CN101082597A - 一种凝结式蒸汽干度测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种凝结式蒸汽干度测量装置及测量方法。本发明将换热器(3)的两个通道分别做为待测干度的蒸汽通道和冷却水通道，同时将待测干度的蒸汽和冷却水引入到换热器中，两者之间自发进行热传导，即冷却水流经换热器时吸收蒸汽释放出的热量而使温度升高，蒸汽流经冷却器时向冷却水放热变为液相的凝结水并使其温度降低，并通过冷却水管上的热量表(14)、电子天平(9)和换热器的蒸汽出口处的蒸汽凝水温度表(5)、采集冷却水在冷却器中获得的热量Q、凝结水的重量m和温度T₁，依据上式计算待测的蒸汽干度X。本发明所提出的蒸汽干度测量装置和测量方法，具有结构简单，测量精度高、稳定性好、范围宽和实用性强的特点。

Description

一种凝结式蒸汽干度测量装置及测量方法

(一)所属技术领域：

本发明涉及蒸汽物理性质测量技术，是一种凝结式蒸汽干度测量装置及测量方法。

(二)背景技术

蒸汽干度是蒸汽的重要品质参数，含有气相蒸汽和液体的混合物流体称作饱和蒸汽，其中气相蒸汽的质量与蒸汽总质量的比被定义为蒸汽的干度。在用于石油开采过程的热力采油技术，向油层注入的高温水蒸汽干度对采油的经济性有着重要的影响。在蒸汽轮机末端的几级叶片，水蒸汽干度对蒸汽轮机的叶片寿命和蒸汽轮机的效率影响也很大。在化工、食品加工、制药等工业中，水蒸汽干度同样是不可忽视的重要物理性质，而且需要连续地检测与控制水蒸汽干度。

凝结法是测量蒸汽干度的一种热力学方法。凝结法是将抽取的蒸汽试样在冷凝器中凝结成水，根据测量冷凝器中蒸汽凝结放出的热量来计算水蒸汽的干度。申请号为200410026050.3的发明专利公开了一种混合式水蒸气干度的测量方法及装置，该方法的技术特征为：将待测干度的水蒸汽与冷却水分别引入绝热混合器内混合，使水蒸汽变为液相的未饱和水流出绝热混合器，通过测量进入绝热混合器的冷却水流量、温度，测量进入绝热混合器的待测干度的水蒸汽温度，测量离开绝热混合器的未饱和水的流量、温度，依据能量守恒和质量守恒原理来确定待测的水蒸汽干度。该装置的结构特征为：待测干度的水蒸汽入口管道与绝热混合器相连，在待测干度的水蒸汽入口管道上安装有温度表；冷却水入口管道与绝热混合器相连，在冷却水入口管道上，安装有液体流量表和温度表；未饱和水出口管道与绝热混合器相连，在未饱和水出口管道上安装有温度表和液体流量表。绝热混合器为一圆形容器，内部设置有水蒸汽混流器和两个折流板，水蒸汽混流器的上部与待测干度的水蒸汽入口管道相接，而下部封闭，在水蒸汽混流器外壁上开有多排水蒸汽出流孔。

这种混合式水蒸气干度的测量方法及装置能够实现对水蒸汽干度的测量，并具有测量精度较高且造价低的优点。但是，这种方法和测量装置却存在着一个技术缺陷，就是干度测量的稳定性差，表现为它对蒸汽干度的测量精度严格依赖于对冷却水和未饱和水的流量测量精度。冷却水和未饱和水的流量测量精度小幅下降，则导致蒸汽干度的测量精度大幅下降。当冷却水和未饱和水的流量测量精度稍低，例如低于99％，则导致蒸汽干度的测量精度低于95％。由于当今流量测量技术还难于保证高于99％的高测量精度，尤其是难于保证流量高测量精度的稳定性，所以这一方法和装置的实用性不高。

剖析混合式水蒸气干度测量方法的技术缺陷，其根本原因在于：通过测量进入绝热混合器冷却水的流量以及测量离开绝热混合器的未饱和水流量，按照质量守恒原理来推算出进入绝热混合器的水蒸汽流量。由于水蒸汽流量不仅是采样的小流量，而且仅为冷却水流量的很小一部分，约为八分之一到十分之一，而水蒸汽在绝热混合器中因冷凝放出的热量又很大。冷却水流量以及未饱和水流量的测量误差或者流量波动，在能恒混合式水蒸气干度的测量方法中被成倍地放大，从而造成了这种干度测量方法的稳定性不高，由此方法所制造的干度测量装置的实用性不高。

综上所述，为克服现有技术中能恒混合式水蒸气干度的测量方法及装置所存在的技术缺陷，即干度测量的稳定性差和实用性不高，本发明提出一种凝结式蒸汽干度的测量方法及干度仪，这为蒸汽干度测量和节能控制有着现实的意义。

(三)发明内容

为克服现有技术中存在的稳定性差和实用性不高的技术缺陷，本发明提出了一种凝结式蒸汽干度测量装置及测量方法。

本发明提出的用于凝结式蒸汽干度测量的装置包括换热器、调节阀、温度表和电子天平，并且在换热器的两个通道的入口处分别与蒸汽管和冷却水管连接，在蒸汽的出口处通过凝结水管与电子天平连接，在冷却水的出口处与冷却水的出水管连接。为了能够准确的获得蒸汽和冷却水的温度、流量，在换热器的蒸汽出口处装有蒸汽的凝水温度表；在冷却水入管和冷却水出管上设有热量表，通过温度传感器和流量传感器采集相关数据，并且将干度计算器与凝水温度表、电子天平和热量表之间通信连接。本发明的管路上分别安装有调节阀，并在换热器、蒸汽的凝结水管和冷却水出管的外壁面上均敷有保温层。

在将本发明提出的测量装置用于凝结式蒸汽干度测量时，利用换热器所具有的两个流体通道，将其中一个做为待测干度的蒸汽通道，另一个做为冷却水通道，并选择温度低于蒸汽温度的冷却水源；同时将待测干度的蒸汽和冷却水引入到换热器中，两者之间自发进行热传导，即冷却水流经换热器时吸收蒸汽释放出的热量而使温度升高，蒸汽流经换热器时向冷却水放热变为液相的凝结水并使其温度降低。通过测量冷却水在换热器中获得的热量Q、凝结水的重量m和温度T₁，依据能量守恒和质量守恒原理由下式确定待测的蒸汽干度X：

$X=\frac{(\frac{Q}{m}+h_1)-h_w}{h_v-h_w}$

其中：h₁为凝结水温T₁下的焓，h_v和h_w分别为待测干度的蒸汽在待测压力下的干饱和蒸汽焓和饱和水焓。通过蒸汽的热物性函数表，由待测蒸汽的压力得出h_v和h_w；由凝结水温度T₁得出凝结水焓h₁。

由于本发明所采用的技术方案，使冷却水和蒸汽之间自发进行热传导，即冷却水流经换热器时吸收蒸汽释放出的热量而使温度升高，蒸汽流经换热器时向冷却水放热变为液相的凝结水并使其温度降低，通过测量冷却水在换热器中获得的热量，以及凝结水的重量和温度。

本发明提出的干度测量装置，采用有良好外保温的换热器，采用电子天平来测量凝结水的重量，采用温度表测量凝结水温，采用热量表测量冷却水在换热器中获得的热量。本发明所提出的测量方法和干度仪，具有蒸汽干度测量的精度高、稳定性高、范围宽和实用性强的优点。

(四)附图说明：

附图1是凝结式蒸汽干度测量装置的结构示意图。图中：

1.蒸汽管           2.蒸汽调节阀     3.换热器       4.凝结水均流器

5.凝水温度表       6.凝水调节阀     7.凝结水管     8.天平水箱

9.电子天平         10.干度计算器    11.冷却水出管  12.冷却水调节阀

13.冷却水均流器    14.热量表        15.冷却水入管

(五)具体实施方式：

实施例一

本实施例是对压力为p＝0.8MPa的蒸汽进行干度测量，所对应的蒸汽温度为170.4℃，所用冷却水的温度为18℃。

本实施例的凝结式蒸汽干度测量装置包括换热器、调节阀、温度表、热量表、均流器、干度计算器10和电子天平9，其中：换热器3为多层换热板的板式换热器。换热器3两个通道的入口处分别与蒸汽管1和冷却水入管15连接，在蒸汽的出口处通过与电子天平9的天平水箱8连接，在冷却水的出口有冷却水的出管11；在蒸汽管1与换热器3之间有蒸汽调节阀2，在凝结水管7与天平水箱8之间有凝水调节阀6，在冷却水出水管11上有冷却水调节阀12。为了能获得温度均匀的凝结水和冷却水，本实施例在换热器3的凝结水和冷却水的出口分别装有凝结水均流器4和冷却水均流器13。为了能够准确地获得冷却水的温度和流量以确定冷却水在换热器3中所吸收的热量，本实施例还在冷却水入管15上安装有热量表14，热量表14的流量传感器和其中一个温度传感器与冷却水入管15相接，另一个温度传感器固定在冷却水出管11内；在凝结水管7上安装有凝水温度表5。天平水箱8安置在电子天平9上。干度计算器10与凝水温度表5、电子天平8和热量表14之间通信连接。

本发明在蒸汽管1、蒸汽调节阀2、换热器3、凝结水均流器4、凝水温度表5、凝结水管7、冷却水均流器13、热量表14和冷却水出管11的外壁面上均敷有优质玻璃棉的保温层。

在进行蒸汽干度测量时，利用换热器3所具有的两个流体通道，将其中一个与蒸汽管1相连接，做为待测干度的蒸汽通道，另一个与冷却水入管15相连接，做为冷却水通道；同时将待测干度的蒸汽和冷却水引入到换热器中，通过调节冷却水调节阀12，使冷却水在冷却水入管15、换热器3和冷却水出管11中稳定地流动，并使蒸汽和冷却水之间自发进行热传导，即冷却水流经换热器时吸收蒸汽释放出的热量而使温度升高，蒸汽流经换热器时向冷却水放热变为液相的凝结水并使其温度降低至45℃～60℃并稳定在该温度区间。此时为t₁时刻，干度计算器10分别采集热量表14所测量的累计热量Q₁＝680kJ、电子天平9所测量的重量m₁＝1.2kg和凝水温度表5所测量的温度T_1，1＝51.5℃，在经过一个采样周期的时间Δt＝t₂-t₁＝20s，即在t₂时刻，干度计算器10采集热量表14所测量的累计热量Q₂＝851.4kJ、电子天平9所测量的重量m₂＝1.28kg和凝水温度表5所测量的温度T_1，2＝51.7℃，按照下式

Q＝Q₂-Q₁＝171.4kJ

m＝m₂-m₁＝0.08kg

得出热量Q、凝结水的重量m和凝水温度的平均值T₁。在干度计算器10中，内置有蒸汽热物性函数表，干度计算器10依据所采集到的凝结水在Δt时间内的平均温度T₁，得出该温度下的凝结水比焓h₁＝216.1kJ/kg。干度计算器10由压力表导入或者人工输入的待测干度的蒸汽压力p＝0.8MPa，由内置的蒸汽热物性函数表得出待测干度蒸汽在压力p下的饱和水焓h_w＝721.02kJ/kg和干饱和蒸汽焓h_v＝2768.3kJ/kg，并按照下式

$X=\frac{(\frac{Q}{m}+h_1)-h_w}{h_v-h_w}$

得出待测的蒸汽干度X＝0.8，并显示出来。

实施例二

本实施例是对压力为p＝0.3MPa的蒸汽进行干度测量，所对应的蒸汽温度为133.54℃，所用冷却水的温度为20℃。

本实施例的凝结式蒸汽干度测量装置包括换热器、调节阀、温度表、热量表、均流器、干度计算器10和电子天平9，其中：换热器3为多层换热板的板式换热器。换热器3两个通道的入口处分别与蒸汽管1和冷却水入管15连接，在蒸汽的出口处通过与电子天平9的天平水箱8连接，在冷却水的出口有冷却水的出管11；在蒸汽管1与换热器3之间有蒸汽调节阀2，在凝结水管7与天平水箱8之间有凝水调节阀6，在冷却水出水管11上有冷却水调节阀12。为了能获得温度均匀的凝结水和冷却水，本实施例在换热器3的凝结水和冷却水的出口分别装有凝结水均流器4和冷却水均流器13。为了能够准确地获得冷却水的温度和流量以确定冷却水在换热器3中所吸收的热量，本实施例还在冷却水入管15上安装有热量表14，热量表14的流量传感器和其中一个温度传感器与冷却水入管15相接，另一个温度传感器固定在冷却水出管11内；在凝结水管7上安装有凝水温度表5。天平水箱8安置在电子天平9上。干度计算器10与凝水温度表5、电子天平8和热量表14之间通信连接。

本发明在蒸汽管1、蒸汽调节阀2、换热器3、凝结水均流器4、凝水温度表5、凝结水管7、冷却水均流器13、热量表14和冷却水出管11的外壁面上均敷有优质岩棉保温层。

在进行蒸汽干度测量时，利用换热器3所具有的两个流体通道，将其中一个与蒸汽管1相连接，做为待测干度的蒸汽通道，另一个与冷却水入管15相连接，做为冷却水通道；同时将待测干度的蒸汽和冷却水引入到换热器中，通过调节冷却水调节阀12，使冷却水在冷却水入管15、换热器3和冷却水出管11中稳定地流动，并使蒸汽和冷却水之间自发进行热传导，即冷却水流经换热器时吸收蒸汽释放出的热量而使温度升高，蒸汽流经换热器时向冷却水放热变为液相的凝结水并使其温度降低至50℃～65℃并稳定在该温度区间。此时为t₁时刻，干度计算器10分别采集热量表14所测量的累计热量Q₁＝2000kJ、电子天平9所测量的重量m₁＝0.8kg和凝水温度表5所测量的温度T_1，1＝56.4℃，在经过一个采样周期的时间Δt＝t₂-t₁＝30s，即在t₂时刻，干度计算器10采集热量表14所测量的累计热量Q₂＝2276.8kJ、电子天平9所测量的重量m₂＝0.96kg和凝水温度表5所测量的温度T_1，2＝56.5℃，按照下式

Q＝Q₂-Q₁＝276.8kJ

m＝m₂-m₁＝0.16kg

得出热量Q、凝结水的重量m和凝水温度的平均值T₁。在干度计算器10中，内置有蒸汽热物性函数表，干度计算器10依据所采集到的凝结水在Δt时间内的平均温度T₁，得出该温度下的凝结水比焓h₁＝216.1kJ/kg。干度计算器10由压力表导入或者人工输入的待测干度的蒸汽压力p＝0.3MPa，由内置的蒸汽热物性函数表得出待测干度蒸汽在压力p下的饱和水焓h_w＝561.46J/kg和干饱和蒸汽焓h_v＝2724.89kJ/kg，并按照下式

$X=\frac{(\frac{Q}{m}+h_1)-h_w}{h_v-h_w}$

得出待测的蒸汽干度X＝0.649，并显示出来。

实施例三

本实施例是对压力为p＝10MPa的蒸汽进行干度测量，所对应的蒸汽温度为310.96℃，所用冷却水的温度为24℃。

本实施例的凝结式蒸汽干度测量装置包括换热器、调节阀、温度表、热量表、均流器、干度计算器10和电子天平9，其中：换热器3为多层换热板的板式换热器。换热器3两个通道的入口处分别与蒸汽管1和冷却水入管15连接，在蒸汽的出口处通过与电子天平9的天平水箱8连接，在冷却水的出口有冷却水的出管11；在蒸汽管1与换热器3之间有蒸汽调节阀2，在凝结水管7与天平水箱8之间有凝水调节阀6，在冷却水出水管11上有冷却水调节阀12。为了能获得温度均匀的凝结水和冷却水，本实施例在换热器3的凝结水和冷却水的出口分别装有凝结水均流器4和冷却水均流器13。为了能够准确地获得冷却水的温度和流量以确定冷却水在换热器3中所吸收的热量，本实施例还在冷却水入管15上安装有热量表14，热量表14的流量传感器和其中一个温度传感器与冷却水入管15相接，另一个温度传感器固定在冷却水出管11内；在凝结水管7上安装有凝水温度表5。天平水箱8安置在电子天平9上。干度计算器10与凝水温度表5、电子天平8和热量表14之间通信连接。

本发明在蒸汽管1、蒸汽调节阀2、换热器3、凝结水均流器4、凝水温度表5、凝结水管7、冷却水均流器13、热量表14和冷却水出管11的外壁面上均敷有优质聚氨酯保温层。

在进行蒸汽干度测量时，利用换热器3所具有的两个流体通道，将其中一个与蒸汽管1相连接，做为待测干度的蒸汽通道，另一个与冷却水入管15相连接，做为冷却水通道；同时将待测干度的蒸汽和冷却水引入到换热器中，通过调节冷却水调节阀12，使冷却水在冷却水入管15、换热器3和冷却水出管11中稳定地流动，并使蒸汽和冷却水之间自发进行热传导，即冷却水流经换热器时吸收蒸汽释放出的热量而使温度升高，蒸汽流经换热器时向冷却水放热变为液相的凝结水并使其温度降低至60℃～70℃并稳定在该温度区间。此时为t₁时刻，干度计算器10分别采集热量表14所测量的累计热量Q₁＝4000kJ、电子天平9所测量的重量m₁＝1.8kg和凝水温度表5所测量的温度T_1，1＝63℃，在经过一个采样周期的时间Δt＝t₂-t₁＝40s，即在t₂时刻，干度计算器10采集热量表14所测量的累计热量Q₂＝4282.5kJ、电子天平9所测量的重量m₂＝1.92kg和凝水温度表5所测量的温度T_1，2＝63.2℃，按照下式

Q＝Q₂-Q₁＝282.5kJ

m＝m₂-m₁＝0.12kg

得出热量Q、凝结水的重量m和凝水温度的平均值T₁。在干度计算器10中，内置有蒸汽热物性函数表，干度计算器10依据所采集到的凝结水在Δt时间内的平均温度T₁，得出该温度下的凝结水比焓h₁＝264.19kJ/kg。干度计算器10由压力表导入或者人工输入的待测干度的蒸汽压力p＝10MPa，由内置的蒸汽热物性函数表得出待测干度蒸汽在压力p下的饱和水焓h_w＝1407.87/kg和干饱和蒸汽焓h_v＝2725.47kJ/kg，并按照下式

$X=\frac{(\frac{Q}{m}+h_1)-h_w}{h_v-h_w}$

得出待测的蒸汽干度X＝0.919，并显示出来。

Claims (6)

1.一种凝结式蒸汽干度测量装置，包括蒸汽管(1)、冷却水管、温度表和阀门，其特征在于还包括换热器(3)、电子天平(9)、凝结水均流器(4)和冷却水均流器(13)，并且换热器的两个入口通道分别与蒸汽管(1)和冷却水入管(15)连接；换热器的蒸汽出口通道通过凝结水管(7)与电子天平(9)连接，换热器的冷却水出口通道连接有冷却水出管(11)，在冷却水出管(11)上装有冷却水均流器(13)；在换热器(3)的蒸汽出口通道上装有凝结水均流器(4)和凝水温度表(5)，在冷却水入管(15)和冷却水出管(11)上设有热量表(14)，通过温度传感器和流量传感器采集相关数据，并且干度计算器与凝水温度表、电子天平和热量表之间通信连接。

2.如权利要求1所述凝结式蒸汽干度测量装置，其特征在于蒸汽调节阀(2)位于蒸汽管(1)上，热量表(14)和冷却水调节阀(12)位于冷却水入管(15)上。

3.如权利要求1所述凝结式蒸汽干度测量装置，其特征在于在换热器(3)、蒸汽管(1)、凝结水管(7)和冷却水出管(11)的外壁面上均敷有保温层。

4.如权利要求1所述凝结式蒸汽干度测量装置，其特征在于热量表(14)的流量传感器与冷却水入管(15)相接；热量表(14)的一个温度传感器固定在冷却水入管(15)内，另一个温度传感器固定在冷却水出管(11)内并且沿冷却水流方向位于冷却水均流器(13)之后。

5.如权利要求1所述凝结式蒸汽干度测量装置，其特征在于干度计算器(10)内置有蒸汽的热物性函数表。

6.一种利用权利要求1所述凝结式蒸汽干度测量装置测量凝结式蒸汽干度的方法，其特征在于：

a.将冷却水与待测干度的蒸汽分别引入换热器(3)的两个流体通道中，将其中一个做为待测干度的蒸汽通道，另一个做为冷却水通道；

b.蒸汽与冷却水在换热器(3)内的流动中自发进行热传导，使冷却水吸收蒸汽释放的热量而升温，使蒸汽降温变为液相的凝结水；

c.测量冷却水在冷却器中获得的热量Q、凝结水的重量m和温度T₁，向干度计算器(10)输入待测干度的蒸汽压力p，通过干度计算器获得待测干度蒸汽在p压力下的饱和水焓h_w和干饱和蒸汽焓h_v，并由下式确定待测的蒸汽干度X：

$X=\frac{(\frac{Q}{m}+h_1)-h_w}{h_v-h_w}$

其中：h₁为凝结水温T₁下的焓，h_v和h_w分别为待测干度的蒸汽在待测压力p下的干饱和蒸汽焓和饱和水焓。