基于温度的函数，本发明所述注汽锅炉出口的蒸汽热力参数中依托上述获得的准确的温度，根据能量平衡定律，建立能量控制方程，通过循环计算求解地面管线上注汽锅炉出口的蒸汽的热损失和干度值，故，本申请所获得的注汽锅炉出口的蒸汽的热损失和干度值精度也较高。参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本发明实施例中一种注汽锅炉出口的蒸汽热力参数的计算方法的步骤图；图2是本发明实施例中一种注汽锅炉出口的蒸汽热力参数的计算方法的步骤图；图3是本发明实施例中一种地面注汽管线结构示意图；图4是本发明实施例中一种注汽锅炉出口的蒸汽热力参数的计算装置的示意图；图5是本发明实施例中一种注汽锅炉出口的蒸汽热力参数的计算装置的示意图。具体实施方式为了使本
技术领域：
的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的
技术领域：
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。请参阅图1，为本发明实施例中一种地面注汽管线内蒸汽热力参数计算方法的步骤图。本发明所述一种注汽锅炉出口的蒸汽热力参数的计算方法，包括如下步骤：S10、获取计算参数，所述计算参数包括：注汽井口蒸汽压力、温度、干度，地面管线参数，地面管线外环境参数；S12、根据所述计算参数，迭代计算注汽锅炉出口至注汽井口蒸汽的热损失量；S14、在忽略地面管线内压力、重力变化的条件下根据能量平衡定律建立能量控制方程，确定注汽锅炉出口处蒸汽的干度。具体的，所述根据所述计算参数，迭代计算注汽锅炉出口至注汽井口蒸汽的热损失量(步骤S12)包括：首先，设定所述管线上的预设绝热层外表面温度；在本实施方式中，在设定所述管线上的预设绝热层外表面温度时，可以根据注汽井口测得的蒸汽的温度值来进行设定，例如注汽井口蒸汽的温度为300摄氏度，则可以设定绝热层外表面温度为低于注汽井口蒸汽温度的某一数值，例如可以为200摄氏度，以利于减少迭代的次数。再通过所述预设绝热层外表面温度计算所述管线总热阻，请参阅图3，地面管线由外之内分别可为气膜层、绝热层、管壁、污垢层、液膜层；其中，根据下述公式进行计算地面管线的总热阻R：上式中，R为地面管线总热阻值，R1为地面管线内蒸汽与液膜层对流换热的热阻值，R2为地面管线内蒸汽与污垢层对流换热的热阻值，R3为管壁的热传导的热阻值，R4为绝热层热传导的热阻值，R5为地面管线对空气的强迫对流换热的热阻值，单位均为(米·小时·摄氏度)/千卡；hf为液膜层对流换热系数，hp为污垢层对流换热系数，hfc为绝热层外表面上强迫对流热系数，单位均为千卡/(平方米·小时·摄氏度)；λp为地面管线的导热系数，千卡/(米·小时·摄氏度)；ri为地面管线内半径，ro为地面管线外半径，rins为绝热层外半径，单位均为米。当然，当地面管线的结构不同时，对应的其地面管线总热阻值R也可作适应性的改变，此处不再赘述。在本实施方式中，地面管线对空气的强迫对流换热包括绝热层外表面至大气的对流换热和管外壁至大气的辐射换热；具体的：所述绝热层外表面至大气的对流换热系数hfc'，其计算公式如下：上式中，λa为空气的导热系数，单位千卡/(米·小时·摄氏度)；Re为雷诺数，通过下式计算得到：Re＝νaDs/υa上式中，νa为风速，单位米/秒；υa为空气的运动粘度，单位平方米/秒；Ds为绝热层外径，单位米；其中C，n根据Re按照预定规则进行选取。在本实施方式中，所述参数C，n可根据Re按照表1进行选取。表1Re5-8080-5×1035×103-5×104>5×104C0.810.6250.1970.023n0.400.460.60.8在本实施方式中，管外壁至大气的辐射换热系数hfc"，其计算公式如下：上式中，ε为管壁外黑度，无因次量；Ta为空气平均温度，单位摄氏度；Tw为绝热层外壁温度，单位摄氏度。在本实施方式中，可以先通过预设绝热层外表面温度利用上述公式计算管外壁至大气的辐射换热系数hfc"，再通过管外壁至大气的辐射换热系数hfc"计算出地面管线的总热阻R。然后，通过所述管线总热阻R计算管线输气沿程热损失q；其中，可以采用如下的计算公式计算单位长度地面管线中的热损失q：上式中，q为单位时间内，单位长度地面管线中的热损失，单位千卡/(小时·米)；Ts为蒸汽温度，单位摄氏度；Ta为环境温度，单位摄氏度；R为单位长度地面管线中的总热阻值，单位(米·小时·摄氏度)/千卡。在本实施方式中，根据上述计算出的管线输气沿程热损失q，再采用如下的计算公式计算绝热层外表面温度的计算值：上式中，hf为液膜层对流换热系数，hp为污垢层对流换热系数，λp为地面管线的导热系数，千卡/(米·小时·摄氏度)；ri为地面管线内半径，ro为地面管线外半径，rins为绝热层外半径，单位均为米；q为单位时间内，单位长度地面管线中中的热损失，单位千卡/(小时·米)；Ts为蒸汽温度，单位摄氏度；Tw为绝热层外壁温度，单位摄氏度。最后反复迭代，当所述绝热层外表面温度计算值与设定值满足第一预定精度时，确定所述管线绝热层外表面温度，以获得注汽锅炉出口至注汽井口蒸汽的热损失。在本实施方式中，所述第一预定精度可根据实际精度要求进行设定，所述第一预定精度设定的值越小，相对来说，获得的绝热层外表面温度越精确，相应地，获得的所述管线的热损失的精度也越高。综上所述，所述反复迭代的过程具体的包括：通过设定绝热层外表面温度，获得相应的总热阻，通过所述总热阻获得相应的热损失，通过所述获得的热损失获得所述绝热层外表面温度计算值。在本实施方式中，所述忽略地面管线内压力、重力变化的条件下根据能量平衡定律建立能量控制方程，确定注汽锅炉出口处蒸汽的干度(步骤S13)包括：由于不考虑地面管线压力、重力变化，所以可以忽略饱和蒸汽动能、位能的改变。因此根据能量平衡定律建立如下能量控制方程：由于h＝hgx+hl(1-x)＝Lvx+hl所以将注汽井口蒸汽干度x|z＝L＝xu作为初始条件，求解上述方程，得到注汽锅炉出口的蒸汽干度计算表达式上式中，q为单位时间单位长度地面管线中蒸汽的热损失，单位千卡/(小时·米)；z为计算位置与锅炉出口的距离，单位米；G为饱和蒸汽质量流量，单位千克/小时；Lv为汽化潜热，千卡/千克；xu为注汽井口(地面管线末端)蒸汽干度，无量纲。其中，z＝0时获得锅炉出口蒸汽干度计算公式为：上述汽化潜热Lv为干饱和蒸汽的热焓与饱和水的热焓之差，单位千卡/千克；在本实施方式中，汽化潜热Lv的计算公式为：Lv＝273×(374.15-T)0.38＝hg-hl；hl为饱和水的热焓，单位千卡/千克，其计算公式为：hl为饱和水的热焓，单位千卡/千克；其计算公式为：hg＝12500+1.88T-3.7×10-6T3.2上式中，T为蒸汽温度，单位摄氏度。请参阅图2，为本发明实施例中一种注汽锅炉出口的蒸汽热力参数的计算方法的步骤图，本发明所述地面注汽管线内蒸汽热力参数计算方法包括如下步骤：步骤S20、获取计算参数，所述计算参数包括：注汽井口蒸汽压力、温度、干度，注汽速率，地面管线参数，地面管线外环境参数，计算步长。在本步骤中，所述地面管线参数包括：地面管线外径、内径、长度、外壁黑度、导热系数、绝热层厚度、保温材料导热系数。所述地面管线外环境参数包括：空气导热系数、风速、空气运动粘度、环境温度。另外，所述计算参数还可以包括：注汽井口蒸汽排量。步骤S22、根据所述计算参数，迭代计算注汽锅炉出口至注汽井口蒸汽的热损失量；在本步骤中，首先，设定所述管线上的预设绝热层外表面温度；在本实施方式中，在设定所述管线上的预设绝热层外表面温度时，可以根据注汽井口测得的蒸汽的温度值来进行设定，例如注汽井口蒸汽的温度为300摄氏度，则可以设定绝热层外表面温度为低于注汽井口蒸汽温度的某一数值，例如可以为200摄氏度，以利于减少迭代的次数。再通过所述预设绝热层外表面温度计算所述管线总热阻，请参阅图3，地面管线由外之内分别可为气膜层、绝热层、管壁、污垢层、液膜层；其中，根据下述公式进行计算地面管线的总热阻R：上式中，R为地面管线总热阻值，R1为地面管线内蒸汽与液膜层对流换热的热阻值，R2为地面管线内蒸汽与污垢层对流换热的热阻值，R3为管壁的热传导的热阻值，R4为绝热层热传导的热阻值，R5为地面管线对空气的强迫对流换热的热阻值，单位均为(米·小时·摄氏度)/千卡；hf为液膜层对流换热系数，hp为污垢层对流换热系数，hfc为绝热层外表面上强迫对流热系数，单位均为千卡/(平方米·小时·摄氏度)；λp为地面管线的导热系数，千卡/(米·小时·摄氏度)；ri为地面管线内半径，ro为地面管线外半径，rins为绝热层外半径，单位均为米。当然，当地面管线的结构不同时，对应的其地面管线总热阻值R也可作适应性的改变，此处不再赘述。在本实施方式中，地面管线对空气的强迫对流换热包括绝热层外表面至大气的对流换热和管外壁至大气的辐射换热；具体的：所述绝热层外表面至大气的对流换热系数hfc'，其计算公式如下：上式中，λa为空气的导热系数，单位千卡/(米·小时·摄氏度)；Re为雷诺数，通过下式计算得到：Re＝νaDs/υa上式中，νa为风速，单位米/秒；υa为空气的运动粘度，单位平方米/秒；Ds为绝热层外径，单位米；其中C，n根据Re按照预定规则进行选取。在本实施方式中，所述参数C，n可根据Re按照表1进行选取。表1Re5-8080-5×1035×103-5×104>5×104C0.810.6250.1970.023n0.400.460.60.8在本实施方式中，管外壁至大气的辐射换热系数hfc"，其计算公式如下：上式中，ε为管壁外黑度，无因次量；Ta为空气平均温度，单位摄氏度；Tw为绝热层外壁温度，单位摄氏度。在本实施方式中，可以先通过预设绝热层外表面温度利用上述公式计算管外壁至大气的辐射换热系数hfc"，再通过管外壁至大气的辐射换热系数hfc"计算出地面管线的总热阻R。然后，通过所述管线总热阻R计算管线沿程热损失q；其中，可以采用如下的计算公式计算单位长度地面管线中的热损失q：上式中，q为单位时间内，单位长度地面管线中中的热损失，单位千卡/(小时·米)；Ts为蒸汽温度，单位摄氏度；Ta为环境温度，单位摄氏度；R为单位长度地面管线中的总热阻值，单位(米·小时·摄氏度)/千卡。在本实施方式中，根据上述计算出的管线沿程热损失q，再采用如下的计算公式计算绝热层外表面温度的计算值：上式中，hf为液膜层对流换热系数，hp为污垢层对流换热系数，λp为地面管线的导热系数，千卡/(米·小时·摄氏度)；ri为地面管线内半径，ro为地面管线外半径，rins为绝热层外半径，单位均为米；q为单位时间内，单位长度地面管线中中的热损失，单位千卡/(小时·米)；Ts为蒸汽温度，单位摄氏度；Tw为绝热层外壁温度，单位摄氏度。最后反复迭代，当所述绝热层外表面温度计算值与设定值满足第一预定精度时，确定所述管线绝热层外表面温度，以获得注汽锅炉出口至注汽井口蒸汽的热损失量。在本实施方式中，所述第一预定精度可根据实际精度要求进行设定，所述第一预定精度设定的值越小，相对来说，获得的绝热层外表面温度越精确，相应地，获得的所述管线的热损失的精度也越高。综上所述，所述反复迭代的过程具体的包括：通过设定绝热层外表面温度，获得相应的总热阻，通过所述总热阻获得相应的热损失，通过所述获得的热损失获得所述绝热层外表面温度计算值。步骤S24、根据所述计算参数，通过动量守恒定律建立地面管线中蒸汽压降梯度的控制方程，确定地面管线任意位置蒸汽温度和压力；在本步骤中，为了建立蒸汽在地面管线内流动的数学模型，做如下假设：①、注汽井口蒸汽参数(注汽速率、压力、温度及干度)保持不变；②、蒸汽在地面管线内的流动为一维稳定流动。在理想情况下，蒸汽和水均匀混合，流速相同，可以把汽水混合物看成是均匀流体。基于上述假设，取锅炉出口为坐标原点，蒸汽沿管线流动方向为Z轴方向，根据动量守恒原理，建立地面管线中蒸汽压降梯度的控制方程：根据所述控制方程，运用数值方法将整个地面管线分成若干计算步长，每一个计算步长长度为△z，在每一段内对上式进行积分；在预测沿整个地面管线的压力分布时，运用数值方法将整个地面管线分成若干段，每一段长度为△z，在每一段内对上式进行积分。由于所以令vm＝(vout+vin)/2则有从而，获得确定地面管线任意位置蒸汽压力的计算公式：上式中，pin为地面管线的每个计算步长的入口处的蒸汽压力，单位兆帕；pout为地面管线的每个计算步长的出口处的蒸汽压力，单位兆帕；fm为湿蒸汽流体的摩擦阻力系数，无量纲；ρm为湿蒸汽流体的密度，单位千克/立方米；νm为湿蒸汽流体的平均速度，单位米/秒；vin为地面管线的每个计算步长的入口处的蒸汽速度，单位米/秒；vout为地面管线的每个计算步长的出口处的蒸汽速度，单位米/秒；g为重力加速度，单位米/平方秒；ri为输气管线内径，单位米；A为流动截面积，单位平方米；G为湿蒸汽流体的质量流量，单位千克/秒。所述ρm饱和湿蒸汽的平均密度计算公式如下：ρm＝Hgρg+(1-Hg)ρl上式中ρl为饱和水的密度，其与蒸汽温度T的关系式如下：ρl＝0.9967-4.615×10-5T-3.063×10-6T2上式中ρg为饱和蒸汽的密度，其计算公式如下：ρg＝5.9×10-4+3.2×10-4(T/100)4.5上式中，T为蒸汽温度，单位摄氏度；p为蒸汽压力，单位兆帕；上式中fm为湿蒸汽的摩擦阻力系数，其根据平均压力和平均温度下饱和湿蒸汽的雷诺数Re确定。其中，摩擦阻力系数fm的计算方式有多种，本实施方式并不作具体限制。具体的，摩擦阻力系数fm的计算可以采用Orkiszewski方法，雾流摩擦系数可根据气体雷诺数(Re)g和液膜相对粗糙度进行计算，具体公式如下上式中，D为输气管线直径，单位米；vsg为气体表观流速，vsg＝Qg/A，单位为米/秒。实验表明，雾流时液膜相对粗糙度在0.001～0.5之间，具体数值需要根据Nw用下面公式计算：上式中，σ为平均温度、平均压力下液膜的表面张力，单位牛顿/米。当Nw≤0.005时，有：当Nw>0.005时，有：μg＝(0.36T+88.37)×10-4上式中，μg为饱和蒸汽粘度，米帕斯卡·秒；μl为饱和蒸水粘度，米帕斯卡·秒；T为蒸汽温度，单位摄氏度。在本实施方式中，Hg为饱和蒸汽的体积含汽率，其计算公式如下：上式中，x为蒸汽干度，无因次量；ρg为饱和蒸汽的密度，单位千克/立方米；ρl为饱和水的密度，单位千克/立方米。在本实施方式中，地面管线内蒸汽为饱和湿蒸汽，计算地面管线任意位置蒸汽温度的公式为：Tin＝195.94pin0.225-17.8上式中，Tin为地面管线的每个计算步长的入口处的蒸汽温度，单位摄氏度；pin为地面管线的每个计算步长的入口处的蒸汽压力，单位兆帕。步骤S26、根据所述计算步长在所述地面管线长度上划分管线微元段，并建立能量控制方程，以所述注汽井口干度作为初始条件，通过相互耦合的热损失、压力、干度迭代计算，确定注汽锅炉出口处蒸汽的干度。由于地面管线的热损失导致饱和蒸汽能量(包括位能和内能)的降低，从而导致蒸汽干度的降低，同时由于管线中压力的变化，导致饱和蒸汽动能的改变。从而，根据能量平衡定律，建立如下能量控制方程：将注汽井口蒸汽干度x|z＝L＝xu作为初始条件，求解上述方程，得到地面管线任意位置蒸汽干度计算表达式其中：C1＝G(hg-hl)上式中，hg为饱和蒸汽的焓，单位千卡/千克；hl为饱和水的焓，单位千卡/千克；x为蒸汽干度，无因次量；g为重力加速度，单位米/平方秒；G为注汽井口蒸汽排量，单位千克/小时；q为单位时间内，单位管线长度热损失，单位千卡/(小时·米)；ρm为饱和湿蒸汽密度，单位千克/立方米；A为管线横截面积，单位平方米；θ为管线倾角，单位度。其中，z＝0时获得锅炉出口蒸汽干度计算公式为：所述ρm饱和湿蒸汽的平均密度计算公式如下：ρm＝Hgρg+(1-Hg)ρl上式中ρl为饱和水的密度，其与蒸汽温度T的关系式如下：ρl＝0.9967-4.615×10-5T-3.063×10-6T2上式中ρg为饱和蒸汽的密度，其计算公式如下：ρg＝5.9×10-4+3.2×10-4(T/100)4.5上式中，T为蒸汽温度，单位摄氏度；p为蒸汽压力，单位兆帕；Hg为饱和蒸汽的体积含汽率，其计算公式如下：上式中，x为蒸汽干度，无因次量；ρg为饱和蒸汽的密度，单位千克/立方米；ρl为饱和水的密度，单位千克/立方米。具体的，在步骤S26中，所述确定注汽锅炉出口处蒸汽的干度包括以下步骤：S260、设定所述管线微元段上的预设干度降；在设定所述管线微元段上的干度降时，可以根据经验值进行设定，以利于减少迭代的次数。例如，经过统计获得干度在预定步长内降低的范围，所述干度降可选择在所述统计获得的范围内的某一数值。具体的，例如，经过统计干度百米内降低0.014至0.18之间，所述干度降可设定为0.015。S262、根据能量平衡定律计算干度，反复迭代，当所述管线微元段干度降计算值与设定值之间满足第二预定精度时，确定所述管线微元段的干度降；所述第二预定精度可根据实际精度要求进行设定，所述第二预定精度设定的值越小，相对来说，获得的所述管线微元段的干度降越精确。S263、循环计算至整个地面管线，确定注汽锅炉出口处蒸汽的干度。在本实施方式中，循环计算至整个地面管线，具体可以从锅炉出口的第一管线微元段，依次向井口方向选取，循环计算，直至井口。综上所述，按照如下步骤计算锅炉出口的蒸汽热力参数：(1)以井口的蒸汽参数为计算起点(pi，xi，G)；(2)取地面管线一段长度△z，假设在△z长度内蒸汽的干度降△xi和压力降△pi，则该段的平均干度xavi＝xi-△xi/2和平均压力pavi＝pi-△pi/2，根据pavi查处相应的平均饱和温度Tavi(Tavi＝195.94Pavi0.225-17.8)和其他物性参数ρl、ρg、μl、μg、Hg、Hl，为后面计算饱和湿蒸汽的平均密度ρm和摩擦阻力系数fm的计算做准备，根据动量守恒定律和理想气体定律计算出△z长度上的压力降△Pi’。将计算值△Pi’与假定值△pi比较，反复迭代，直到∣△Pi-△Pi’∣/△Pi<ε为止，得到该段的进口压力pi+1和对应的饱和温度Ti+1，作为下一△z的初值。同时计算饱和温度Ti+1、饱和压力pi+1下的焓值hli+1、hgi+1，为计算该段的蒸汽干度做准备。(3)假定地面管线外表面温度Twi，利用公式计算hr、hc，从而计算出总热阻和热损失qi，再将热损失qi代入地面管线管内到保温层外壁传热计算公式，得到管线外表面温度Twi’，反复迭代，直到∣Twi-Twi’∣/Twi<ε为止，最后求出热损失qi。(4)由能量平衡方程计算蒸汽的干度xi，反复迭代，直到∣xi+1-(xi-△xi)∣/(xi-△xi)<ε，否则重复上述(2)-(4)计算步骤，并将计算得到的干度xi+1作为下一△z的初始干度值。(5)取下一△z，重复上述(2)-(5)计算步骤，直到整个地面管线计算完毕，得到管线任意位置pi、Ti、xi、qi(i＝0,1,…,N)，包括锅炉出口处蒸汽参数。借由以上技术方案可以看出，本实施方式所述注汽锅炉出口的蒸汽热力参数的计算方法，通过获取注汽井口蒸汽压力、温度、干度，将所述地面管线内蒸汽压力进行数值分析，建立蒸汽沿着地面管线压力方程，确定蒸汽沿着地面管线任意点的压力，从而确定注汽锅炉出口的蒸汽热力参数，从而为锅炉蒸汽注入参数设计提供可靠依据。进一步的，由于所述热损失、干度的计算是基于温度的函数，本发明所述注汽锅炉出口的蒸汽热力参数的计算装置中依托上述获得的准确的温度，根据能量平衡定律，建立能量控制方程，通过循环计算求解地面管线上注汽锅炉出口的蒸汽的热损失和干度值，故，本申请所获得的注汽锅炉出口的蒸汽的热损失和干度值精度也较高。请参阅图4，一种地面注汽管线内蒸汽热力参数的计算装置，包括：参数获取模块20，用于获取计算参数，所述计算参数包括：注汽井口蒸汽压力、温度、干度，地面管线参数，地面管线外环境参数；热损失确定模块22，用于根据所述计算参数，迭代计算注汽锅炉出口至注汽井口蒸汽的热损失量；干度确定模块24，用于在忽略地面管线内压力、重力变化的条件下根据能量平衡定律建立能量控制方程，确定注汽锅炉出口处蒸汽的干度。请参阅图5，一种地面注汽管线内蒸汽热力参数的计算装置，包括：参数获取模块20，用于获取计算参数，所述计算参数包括：注汽井口蒸汽压力、温度、干度，注汽速率，地面管线参数，地面管线外环境参数，计算步长；热损失确定模块22，用于根据所述计算参数，迭代计算注汽锅炉出口至注汽井口蒸汽的热损失量；压力温度确定模块24，用于根据所述计算参数，通过动量守恒定律建立地面管线中蒸汽压降梯度的控制方程，确定地面管线任意位置蒸汽温度和压力；干度确定模块26，用于根据所述计算步长在所述地面管线长度上划分管线微元段，并建立能量控制方程，以所述注汽井口干度作为初始条件，通过相互耦合的热损失、压力、干度迭代计算，确定注汽锅炉出口处蒸汽的干度。借由以上技术方案可以看出，本实施方式所述注汽锅炉出口的蒸汽热力参数的计算装置，通过获取注汽井口蒸汽压力、温度、干度，将所述地面管线内蒸汽压力进行数值分析，建立蒸汽沿着地面管线压力方程，确定蒸汽沿着地面管线任意点的压力，从而确定注汽锅炉出口的蒸汽热力参数，从而为锅炉蒸汽注入参数设计提供可靠依据。进一步的，由于所述热损失、干度的计算是基于温度的函数，本发明所述注汽锅炉出口的蒸汽热力参数的计算装置中依托上述获得的准确的温度，根据能量平衡定律，建立能量控制方程，通过循环计算求解地面管线上注汽锅炉出口的蒸汽的热损失和干度值，故，本申请所获得的注汽锅炉出口的蒸汽的热损失和干度值精度也较高。本文引用的任何数字值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为发明人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。当前第1页1 2 3