CN101839738B - 一种湿蒸汽流量仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种湿蒸汽流量仪及测量方法，将孔板流量计与均速管流速计串联在湿蒸汽管道上；压力计安装在流量计与流速计中间的湿蒸汽管道内，干度流量处理器放置在仪表箱内，仪表箱的支撑杆焊接在湿蒸汽管道的外壁面上；流量干度处理器内置有蒸汽热物性数据库和蒸汽流量干度数学模型。本发明通过干度流量处理器采集流量计的差压变送器上的流体动静压差信号ΔP_k、压力计的流体压力信号P、流速计的干饱和蒸汽流速U_g，由流量干度处理器得出饱和水密度ρ_l和干饱和蒸汽密度ρ_g，再对由截面含气率α方程、蒸汽干度x方程、蒸汽密度ρ方程、流量计流量G方程组成的蒸汽流量干度数学模型进行联立求解，得到待求的湿蒸汽管道内的蒸汽质量流量和蒸汽干度，具有测量湿蒸汽精度高的优点。

Description

一种湿蒸汽流量仪及测量方法

技术领域

本发明涉及的是湿蒸汽两相流物性测量的技术领域，是一种湿蒸汽流量仪及测量方法。

背景技术

湿蒸汽是气体和液体的混合物，为气液两相流，蒸汽干度是蒸汽的重要品质参数，湿蒸汽的气相干饱和蒸汽质量与湿蒸汽质量的比值称作蒸汽干度。在石油开采、化工、食品加工、制药等工业过程中，广泛使用湿蒸汽。为了对蒸汽利用过程实施有效的技术监控，需要测定蒸汽干度和流量。

公开号为CN101038188的申请文件中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，该发明的核心技术是：在湿蒸汽管道上串联安装两个流量计即标准孔板流量计和文丘里管流量计，再辅助安装一个压力计，由这两个流量计的流量模型，依据质量守恒定律，求解出蒸汽管道中的蒸汽干度和流量。目前，由于文丘里管流量计的流量模型误差较大，从而导致该测量装置的测量精度较差，不能达到最大测量误差小于5％的工程应用要求。

为了克服现有技术采用两个流量计、通过这两个流量计的流量方程联立来测量湿蒸汽干度的不足，本发明采用先求取截面含气率的思路，提出一种湿蒸汽流量仪。

发明内容

为克服现有技术中存在的测量精度较差的不足，本发明提出了一种湿蒸汽流量仪及测量方法。

本发明包括流量计、压力计、干度流量处理器和流速计，其中，流量计与流速计串联在湿蒸汽管道上，分别位于干度流量处理器的两侧；压力计安装在流量计与流速计中间的湿蒸汽管道内，干度流量处理器放置在仪表箱内，仪表箱的支撑杆焊接在湿蒸汽管道的外壁面上；流量干度处理器内置有蒸汽热物性数据库和蒸汽流量干度数学模型。

本发明还提出了一种与本发明相配套的湿蒸汽测量方法，其具体步骤是：

第1步，由截面含气率α方程、蒸汽干度x方程、蒸汽密度ρ方程、流量计流量G方程联合组成蒸汽流量干度数学模型：

$\mathrm{\α}={\{1+e(\frac{1}{x}-1)\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l}\right)+(1-e)(\frac{1}{x}-1){\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l}\right)}^{2/3}{\×\left[\frac{1+e(\frac{1}{x}-1)\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l}\right)}{1+e(\frac{1}{x}-1)}\right]}^{1/3}\}}^{-1}$

$x=\frac{U_g{\mathrm{\ρ}}_g\mathrm{S\α}}{G}$

$\mathrm{\ρ}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_l}{1+x(\frac{{\mathrm{\ρ}}_l}{{\mathrm{\ρ}}_g}-1)}$

G＝CG_Vρ

式中，α为截面含气率，e为湿蒸汽截面含气率模型的实验系数，ρ_l为饱和水密度，ρ_g为干饱和蒸汽密度，x为蒸汽干度，U_g为干饱和蒸汽流速，S为蒸汽管道截面积，G为蒸汽管道的质量流量，ρ为湿蒸汽密度，G_V为流量计测量的体积流量，C为流量计的流量系数。

第2步，在单相流流量标定台上对流量计进行标定，得到流量计的综合流量系数C。

第3步，干度流量处理器采集压力计所测量的蒸汽管道湿蒸汽压力，通过流量干度处理器，得出该压力下的饱和水密度ρ_l和干饱和蒸汽密度ρ_g。

第4步：干度流量处理器采集流速计测量的蒸汽管道干饱和蒸汽流速U_g、流量计所测量的蒸汽管道蒸汽体积流量G_V。

第5步：求解蒸汽流量干度数学模型，得出湿蒸汽管道的质量流量G和蒸汽干度x。

本发明将湿蒸汽流量仪连接在待测的湿蒸汽管道上，通过干度流量处理器4采集流量计2的差压变送器上的流体动静压差信号ΔP_k、压力计3的流体压力信号P、流速计5的干饱和蒸汽流速U_g，由蒸汽热物性数据库得出饱和水密度ρ_l和干饱和蒸汽密度ρ_g，再对由截面含气率α方程、蒸汽干度x方程、蒸汽密度ρ方程、流量计流量G方程组成的蒸汽流量干度数学模型进行联立求解，得到待求的湿蒸汽管道内的蒸汽质量流量和蒸汽干度，具有测量湿蒸汽精度高的优点。

附图说明

图1是湿蒸汽流量仪的结构示意图，其中：

1.湿蒸汽管道  2.流量计  3.压力计  4.干度流量处理器  5.流速计

具体实施方式

实施例一

本实施例是一种湿蒸汽流量仪，用于测量湿蒸汽压力为15MPa、湿蒸汽流量为5-9t/h、蒸汽干度在60-85％的湿蒸汽管道内的湿蒸汽流量与干度，其中，湿蒸汽管道的管内径为56mm、壁厚为10mm；流量计为孔板流量计，流速计为均速管流速计。

本实施例包括湿蒸汽管道1、孔板流量计2、压力计3、干度流量处理器4和均速管流速计5。流量干度处理器内置有蒸汽热物性数据库和蒸汽流量干度数学模型。湿蒸汽管道1是管内径为56mm，壁厚为10mm，长1000mm，采用20号锅炉钢制成的无缝钢管。孔板流量计2与均速管流速计5串联在湿蒸汽管道1上，分别位于干度流量处理器4的两侧，两者之间相距760mm；以来流方向为湿蒸汽流量仪的前部，则流量计2在前而流速计5在后。压力计3安装在流量计2与流速计5中间的湿蒸汽管道1内。干度流量处理器4放置在仪表箱内，仪表箱的支撑杆焊接在湿蒸汽管道1的外壁面上。

孔板流量计经过流量标定台的标定，得出其流量系数为C_k。

本实施例还提出了一种与本实施例配套使用的流量测量方法，具体步骤是：

第1步：由截面含气率α方程、蒸汽干度x方程、蒸汽密度ρ方程、流量计流量G方程所组成的蒸汽流量干度数学模型。

$\mathrm{\α}={\{1+e(\frac{1}{x}-1)\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l}\right)+(1-e)(\frac{1}{x}-1){\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l}\right)}^{2/3}{\×\left[\frac{1+e(\frac{1}{x}-1)\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l}\right)}{1+e(\frac{1}{x}-1)}\right]}^{1/3}\}}^{-1}$

$x=\frac{U_g{\mathrm{\ρ}}_g\mathrm{S\α}}{G}$

$\mathrm{\ρ}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_l}{1+x(\frac{{\mathrm{\ρ}}_l}{{\mathrm{\ρ}}_g}-1)}$

G＝CG_Vρ

式中，α为截面含气率，e为湿蒸汽截面含气率模型的实验系数，其数值为0.2，ρ_l为饱和水密度，ρ_g为干饱和蒸汽密度，x为蒸汽干度，U_g为干饱和蒸汽流速，S为蒸汽管道截面积，G为蒸汽管道的质量流量，ρ为湿蒸汽密度，G_V为流量计测量的体积流量，C为流量计的流量系数。

第2步：在单相流流量标定台上对孔板流量计进行标定，得出该流量计的综合流量系数C。

第3步：流量干度处理器采集压力计所测量的蒸汽管道湿蒸汽压力，由该压力和内置于其内的蒸汽热物性数据库，得出该压力下的饱和水密度ρ_l和干饱和蒸汽密度ρ_g。

第4步：流量干度处理器采集流速计测量的蒸汽管道干饱和蒸汽流速U_g、流量计所测量的蒸汽管道蒸汽体积流量G_V。

第5步：求解蒸汽流量干度数学模型，得出湿蒸汽管道的质量流量G和蒸汽干度x。

实施例二

本实施例是一种湿蒸汽流量仪，用于测量湿蒸汽压力为8-18MPa、湿蒸汽流量为4-10t/h、蒸汽干度在40-90％的湿蒸汽管道内的湿蒸汽流量与干度，其中，湿蒸汽管道的管内径为56mm、壁厚为10mm；流量计为内锥流量计，流速计为热式流速计。

本实施例包括湿蒸汽管道1、内锥流量计2、压力计3、干度流量处理器4和热式流速计5。流量干度处理器内置有蒸汽热物性数据库和蒸汽流量干度数学模型。湿蒸汽管道1是管内径为56mm，壁厚为10mm，长1000mm，采用20号锅炉钢制成的无缝钢管。孔板流量计2与均速管流速计5串联在湿蒸汽管道1上，分别位于干度流量处理器4的两侧，两者之间相距760mm；以来流方向为湿蒸汽流量仪的前部，则流量计2在前而流速计5在后。压力计3安装在流量计2与流速计5中间的湿蒸汽管道1内。干度流量处理器4放置在仪表箱内，仪表箱的支撑杆焊接在湿蒸汽管道1的外壁面上。

孔板流量计经过流量标定台的标定，得出其流量系数为C_k。

本实施例还提出了一种与本实施例配套使用的流量测量方法，具体步骤是：

第1步：由截面含气率α方程、蒸汽干度x方程、蒸汽密度ρ方程、流量计流量G方程所组成的蒸汽流量干度数学模型。

$\mathrm{\α}={\{1+e(\frac{1}{x}-1)\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l}\right)+(1-e)(\frac{1}{x}-1){\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l}\right)}^{2/3}{\×\left[\frac{1+e(\frac{1}{x}-1)\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l}\right)}{1+e(\frac{1}{x}-1)}\right]}^{1/3}\}}^{-1}$

$x=\frac{U_g{\mathrm{\ρ}}_g\mathrm{S\α}}{G}$

$\mathrm{\ρ}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_l}{1+x(\frac{{\mathrm{\ρ}}_l}{{\mathrm{\ρ}}_g}-1)}$

G＝CG_Vρ

式中，α为截面含气率，e为湿蒸汽截面含气率模型的实验系数，其数值为0.2，ρ_l为饱和水密度，ρ_g为干饱和蒸汽密度，x为蒸汽干度，U_g为干饱和蒸汽流速，S为蒸汽管道截面积，G为蒸汽管道的质量流量，ρ为湿蒸汽密度，G_V为流量计测量的体积流量，C为流量计的流量系数。

第2步：在单相流流量标定台上对流量计进行标定，得出内锥流量计的综合流量系数C。

第3步：流量干度处理器采集压力计所测量的蒸汽管道湿蒸汽压力，由该压力和内置于其内的蒸汽热物性数据库，得出该压力下的饱和水密度ρ_l和干饱和蒸汽密度ρ_g。

第4步：流量干度处理器采集流速计测量的蒸汽管道干饱和蒸汽流速U_g、流量计所测量的蒸汽管道蒸汽体积流量G_V。

第5步：求解蒸汽流量干度数学模型，得出湿蒸汽管道的质量流量G和蒸汽干度x。

Claims (1)

1.一种湿蒸汽流量仪的湿蒸汽测量方法，所利用的湿蒸汽流量仪包括流量计(2)、压力计(3)、干度流量处理器(4)和流速计(5)，其中，流量计(2)与流速计(5)串联在湿蒸汽管道(1)上，分别位于干度流量处理器(4)的两侧；压力计(3)安装在流量计(2)与流速计(5)中间的湿蒸汽管道(1)内，干度流量处理器(4)放置在仪表箱内，仪表箱的支撑杆焊接在湿蒸汽管道(1)的外壁面上；干度流量处理器(4)内置有蒸汽热物性数据库和湿蒸汽流量干度数学模型；其特征在于，具体步骤是：

第1步，建立由截面含气率α方程、湿蒸汽干度x方程、湿蒸汽密度ρ方程、湿蒸汽管道的质量流量G方程组成湿蒸汽流量干度数学模型；

$\mathrm{\α}={\{1+e(\frac{1}{x}-1)\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l}\right)+(1-e)(\frac{1}{x}-1){\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l}\right)}^{2/3}\×{\left[\frac{1+e(\frac{1}{x}-1)\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l}\right)}{1+e(\frac{1}{x}-1)}\right]}^{1/3}\}}^{-1}$

$x=\frac{U_g{\mathrm{\ρ}}_g\mathrm{S\α}}{G}$

$\mathrm{\ρ}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_l}{1+x(\frac{{\mathrm{\ρ}}_l}{{\mathrm{\σ}}_g}-1)}$

G＝CG_Vρ

式中，α为截面含气率，e为湿蒸汽截面含气率模型的实验系数，ρ_l为饱和水密度，ρ_g为干饱和蒸汽密度，x为湿蒸汽干度，U_g为干饱和蒸汽流速，S为湿蒸汽管道截面积，G为湿蒸汽管道的质量流量，ρ为湿蒸汽密度，G_V为流量计测量到的湿蒸汽管道的湿蒸汽体积流量，C为流量计的流量系数；

第2步，在单相流流量标定台上对流量计进行标定，得出流量计的流量系数C；

第3步，采集压力计所测量的湿蒸汽管道湿蒸汽压力，通过干度流量处理器，得出该压力下的饱和水密度ρ_l和干饱和蒸汽密度ρ_g；

第4步：干度流量处理器采集流速计测量的湿蒸汽管道干饱和蒸汽流速U_g、流量计所测量的湿蒸汽管道的湿蒸汽体积流量G_V；

第5步：求解湿蒸汽流量干度数学模型，得出湿蒸汽管道的质量流量G和湿蒸汽干度x。

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