CN102353412B - 一种湿饱和蒸汽干度及流量一体化测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种湿饱和蒸汽干度及流量一体化测量装置，测湿电热器（11）和测流电热器（8）顺序设置在旁路管道（13）内，基点温度测量装置（12）安装在测湿电热器（11）一侧，饱和温度测量装置（9）安装在测湿电热器（11）和测流电热器（8）之间，过热温度测量装置（7）安装在测流电热器（8）另一侧，旁路管道（13）并联到主管道上，孔板流量计（1）安装在主管道（2）内，前端压力测量装置（15）和后端压力测量装置（3）安装在孔板流量计（1）两侧。通过测量旁路管道内的三个点的温度以及电加热量，即可测量出管道内湿饱和蒸汽的干度及全焓。此装置原理可靠、信号处理简单、测量方法实用，对可变两相流测量的理论和实践具有重大意义。

Description

一种湿饱和蒸汽干度及流量一体化测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于流量计量领域，特别是涉及一种湿饱和蒸汽干度及流量一体化测量装置及测量方法。 

背景技术

一次能源大都是转化成蒸汽而加以利用的。对于湿饱和蒸汽，正确计量蒸汽量并同时得知它的干度是具有很大意义的。目前多采用分立式测量法——即分别测出蒸汽的干度和流量尔后推导出蒸汽的全焓。近年来尽管对这类两相流动的载能体进行了多种物理效应的测量试验，如辐射吸收法、光测法、电极法，热线风速法等多种，但精度低，成本高，要求条件荷刻是这些方法的通病。迄今为止未见一台流量—干度一体化仪表在线实际应用。另一方面,实用工业蒸汽锅炉大都是饱和蒸汽锅炉，不知道蒸汽的干度，就不能保证蒸汽的品质，继而也就不能保证产品的质量，这历来就是锅炉生产厂家和用户关心而又没能解决的问题。此外，随着热电联合应用，联合循环的发展，不能准确测定蒸汽的干度，也为利用饱和蒸汽的有关单位的经济结算带来困难，因此研制一种实用性强，能一次测量出蒸汽的全焓的流量计既是工业发展的需要，也是一项具有开拓性意义的课题。 

发明内容

本发明冲破传统的要测两相流，必先测空隙率的束缚，利用蒸汽相变这一两相流测定的不利因素，提供一种新的测量装置和测量方法，从而可以在测得湿饱和蒸汽的流量的同时在线测出其干度，这为即时评价蒸汽的品质品位，结算蒸汽的全焓，提供了一种简捷直观的测量装置和测量方法。

一种湿饱和蒸汽干度及流量一体化测量装置，其特征在于包括：旁路管道、控制装置、测湿电热器、测流电热器、基点温度测量装置、饱和温度测量装置、过热温度测量装置、孔板流量计、前端压力测量装置和后端压力测量装置，测湿电热器和测流电热器顺序设置在旁路管道内，基点温度测量装置安装在测湿电热器一侧，饱和温度测量装置安装在测湿电热器和测流电热器之间，过热温度测量装置安装在测流电热器另一侧，旁路管道并联到主管道上，孔板流量计安装在主管道内，前端压力测量装置和后端压力测量装置安装在孔板流量计两侧。

进一步，在旁路管道的入口处安装有旁通入口阀，旁通入口阀的开度经控制装置控制。

进一步，在旁路管道的出口处安装有旁通出口阀和放空阀，通过控制旁通出口阀和放空阀来维持旁路管道湿饱和蒸汽干度和流量的正常测量。

进一步，测湿电热器和测流电热器置于与旁路管道同心的位置，两个电热器的最近端相距80mm。

进一步，旁路管道的直径选为主管道直径的1/10。

进一步，测湿电热器和测流电热器选用镍铬丝。

本发明还公开了采用上述测量装置测量全焓的方法，包括如下步骤：

1）通过基点温度测量装置、饱和温度测量装置和过热温度测量装置测量旁路管道中a、b、c三点的介质温度，其中a点位于测湿电热器一侧，b点位于测湿电热器和测流电热器之间，c点位于测流电热器另一侧；

2）通过前端压力测量装置和后端压力测量装置测量孔板流量计两侧的压力值；

3）通过a、b、c三点的温度查表得到这三点的相应热力学参数：

a点温度下干饱和蒸汽的焓ha″, 

a点温度下饱和水的焓ha′,

a点温度下饱和水的气化潜热γ,

b点介质的焓h_b,

c点介质的焓h_c,

a点的饱和压力P_a ,

a点饱和蒸汽的比容v_a ^″，

b点过热蒸汽的比容v_b，

以及c点过热蒸汽的比容v_c;

4)根据公式计算出a点的湿饱和蒸汽干度x，

x=[ h_b-                                               

( h_c-h_b)- h_a ^′]/γ             (8)，

其中：x ——a点湿饱和蒸汽的干度（kg/kg）；

h_a′——a点温度下饱和水的焓（kJ/kg）；

h_b——b点介质的焓（kJ/kg）；

h_c——c点介质的焓（kJ/kg）；

——测湿电加热器对介质的加热功率（kw）；

——测流电加热器对介质的加热功率（kw）；

γ——a点温度下饱和水的气化潜热（kJ/kg）;

5）根据公式（9）计算出旁路管道中质量流量

          G″=

/( h_c-h_b)                            (9)

6）、根据公式（10）计算出主管道中的质量流量，

G′=

 

 d²

              (10) 

其中: G′——主管道的质量流量（kg/s）；

c——流出系数；

——体流束膨胀系数； 

β——直径比；

d——孔板流量计节流直径（m）  ；

ΔP——上下游压差 (Pa)；

ρ₁——上游流体密度;

7）根据公式（13）计算旁路管道和主管道的总质量流量:

G=G′+G″                         （13）

8）根据公式（14）计算出单位时间内流经管道的介质的总焓（kJ/s）

              H=G h_a=G[x h_a″+(1-x) h_a′]        （14）。

进一步，调节旁路管道入口处旁通入口阀的开度，保证测湿加热器的功率

=2～3kw时，b、a两点间的温差C₁＝2℃，使得测湿加热器能够将湿蒸汽加热成微过热蒸汽；同时调节测流加热器的功率

，使得c、b两点间的温差C₂＝5℃。

进一步，在主管道流量不足时，通过关闭旁路管道出口处安装的旁通出口阀和开启旁路管道出口处安装的放空阀来维持旁路管道湿饱和蒸汽干度和流量的正常测量。

本发明的测量装置利用经典的热力学原理，输出信号主要是温度（事实上是热电偶电毫伏信号）及电加热量，因此，此种流量计原理可靠、信号处理简单、测量方法实用，其对可变两相流测量的理论和实践都是有重大意义的。

附图说明

图1：测量装置原理简图；

图2：电热器结构示意图。

附图标记说明：

1-  孔板流量计；2-主管道；3-后端压力测量装置；4-旁通出口阀；

5-放空口；6-放空阀；7-过热测温点；8-测流电加热器；

9-饱和温度测量装置；10-控制装置;11-测湿电加热器；

12-基点温度测量装置；13-旁通管道；14-旁通入口阀；

15-前端压力测量装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体说明。

如图1所示，本发明的测量装置包括旁路管道13和控制装置10，在旁路管道13内顺序设置有测湿电热器11和测流电热器8，在测湿电热器11一侧安装有基点温度测量装置12，在测湿电热器11和测流电热器8之间安装有饱和温度测量装置9、在测流电热器8另一侧安装有过热温度测量装置7。基点温度测量装置12、饱和温度测量装置9、过热温度测量装置7测量出旁路管道13中a、b、c三点的温度。在主管道2内安装有孔板流量计1，孔板流量计1的两侧安装有前端压力测量装置15和后端压力测量装置3，用于测量主管路中孔板两侧d点和e点的压力。

根据主管道2的直径选择旁路管道13的直径，对于主管道2直径D=100mm～300mm的范围，旁路管道13直径d选为d=D/10。两个加热器11、8选用直径为2mm的镍铬丝，对于D=100mm～300mm的主管路，测湿加热器11的电阻值Rx=10～50Ω，测流加热器8的电阻值Ry=2Rx。如图2所示，镍铬丝在旁通管道13内均呈对称双喇叭螺线管形，置于与旁路管道13同心的位置。两个加热器的最近端相距80mm。

如图1所示，在旁路管道13的入口处安装有旁通入口阀14，调节旁通入口阀14的开度经控制装置10控制，保证测湿加热器11的功率

=2～3kw时，b、a两点间的温差C₁＝2℃，使得测湿加热器11能够将湿蒸汽加热成微过热蒸汽，这样的蒸汽微过热度能够保证在b点的蒸汽不再含有水分，从而能够满足蒸汽干度的测量条件。同时调节测流加热器8的功率

，使得c、b两点间的温差C₂＝5℃，这样的温差可以满足蒸汽流量的测量条件。较大旁路流量需要较大的电功率输入，能够获得较高的湿饱和蒸汽干度和流量的测量精度，但浪费电能；而较小的旁路流量可以节约电加热量，但湿饱和蒸汽干度和流量的测量精度会较低，因此，通过适当的调节旁通入口阀14，能够在保证适当的湿饱和蒸汽干度和流量测量精度前提下，又不至于过于浪费电能。

如图1所示，在旁路管道13的出口处安装有旁通出口阀4和放空阀5。在主管道流量不足时，势必造成主管道2的d、e间压差不能满足适当的旁路流量，通过关闭旁通出口阀4和开启放空阀5来维持旁路管道13湿饱和蒸汽干度和流量的正常测量。

旁通管路13并联在主管道中,旁路管路中a点与主管路d点位置接近且没有压降，两点的压力应相等，即Pa=Pd, b、c点的压力虽略低于a点，但其压差可忽略。这样基点温度测量装置12、饱和温度测量装置9、过热温度测量装置7测量出旁路管道13中a、b、c三点的温度，通过查饱和水和饱和蒸汽表以及过热蒸汽表就可得到与a、b、c三点相关的热力学参数。饱和水和饱和蒸汽表以及过热蒸汽表可见沈维道等编<工程热力学>（人民教育出版社,1962年12月第一版）。

下面具体描述干度和流量的测量。

一、干度测量

在旁路管道中介质除在局部电加热外是绝热流动，通过a、b、c三点的温度测量能够得到在这三点的相应热力学参数，a点温度下干饱和蒸汽的焓h_a″, a点温度下饱和水的焓h_a′, a点温度下饱和水的气化潜热γ,b点介质的焓h_b, c点介质的焓h_c,此外a点的饱和压力P_a ,a点饱和蒸汽的比容v_a″，b点过热蒸汽的比容v_b，c点过热蒸汽的比容v_c,亦可查表获得。

 设定湿饱和蒸汽干度为x，即在1kg湿饱和蒸汽中包含x kg蒸汽，（1- x）kg饱和水，则

                     h_a=xh_a″+(1-x)h_a′

又因为气化潜热γ= h_a″- h_a′，故

                h_a=xγ+h_a′                       （1）

a点的湿蒸汽通过测湿电加热器11的加热，在b点变成干蒸汽（或微过热蒸汽），介质在b点的焓为a点介质焓与加热量W_x之和，即

                h_b= h_a+W_x                          (2)

同样，在c点的介质焓应为b点介质焓与测流电加热器8加热量W_y之和，即:                h_c= h_b+W_y              (3)

设定介质的质量流量为G″,则

= G″W_x                          (4)

= G″W_y                          (5)

将（1）（2）合并消去h_a ，整理，则

x=( h_b -W_x- h_a′)/γ                   (6)

合并（4）（5）消去G″，并利用（3）式消去W_y，则

W_x=

(h_c-h_b)                        (7)

（7）式代入（6），得到

x=[ h_b-

(h_c-h_b)-h_a′]/γ                  (8) 

其中：

h_a ——a点湿饱和蒸汽的焓（kJ/kg）

h_a″——a点温度下干饱和蒸汽的焓（kJ/kg）（查表）

h_a′——a点温度下饱和水的焓（kJ/kg）（查表）

x ——a点湿饱和蒸汽的干度（kg/kg）

γ——a点温度下饱和水的气化潜热（kJ/kg）（查表）

h_b——b点介质的焓（kJ/kg） （查表）

h_c——c点介质的焓（kJ/kg）（查表）

W_x——测湿电加热器对单位质量介质的加热量（kJ/kg）

W_y——测流电加热器对单位质量介质的加热量（kJ/kg）

——测湿电加热器对介质的加热功率（kw）

——测流电加热器对介质的加热功率（kw）

G″——旁通管道中介质的质量流量（kg/s）

式（8）中，通过a点的温度可查表获得相应的a点饱和蒸汽压力P_a，同时获得a点的热力学参数h_a′，h_a″及γ，由于b、c两点的压力接近P_a，可根据b、c两点的温度值获得相应的过热蒸汽参数h_b，h_c，测出测湿电加热器对介质的加热功率

及测流电加热器对介质的加热功率

，则据（8）式即可算出a点的湿饱和蒸汽干度x。

 由于干度的不确定度主要取决于对加热功率的准确测定，如果将2％精度交流电功率测定值改成直流供电，精度可提高—个量级，相应的干度精度也可提高一个量级。

二、质量流量测量    

1、旁路管道中的质量流量测量

　　由（3）（5）式联立，可得：

          G″=

/( h_c-h_b)                            (9)

2、主管道中质量流量的测量

在主管道2中安装有孔板流量计1，通过孔板流量计1两侧安装的前端压力测量装置15和后端压力测量装置3，能够测量出主管道2中孔板两侧d点和e点的压力。

根据蔡武昌等编著，化学工业出版社2001年4月第一版的《流量测量方法和选用》中所提供的标准孔板流量计的流量算法

G^′=

 

 d²

              (10)

其中

G′——主管道的质量流量（kg/s）；

c——流出系数（查表）；

——体流束膨胀系数（查表）；

β——直径比，β=d/D；

d——孔板流量计节流直径（m）  ；

D——主管道直径（m）；

ΔP——上下游压差，ΔP=（P_d-P_e）,(Pa)；

P_d——上游压力，P_d=P_a≈P_b≈P_c；

P_e——下游压力(Pa)；

ρ₁——上游流体密度ρ₁=1/v_a，v_a= v_a″x+(1-x) v_a′；

v_a ——a点湿饱和蒸汽的比容（m³/kg)；

v_a′——a点温度下干饱和蒸汽的比容（m³/kg) （查表）；

v_a″——a点温度下饱和水的比容（m³/kg) （查表）；

3、总质量流量

根据旁路管道和主管道的质量流量即可测得总的质量流量：

G=G′+G″           （13）

三、总焓

             H=G h_a=G[x h_a″+(1-x) h_a′]         （14），

这里的H是单位时间内流经管道介质的总焓（kJ/s）。     

采用本发明提供的装置，通过测量旁路管道中三个点的温度值，以及主管路中两个点压力值，就可得到管道中的全焓。 

Claims (9)

1.一种湿饱和蒸汽干度及流量一体化测量装置，其特征在于包括：旁路管道（13）、控制装置（10）、测湿电热器（11）、测流电热器（8）、基点温度测量装置（12）、饱和温度测量装置（9）、过热温度测量装置（7）、孔板流量计（1）、前端压力测量装置（15）和后端压力测量装置（3），测湿电热器（11）和测流电热器（8）顺序设置在旁路管道（13）内，基点温度测量装置（12）安装在测湿电热器（11）一侧，饱和温度测量装置（9）安装在测湿电热器（11）和测流电热器（8）之间，过热温度测量装置（7）安装在测流电热器（8）另一侧，旁路管道（13）并联到主管道上，孔板流量计（1）安装在主管道（2）内，前端压力测量装置（15）和后端压力测量装置（3）安装在孔板流量计（1）两侧。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：在旁路管道（13）的入口处安装有旁通入口阀（14)，旁通入口阀(14)的开度经控制装置（10）控制。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：在旁路管道（13）的出口处安装有旁通出口阀（4）和放空阀（5），通过控制旁通出口阀（4）和放空阀（5）来维持旁路管道（13）湿饱和蒸汽干度和流量的正常测量。

4.根据权利要求1-3任一项所述的测量装置，其特征在于：测湿电热器（11）和测流电热器（8）置于与旁路管道（13）同心的位置，两个电热器的最近端相距80mm。

5.根据权利要求1-3任一项所述的测量装置，其特征在于：旁路管道（13）的直径选为主管道直径的1/10。

6.根据权利要求1-3任一项所述的测量装置，其特征在于：测湿电热器（11）和测流电热器（8）选用镍铬丝。

7.采用权利要求1-6任一项所述的测量装置测量全焓的方法，包括如下步骤：

1）通过基点温度测量装置（12）、饱和温度测量装置（9）和过热温度测量装置（7）测量旁路管道中a、b、c三点的介质温度，其中a点位于测湿电热器（11）一侧，b点位于测湿电热器（11）和测流电热器（8）之间，c点位于测流电热器（8）另一侧；

2）通过前端压力测量装置（15）和后端压力测量装置（3）测量孔板流量计（1）两侧的压力值；

3）通过a、b、c三点的温度查表得到这三点的相应热力学参数：

a点温度下干饱和蒸汽的焓ha″;

a点温度下饱和水的焓ha′;

a点温度下饱和水的气化潜热γ;

b点介质的焓h_b;

c点介质的焓h_c;

a点的饱和压力P_a ;

a点饱和蒸汽的比容v_a ^″，;

b点过热蒸汽的比容v_b;

以及c点过热蒸汽的比容v_c;

4)根据公式（8）计算出a点的湿饱和蒸汽干度x:

x=[ h_b-                                               

( h_c-h_b)- h_a ^′]/γ             (8)，

其中：

x ——a点湿饱和蒸汽的干度（kg/kg）;

h_a′——a点温度下饱和水的焓（kJ/kg）;

h_b——b点介质的焓（kJ/kg）;

h_c——c点介质的焓（kJ/kg）;

——测湿电加热器对介质的加热功率（kw）;

——测流电加热器对介质的加热功率（kw）;

γ——a点温度下饱和水的气化潜热（kJ/kg）;

5）根据公式（9）计算出旁路管道（13）中质量流量:

          G″=

/( h_c-h_b)                            (9);

6）、根据公式（10）计算出主管道中的质量流量:

G′=

  d²

              (10) ,

其中:

G′——主管道的质量流量（kg/s）；

c——流出系数；

——体流束膨胀系数； 

β——直径比；

d——孔板流量计节流直径（m）；

ΔP——上下游压差 (Pa)；

ρ₁——上游流体密度;

7）根据公式（13）计算旁路管道和主管道的总质量流量:

G=G′+G″                         （13）;

8）根据公式 （14）计算出单位时间内流经管道的介质的总焓（kJ/s）:

              H=G h_a=G[x h_a″+(1-x) h_a′]        （14），

其中：

h_a″——a点温度下干饱和蒸汽的焓（kJ/kg）。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：调节旁路管道（13）入口处旁通入口阀（14）的开度，保证测湿电加热器对介质的加热功率

 =2～3kw时，b、a两点间的温差C₁＝2℃，使得测湿加热器（11）能够将湿蒸汽加热成微过热蒸汽；同时调节测流电加热器对介质的加热功率，使得c、b两点间的温差C₂＝5℃。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于：在主管道流量不足时，通过关闭旁路管道（13）出口处安装的旁通出口阀（4）和开启旁路管道（13）出口处安装的放空阀（5）来维持旁路管道（13）湿饱和蒸汽干度和流量的正常测量。

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