CN101038188A - 联合式湿蒸汽流量、干度测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种联合式湿蒸汽流量、干度测量装置及其测量方法，该装置由经过标定的标准孔板、经典文丘利管作为一次测量元件，高精度压力传感器、智能型差压变送器转换并传输标准信号，标准4～20mA信号经I/V转换成1～5V电压信号，进入高速数据采集卡，最后在中央处理器中根据压力信号调用汽、水性质的IAPWS－IF97计算公式模块计算出饱和水、饱和蒸汽的密度及比焓、汽化潜热，从而算出湿蒸汽的干度、质量流量、载热量，同时对质量流量、载热量进行累积运算，重要参数适时存储于数据库，作为历史数据以备后期调用，系统通过D/A通道输出干度、累积流量，供中央处理器使用，本发明与以往的IF－67计算公式相比计算精度提高10倍以上，且重复计算精度高，而运算速度提高4～12倍。

Description

联合式湿蒸汽流量、干度测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量装置，特别涉及一种联合式湿蒸汽流量、干度测量装置及其测量方法。

背景技术

在油田的稠油开采中，一般采用注汽热采的方式，为防止直流注汽锅炉的锅炉管内结水垢，锅炉出口的蒸汽干度为70-80％的湿蒸汽。因此在实际生产过程中对传输管道湿蒸汽的流量、干度计量对稠油开采十分重要。由于湿蒸汽的计量为流量、干度双参数计量，十分复杂，从国内的研究状况来看，目前还没有非常成熟的应用技术，目前，现有的技术是采用独立的单相流标准孔板或文丘利管结合微处理器进行检测计算，其测量结果精度低、计算速度慢。

发明内容

本发明的目的是为了解决湿蒸汽的流量、干度双参数计量精度低及参数运算速度慢的问题，而提供一种湿蒸汽的流量、干度双参数计量精度高及参数运算速度快的联合式湿蒸汽流量、干度测量装置及其测量方法。

本发明是由标准孔板、文丘利管、高精度压力传感器、智能型差压变送器、冷凝器、取压阀、导压管、中央处理器、显示器组成，标准孔板、文丘利管串联在湿蒸汽管道中，标准孔板及文丘利管的正负压引出管分别冷凝器相连通，导压管上连通有取压阀，导压管与智能型差压变送器相连通，高精度压力传感器的取样点设置在标准孔板与文丘利管之间的湿蒸汽管道中，高精度压力传感器及智能型差压变送器信号通过D/A通道与中央处理器相连接，显示器与中央处理器相连接，中央处理器内置有计算湿蒸汽流量、干度、载热量的数学模型以及IAPWS-IF97汽、水性质计算公式模块。

本发明由经过标定的标准孔板、经典文丘利管作为一次测量元件，高精度压力传感器、智能型差压变送器转换并传输标准信号，标准4～20mA信号经智能型差压变送器I/V转换成1～5V电压信号，进入中央处理器的高速数据采集卡，最后在中央处理器中根据压力信号P调用汽、水性质模块计算出饱和水、饱和蒸汽的密度及比焓、汽化潜热，从而算出湿蒸汽的干度、质量流量、载热量，同时对质量流量、载热量进行累积运算，重要参数适时存储于数据库，作为历史数据以备后期调用，本发明通过D/A通道输出干度、累积流量，供中央处理器使用，其工作原理如图3所示。汽、水性质模块执行最新的IAPWS-IF97计算公式，与以往的IF-67计算公式相比计算精度提高10倍以上，且重复计算精度高，而运算速度提高4～12倍。

本发明测量方法所采用的数学模型公式如下：

$q_{\mathrm{mtpk}}=\sqrt{\frac{\left(2{\mathrm{\ρ}}_l{\mathrm{\α}}_{0k}^2{A}_{\mathrm{dk}}^2\right)\mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{tpk}}}{1+(\frac{{\mathrm{\ρ}}_l}{{\mathrm{\ρ}}_g}-1)(B_k{X}_k(1-X_k)+{X_k}^2)}}---\left(1\right)$

$q_{\mathrm{mtpv}}=\sqrt{\frac{\left(2{\mathrm{\ρ}}_l{\mathrm{\α}}_{0v}^2{A}_{\mathrm{dv}}^2\right)\mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{tpv}}}{1+(\frac{{\mathrm{\ρ}}_l}{{\mathrm{\ρ}}_g}-1)(\mathrm{BvXv}(1-\mathrm{Xv})+{\mathrm{Xv}}^2)}}---\left(2\right)$

Qt_p＝q_mtpk(h_l+(h_g-h_l)X)                  (3)

$B=\frac{(\frac{1}{s}\frac{{\mathrm{\ρ}}_l}{{\mathrm{\ρ}}_g}+s-2)}{(\frac{{\mathrm{\ρ}}_l}{{\mathrm{\ρ}}_g}-1)}$

式中：

q_mtp是两相流质量流量，Kg/s；

Q_tp是两相流载热量，KJ/s；

ρ_l是饱和水密度，Kg/m³；

h_l是饱和水比焓，KJ/Kg；

ρ_g是饱和蒸汽密度，Kg/m³；

h_g是饱和蒸汽比焓，KJ/Kg；

α₀是节流件流量系数，无量纲；

s是两相滑动比，无量纲；

X是湿蒸汽干度，无量纲；

A_d是节流件喉部截面积，m²；

B修正系数，无量纲，系数B反映了两相滑动比s和两

相密度比的影响，对于一定几何结构的管道，两相滑动比s是两相密度比 的函数，因此当节流装置的几何参数确定后，系数B应只是两相密度比

的一元函数，该一元函数关系式由试验确定。

根据质量守恒定律，流经两流量计的质量流量相同；管道经良好保温处理，忽略沿程热量损失及压力损失，湿蒸汽无相变，流经两流量计的湿蒸汽干度也相同。

则有条件

q_mtpk＝q_mtpv                         (4)

Xk＝Xv                                 (5)

注：下标k代表标准孔板处的参数

下标v代表文丘利管处的参数

联立方程(1)、(2)、(3)、(4)、(5)即可根据差压信号、汽水密度算出湿蒸汽的干度、质量流量、载热量，同时对质量流量、载热量进行累积运算。重要参数适时存储于数据库，作为历史数据以备后期调用。系统通过D/A通道或标准通讯接口输出干度、累积流量，供中央处理器使用。

数学模型的修正及补偿：

数学模型的的测试：

联立方程(1)，(2)，(4)，(5)求解，得到关于x的一元二次方程。

根据假定的流量、干度参数分别设计标准孔板及经典文丘利管，然后根据计算过程中的已知条件(温度；压力；汽、水密度；流量系数；喉孔面积；差压值等)代入关于x的一元二次方程，反解出干度参数x值，存在两实根，一大一小同在0～1.0的干度有效范围内，在干度0.3～1.0的范围内，计算出的干度与假定干度参数的偏差小于0.00004，由此说明公式的逻辑推导是正确可行的。在不同的压力下，取两根差值+0.005，-0.005的值，最终在压力、干度的坐标内绘制两条曲线，如图4所示，左上部为大根区域，两条曲线之间为相近区域，右下部为小根区域，通过回归法拟和两条曲线的公式，这样可以以上层曲线作为判别界限，当两根绝对差值小于0.005时，以两根的算术平均值作为干度值，干度统计偏差小于0.0025。

根据油田注汽锅炉出口的干度基本在0.75左右，管网干度大于0.45，从上图看出即便压力为21.6Mpa时，干度判别界限在0.427，且随着压力降低，判别界限单调降低，在压力为17.2Mpa时，干度判别界限仅在0.32左右。所以利用上图的大根区域、相近区域确定测量范围(0.3～1.0)对注汽锅炉的主汽管路、支路管网及井口管线进行在线质量流量测量、载热量测量、干度测量同时进行干度调节是可行的。

数学模型的修正：

方程(1)、(2)中的原始修正系数Bk、Bv是在电加热高压汽水两相流试验装置上进行，经过压力3.0～21MPa，干度0～1.0，质量流量3.5～15t/h试验，获取大量基础数据，通过数据回归拟合而成的：

$B_k=0.535184-0.002431\frac{\mathrm{\ρl}}{\mathrm{\ρg}}$

$\mathrm{Bv}=0.885184-0.0027285\frac{\mathrm{\ρl}}{\mathrm{\ρg}}$

通过在辽河油田现场实际运行试验，将修正系数B改进为复合修正及分段修正方法，测量精度明显提高达到±5.0％，最终运行结果稳定、可靠。

考虑两种流量测量装置的误差(流量不确定度)，如果偏差为同向，则干度计算误差极小，如果偏差为反向，则干度计算绝对误差小于0.05。当干度变化0.05时，质量流量偏差小于4.6％，载热量偏差小于1.3％，根据计算，质量流量偏差、载热量偏差随压力升高而降低。因此在某一固定运行压力下为了提高整个系统的测量精度，必须提高每个节流元件的测量精度，因此出厂前对联合式流量测量装置进行逐一标定，测出装置的流量系数，提高节流装置的测量精度。

数学模型的补偿：

为了保证测量精度，我们在湿蒸汽流量计算中，采取了如下补偿措施：

1)对汽、水蒸汽密度及比焓进行了温度、压力的补偿计算，并且在补偿算法上采用了国际上最新的IAPWS-IF97汽、水性质计算模块，比通常采用的查表法、插值法、多项式曲线拟合法精度大幅提高。而且与以往的IF-67汽、水性质计算模块，相比计算精度提高10倍以上，且重复计算精度高。而运算速度提高4～12倍。

2)为消除流量变化对节流装置流量系数α的影响，组装前对节流装置进行水流量称重法标定，提高了测量精度。标定单位是辽宁省计量科学研究院。

3)根据压力及流量的变化，我们对流量系数α、压缩系数ε的变化进行了在线补偿，提高了测量精度。

4)根据温度的变化，我们还对节流件喉径d随温度的变化也进行了在线补偿，提高了测量精度。

热流量计算：

考察标准孔板与文丘里管之间管段(约2m长)热损失对湿蒸汽干度的影响。

数据：

管道规格：89×13mm；

绝对压力：17.2MPa；

饱和温度：353.25℃；

干度：0.75；

比焓：2329.74KJ/Kg；

内层岩棉保温厚度100mm，导热系数0.05W/Mk；

外层保护层厚度15mm，导热系数0.192W/Mk；

外表面温度30℃。

计算：

${\mathrm{\Φ}}_L=\frac{353.25-30}{\frac{1}{2*\mathrm{\π}}*(\frac{1}{0.05}*\ln \frac{289}{89}+\frac{1}{0.192}*\ln \frac{319}{289}}$

${\mathrm{\Φ}}_L=\frac{t_{w1}-t_{w2}-.......t_{\mathrm{wn}}}{\frac{1}{2*\mathrm{\π}}*(\frac{1}{\mathrm{\λ}1}*\ln \frac{d2}{d1}+\frac{1}{\mathrm{\λ}2}*\ln \frac{d3}{d2}+....\frac{1}{\mathrm{\λn}}*\ln \frac{\mathrm{dn}}{d(n-1)})}$

${\mathrm{\Φ}}_L=\frac{323.25}{\frac{1}{2*\mathrm{\π}}*(\frac{1}{0.05}*\ln \frac{289}{89}+\frac{1}{0.192}*\ln \frac{319}{289}}$

Φ_L＝84.4

模型应用说明：

装置的有效核算长度：2.0m

Φ＝84.4×2.0＝168.8W

单位时间s的热损失(附加18％的余量)：

0.2KW*3.6*10^6/(1000*3600)＝0.2KJ/s

假定流量为20t/h，则每秒流量5.5556Kg

该过程按等压变化：Q＝H2-H1

H2＝H1+Q

  ＝2329.74-0.2/5.5556＝2329.704KJ/Kg。

根据压力17.2MPa与比焓2329.704KJ/Kg确定蒸汽状态：

干度相对变化量0.0001％，密度相对变化量0.004％很小可以忽略。

附图说明

图1为本发明的标准孔板、文丘利管安装在湿蒸汽管道的示意图。

图2为本发明的连接示意图。

图3为本发明的测量原理示意图。

图4为本发明数学模型的修正及补偿用的压力与干度曲线图。

具体实施方式

请参阅图1、图2所示，本发明是由标准孔板1、文丘利管2、高精度压力传感器3、智能型差压变送器4、冷凝器5、取压阀6、导压管7、中央处理器8、显示器9组成，标准孔板1、文丘利管2串联在湿蒸汽管道10中，标准孔板1及文丘利管2的正负压引出管分别与冷凝器5相连通，导压管7上连通有取压阀6，导压管7与智能型差压变送器4相连通，高精度压力传感器3的取样点设置在标准孔板1与文丘利管2之间的湿蒸汽管道10中，高精度压力传感器3及智能型差压变送器4的信号通过D/A通道与中央处理器8相连接，显示器9与中央处理器8相连接，中央处理器8内置有计算湿蒸汽流量、干度、载热量的数学模型以及IAPWS-IF97汽、水性质计算公式模块。

本发明测量方法所采用的数学模型公式如下：

$q_{\mathrm{mtpk}}=\sqrt{\frac{\left(2{\mathrm{\ρ}}_l{\mathrm{\α}}_{0k}^2{A}_{\mathrm{dk}}^2\right)\mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{tpk}}}{1+(\frac{{\mathrm{\ρ}}_l}{{\mathrm{\ρ}}_g}-1)(B_k{X}_k(1-X_k)+{X_k}^2)}}---\left(1\right)$

$q_{\mathrm{mtpv}}=\sqrt{\frac{\left(2{\mathrm{\ρ}}_l{\mathrm{\α}}_{0v}^2{A}_{\mathrm{dv}}^2\right)\mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{tpv}}}{1+(\frac{{\mathrm{\ρ}}_l}{{\mathrm{\ρ}}_g}-1)(\mathrm{BvXv}(1-\mathrm{Xv})+{\mathrm{Xv}}^2)}}---\left(2\right)$

Qt_p＝q_mtpk(h_l+(h_g-h_l)X)                   (3)

$B=\frac{(\frac{1}{s}\frac{{\mathrm{\ρ}}_l}{{\mathrm{\ρ}}_g}+s-2)}{(\frac{{\mathrm{\ρ}}_l}{{\mathrm{\ρ}}_g}-1)}$

式中：

q_mtp是两相流质量流量，Kg/s；

Qt_p是两相流载热量，KJ/s；

ρ_l是饱和水密度，Kg/m³；

h_l是饱和水比焓，KJ/Kg；

ρ_g是饱和蒸汽密度，Kg/m³；

h_g是饱和蒸汽比焓，KJ/Kg；

α₀是节流件流量系数，无量纲；

s是两相滑动比，无量纲；

X是湿蒸汽干度，无量纲；

A_d是节流件喉部截面积，m²；

B修正系数，无量纲，系数B反映了两相滑动比s和两

相密度比的影响，对于一定几何结构的管道，两相滑动比s是两相密度比

的函数，因此当节流装置的几何参数确定后，系数B应只是两相密度比

的一元函数，该一元函数关系式由试验确定。

根据质量守恒定律，流经两流量计的质量流量相同；管道经良好保温处理，忽略沿程热量损失及压力损失，湿蒸汽无相变，流经两流量计的湿蒸汽干度也相同。

则有条件

q_mtpk＝q_mtpv                           (4)

Xk＝Xv                                   (5)

注：下标k代表标准孔板处的参数。

下标v代表文丘利管处的参数。

联立方程(1)、(2)、(3)、(4)、(5)即可根据差压信号、汽水密度算出湿蒸汽的干度、质量流量、载热量，同时对质量流量、载热量进行累积运算。重要参数适时存储于数据库，作为历史数据以备后期调用。系统通过D/A通道或标准通讯接口输出干度、累积流量，供中央处理器使用。

Claims (3)

1、一种联合式湿蒸汽流量、干度测量装置，其特征在于：是由标准孔板、文丘利管、高精度压力传感器、智能型差压变送器、冷凝器、取压阀、导压管、中央处理器、显示器组成，标准孔板、文丘利管串联在湿蒸汽管道中，标准孔板及文丘利管的正负压引出管分别与冷凝器相连通，导压管上连通有取压阀，导压管与智能型差压变送器相连通，高精度压力传感器的取样点设置在标准孔板与文丘利管之间的湿蒸汽管道中，高精度压力传感器及智能型差压变送器信号通过D/A通道与中央处理器相连接，显示器与中央处理器相连接，中央处理器内置有计算湿蒸汽流量、干度、载热量的数学模型以及IAPWS-IF97汽、水性质计算公式模块。

2、一种联合式湿蒸汽流量、干度测量装置的测量方法，该方法采用如下数学模型：

$q_{\mathrm{mtpk}}=\sqrt{\frac{\left(2{\mathrm{\ρ}}_l{\mathrm{\α}}_{0k}^2{A}_{\mathrm{dk}}^2\right)\mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{tpk}}}{1+(\frac{{\mathrm{\ρ}}_l}{{\mathrm{\ρ}}_g}-1)(B_k{X}_k(1-X_k)+{X_k}^2)}}---\left(1\right)$

$q_{\mathrm{mtpv}}=\sqrt{\frac{\left(2{\mathrm{\ρ}}_l{\mathrm{\α}}_{0v}^2{A}_{\mathrm{dv}}^2\right){\mathrm{\Δp}}_{\mathrm{tpv}}}{1+(\frac{{\mathrm{\ρ}}_l}{{\mathrm{\ρ}}_g}-1)(\mathrm{BvXv}(1-\mathrm{Xv})+{\mathrm{Xv}}^2)}}---\left(2\right)$

Qt_p＝q_mtpk(h_l+(h_g+h_l)X)                           (3)

$B=\frac{(\frac{1}{s}\frac{{\mathrm{\ρ}}_l}{{\mathrm{\ρ}}_g}+s-2)}{(\frac{{\mathrm{\ρ}}_l}{{\mathrm{\ρ}}_g}-1)}$

式中：

q_mtp是两相流质量流量，Kg/s；

Qt_p是两相流载热量，KJ/s；

ρ_l是饱和水密度，Kg/m³；

h_l是饱和水比焓，KJ/Kg；

ρ_g是饱和蒸汽密度，Kg/m³；

h_g是饱和蒸汽比焓，KJ/Kg；

α₀是节流件流量系数，无量纲；

S是两相滑动比，无量纲；

X是湿蒸汽干度，无量纲；

A_d是节流件喉部截面积，m²；

B修正系数，无量纲，系数B反映了两相滑动比s和两

相密度比的影响，对于一定几何结构的管道，两相滑动比s是两相密度比

的函数，因此当节流装置的几何参数确定后，系数B应只是两相密度比

的一元函数，该一元函数关系式由试验确定；

根据质量守恒定律，流经两流量计的质量流量相同；管道经良好保温处理，忽略沿程热量损失及压力损失，湿蒸汽无相变，流经两流量计的湿蒸汽干度也相同。

则有条件

q_mtpk＝q_mtpv                                                       (4)

Xk＝Xv                                                             (5)

注：下标k代表标准孔板处的参数；

下标v代表文丘利管处的参数；

联立方程(1)、(2)、(3)、(4)、(5)即可根据差压信号、汽水密度算出湿蒸汽的干度、质量流量、载热量，同时对质量流量、载热量进行累积运算。重要参数适时存储于数据库，作为历史数据以备后期调用，系统通过D/A通道或标准通讯接口输出干度、累积流量，供中央处理器使用。

3、根据权利要求2所述的一种联合式湿蒸汽流量、干度测量装置的测量方法，其特征在于；所述的

$\mathrm{Bk}=0.535184-0.002431\frac{\mathrm{\ρl}}{\mathrm{\ρg}}$

$\mathrm{Bv}=0.885184-0.0027285\frac{\mathrm{\ρl}}{\mathrm{\ρg}}.$

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