CN103185735A - 基于变界分段能平衡的软测量方法、多功能湿蒸汽测针及湿蒸汽吸热量测控装置 - Google Patents

Abstract

一种基于变界分段能平衡的软测量方法、多功能湿蒸汽测针及湿蒸汽吸热量测控装置，其特点是：多功能湿蒸汽测针由电加热棒，带有均匀等螺距的外凸螺旋肋的电加热棒套管，多功能湿蒸汽测针外壁管，前传感器座和后传感器座组成。利用等温套管，等温套管内、外壁等间距分布的温度测点和计算机在线测控设备共同构成湿蒸汽吸热量测控装置。多功能湿蒸汽测针放置于湿蒸汽吸热量测控装置内，整体结构由外套筒，外套筒法兰盖和外套筒法兰盘压紧固定；基于湿蒸汽在上述结构中的流动受热过程机理分析，建立了软测量模型及测量结果的在线校验模型；整个设备结构简单，适用于多种涉及湿蒸汽两相流的测量领域尤其是凝汽式汽轮机排汽湿度测量。

Description

基于变界分段能平衡的软测量方法、多功能湿蒸汽测针及湿蒸汽吸热量测控装置

技术领域

本发明涉及湿蒸汽两相流在线测量领域，是一种基于变界分段能平衡的软测量方法、多功能湿蒸汽测针及湿蒸汽吸热量测控装置，特别适用于凝汽式汽轮机排汽湿度及其它湿蒸汽两相流的流量、截面含汽率等湿蒸汽进行实时在线监测。

背景技术

流动湿蒸汽存在于大量工业领域设备中，尤其是火电站汽轮机低压级、核电站汽轮机全部级等运行环境中。湿蒸汽中的水滴对汽轮机叶片会造成安全威胁损害安全利益，同时直接导致汽轮机效率降低从而损害经济利益。汽轮机排汽湿度的测量对于保证汽轮机的安全、经济、高效运行具有极其重要的意义。

目前，汽轮机排汽湿度测量方法主要有光学法、加热法、示踪法、微波法、电容法、光纤光栅法等。但迄今为止，尚没有一种能够实现汽轮机排汽湿度长期实时在线监测的装置应用于实际生产。

目前的汽轮机排汽湿度测量方法中除激光法和加热法外，都还处于实验室研究阶段。其中，激光法尚有两大难题有待破解。一是无法给出绝对湿度，二是无法实现长期在线监测。加热法则存在三大难题：一是作为加热法理论基础的热平衡式因质量流量无法准确测量而无法保证测量准确度，二是散热损失难以准确确定，三是测出的湿度值难以进行实验检验。

发明内容

本发明的目的是，针对现有加热法的不足，提供一种方法科学、合理，能够实现实时在线准确测量的基于变界分段能平衡软测量方法。并提供结构简单，测量精度高，适用于凝汽式汽轮机排汽湿度及其它湿蒸汽两相流的流量、截面含汽率等湿蒸汽参数进行实时在线监测的多功能湿蒸汽测针及湿蒸汽吸热量测控装置。

实现本发明目的所采用的技术方案之一是：一种基于变界分段能平衡的软测量方法，其特征是：湿饱和蒸汽通过多功能湿蒸汽测针螺旋形等截面汽道而被连续加热自发增容变为过热蒸汽，整个过程分两个区（段）进行：从入口开始，湿蒸汽中的雾状水滴随吸热量的增多而不断汽化，水滴在汽液中的比例（即湿度）同步减小；当其吸热量增大到等于全部水滴汽化潜热总和时，湿度为零，湿蒸汽变为干饱和蒸汽，零湿度位置，所对应的电加热棒横断面至入口截面的直线距离被定义为汽化长度，显然，电加热棒功率一定时，汽化长度完全取决于待测湿蒸汽质量流量和湿度大小，干蒸汽进一步受热而升温，变为过热蒸汽，螺旋形汽道中，干蒸汽与过热蒸汽的分界面可理想化为与流线相垂直的平面，简称为界面，在电加热棒功率一定时，界面位置也取决于进口湿蒸汽质量流量和湿度大小，由此可见，汽化长度和干饱和蒸汽/过热蒸汽的分界面位置具有同一性，它们都随待测湿蒸汽的流量、湿度变化而变化，是谓“变界”；从蒸汽受热过程机理分析，汽化区段中，蒸汽/雾滴两相流中的水滴受热蒸发属于相变过程，其温度和相应的压力均不变化；过热区段中，干蒸汽受热升温，属于单相升温过程，两者基于机理分析的软测量模型应有所区分，是谓“分段能平衡”，湿饱和蒸汽通过螺旋形等截面汽道而被连续加热自发增容变为过热蒸汽，整个加热过程机理由下述方程组定量描述：

过热段焓平衡：

                                                         

                            (1)

蒸发段焓平衡：

          

                                 (2)

加热过程热量平衡：

过热段：

                        (3)

    蒸发段：

                          (4)

变界结构参数方程：

           

                                 (5)

其中，

多功能湿蒸汽测针外壁管所布置的插入式温度传感器之间的间距、

单位长度电加热棒加热功率，在运行中为已知量，入口湿饱和蒸汽温度

、出口过热蒸汽温度

和出口过热蒸汽压力

为在线测得，相应的出口过热蒸汽焓

由水蒸气表确定，将式(1)、式(2)、式(3)、式(4)和式(5)联立求解得：

                                 (6)

    将式(1)、式(2)、(3)、式(4)、式(5)和式(6)求解过程编程输入工控机，只要在线测得入口湿饱和蒸汽温度

、出口过热蒸汽温度

和出口过热蒸汽压力，多功能湿蒸汽测针即可在线自动完成湿度

的检测，其中，

为入口湿饱和蒸汽压力，

为入口饱和水焓，

为入口饱和蒸汽焓，

为干饱和蒸汽焓，为入口湿饱和蒸汽焓，

为蒸发段易测加热长度，

为过热段易测加热长度，

为蒸发段待定加热长度，为过热段待定加热长度，为每一微分小区段内的蒸汽定压比热，

为每一微分小区段内的温差，

为质量流量。

所述的基于变界分段能平衡软测量方法的校验方法分别为，

(Ⅰ) 干饱和蒸汽焓

的校验：

根据所述式(1)过热段焓平衡

确定干饱和蒸汽焓

，与入口湿饱和蒸汽温度

对应的水蒸汽表所列的查表干饱和蒸汽焓

为准进行对比校验；

(Ⅱ) 多功能湿蒸汽测针入口湿饱和蒸汽焓

与湿度

的校验：

将基于变界分段能平衡的软测量方法模型解出的入口湿饱和蒸汽焓

和湿度y分别带入入口湿饱和蒸汽温度

温度下的湿蒸汽焓方程的等号左右，检验等号左右数值，其相对误差≤2%；

(Ⅲ) 流经多功能湿蒸汽测针的质量流量

的校验：

以多功能湿蒸汽测针动态模型试验台的称重法所测质量流量为准，校验质量流量

的准确度；

实验室内利用凝结称重法测量质量流量对模型计算所得质量流量

进行校验，具体如下：

   由式（3）所述的过热段热量平衡的计算值，用动态模拟实验台以凝结称重法测得的多功能湿蒸汽测针出口过热蒸汽经冷凝而得的同次实验所得凝结液质量的比较表明，式（3）预测值与大多数1g/s-1.5g/s之间浮动，实验所测数据的误差均在5%以内，其中

为查表干饱和蒸汽焓。

实现本发明目的所采用的技术方案之二是：一种多功能湿蒸汽测

针，它包括电加热棒10，带有均匀等螺距的外凸螺旋肋5的电加热棒套管29，多功能湿蒸汽测针外壁管4，前传感器座6和后传感器座7，所述的电加热棒10与电加热棒套管29的内腔以过盈配合连接，电加热棒套管29上的均匀等螺距外凸螺旋肋5的顶端面与多功能湿蒸汽测针外壁管4的内壁以过盈配合连接，多功能湿蒸汽测针外壁管4的入口和前传感器座6以过盈配合连接，多功能湿蒸汽测针外壁管4的出口与后传感器座7以过盈配合连接，所述的多功能湿蒸汽测针3整体放置于湿蒸汽吸热量测控装置28内，湿蒸汽吸热量测控装置28嵌入外套筒顶部1和外套筒法兰盖8的凹槽中固定，湿蒸汽吸热量测控装置28和多功能湿蒸汽测针3再一起由外套筒顶部1，外套筒法兰盖8和外套筒法兰盘9压紧固定。

所述的均匀等螺距的外凸螺旋肋5的螺距为50-80mm。

所述的多功能湿蒸汽测针外壁管4沿待测湿蒸汽流动的轴线方向由入口往出口方向依次等间距旋转设置九个插入式温度传感器12，每个均匀等螺距的外凸螺旋肋5的螺距距离内平均布置三个插入式温度传感器12，每旋转120^°布置一个。

实现本发明目的所采用的技术方案之三是：一种湿蒸汽吸热量测控装置，其特征是：它包括等温套管11，等温套管11内壁和外壁上布置的膜片式温度传感器13，等温套管11外壁上的电加热丝19，多路模拟量输入模块22，多路模拟量输出模块24，固态调压器25，通讯总线27，交流电源26和工控机23，所述的等温套管11的内壁和外壁表面均匀焊接四至六对膜片式温度传感器13，等温套管11外壁紧密缠绕包覆电加热丝19，等温套管11内壁和外壁间具有1～1.5mm厚的无对流薄空气层，等温套管11内壁和外壁上布置的膜片式温度传感器13的信号线与多路模拟量输入模块22的输入端连接，多路模拟量输入模块22的输出端和多路模拟量输出模块24的输入端均分别通过通讯总线27与工控机23连接，多路模拟量输出模块24的输出端与固态调压器25的输入端连接，固态调压器25的电源端与交流电源26连接，固态调压器25的输出端与电加热丝19的引线连接。

一种湿蒸汽吸热量测控装置，其特征是：所述的中等温套管11内壁和外壁上布置的膜片式温度传感器13所采集到的温度信号经模/数转换后传输给工控机23，经工控机23内温度控制策略程序运算后给出控制信号，控制信号经数/模转换后传输给固态调压器25调节电压以控制电加热丝19的加热功率。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明将现有加热法的外加热方式改为内加热方式，且设置了等温套管隔绝多功能湿蒸汽测针向环境散热，从而可保证内加热所产生热量全部由蒸汽吸收，而无散热损失，不仅避免了传统加热法测针的基础热平衡式极难准确成立的难题，又可大为提高测量的准确度；

2.本发明取消了此前双区加热法蒸发段（区）/过热段（区）的联接段，形成单一的连续自然增容加热空间，且所用电加热棒的电功率沿其轴向长度均匀分布，因而单位长度功率可精准确定，这样，蒸发/过热的分界面与多功能湿蒸汽测针轴线的交点所确定的轴向长度和平均汽化长度之间形成了准确的一一对应关系，进而为以结构参数校验基于热平衡的测算参数奠定了可信基础；同时也缩短了整个多功能湿蒸汽测针长度；

    3.本发明布置有螺旋形蒸汽通道，不仅可显著增加蒸汽受热时间，以克服此前因汽轮机末级排汽流速过快，以致加热时间过短而受热不足的缺点。与此同时，湿蒸汽中的粗水滴因在螺旋形前进中的旋转运动所产生的离心力而被甩到外壁面直接受热得以迅速蒸发，可显著减少单区加热因大水滴汽化长度过长而可能导致未蒸发完毕就已流出传统加热法测针所造成的测量误差的可能性；

4.从测量方法看，与此前的双区加热法采用人为固定的蒸发段相比，本发明采用的自然增容连续加热法更接近实际的加热蒸发过程，对被测状态干扰更小，因而所测数据能更精准地应用于实际工艺过程。另外，作为基于工艺机理分析的软测量方法，利用硬件（多功能湿蒸汽测针外壁管连续等间距布置了若干温度测点）和软件（模型中的2，3，5式）相结合，不仅有效、准确地在线解决了常规算法难以确定随工况变化的蒸发段/过热段界面位置（即所谓“变界分段”点）的难题，还完全消除了制约传统加热法走出实验室的“散热损失和测针流量无法精准测知”的两大技术障碍。

附图说明

图1为本发明的多功能湿蒸汽测针结构剖视示意图；

图2为图1中A-A剖面示意图；

图3为本发明多功能湿蒸汽测针中蒸汽流动及其待定加热段示意图；图4为本发明的湿蒸汽吸热量测控装置示意图；

图5为本发明的湿蒸汽吸热量测控装置流程图。

图中：1外套筒顶部，2外套筒，3多功能湿蒸汽测针，4多功能湿蒸汽测针外壁管，5均匀等螺距的外凸螺旋肋，6前传感器座，7后传感器座，8外套筒法兰盖，9外套筒法兰盘，10电加热棒，11等温套管，12插入式温度传感器，13膜片式温度传感器，14压力传感器，15密封垫片，16定位支架，17导线孔，18绝热材料，19电加热丝，20电缆，21多功能湿蒸汽测针入口插入式温度传感器，22多路模拟量输入模块，23工控机，24多路模拟量输出模块，25固态调压器，26交流电源，27通讯总线，28湿蒸汽吸热量测控装置，29电加热棒套管。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明。

参照图1和图2，本发明的多功能湿蒸汽测针包括电加热棒10，带有均匀等螺距的外凸螺旋肋5的电加热棒套管29，多功能湿蒸汽测针外壁管4，前传感器座6和后传感器座7。所述的电加热棒10与电加热棒套管29的内腔以过盈配合连接，电加热棒套管29上的均匀等螺距外凸螺旋肋5的顶端面与多功能湿蒸汽测针外壁管4的内壁以过盈配合连接，多功能湿蒸汽测针外壁管4的入口和前传感器座6以过盈配合连接，多功能湿蒸汽测针外壁管4的出口与后传感器座7以过盈配合连接。所述的多功能湿蒸汽测针3整体放置于湿蒸汽吸热量测控装置28内，装入后，应在多功能湿蒸汽测针外壁管4与等温套管11内壁管之间充填绝热材料18，以尽量减小多功能湿蒸汽测针3的散热损失。整个多功能湿蒸汽测针外壁管4与等温套管11处处保持相同距离而无直接接触点。湿蒸汽吸热量测控装置28嵌入外套筒顶部1和外套筒法兰盖8的凹槽中固定，湿蒸汽吸热量测控装置28和多功能湿蒸汽测针3再一起由外套筒顶部1，外套筒法兰盖8和外套筒法兰盘9压紧固定，以确保整个多功能湿蒸汽测针3与等温套管11的相对位置恒定不变。多功能湿蒸汽测针外壁管4沿待测湿蒸汽流动的轴线方向由入口往出口方向依次等间距旋转设置九个插入式温度传感器12用于准确确定湿蒸汽汽化长度，每个均匀等螺距的外凸螺旋肋5的螺距距离内平均布置三个插入式温度传感器12，每旋转120^°布置一个，插入式温度传感器12要与均匀等螺距的外凸螺旋肋5的肋顶部避开。前传感器座6仅设置一个插入式温度传感器12，而后传感器座7则应设置插入式温度传感器12和压力传感器14各一个。其中外套筒法兰盖8开有导线孔17用于引出多功能湿蒸汽测针外壁管4上插入式温度传感器及等温套管11内壁和外壁上膜片式温度传感器13和电加热棒10及等温套管11电加热丝19的引线。引线与电缆20相连，从汽轮机汽压缸内引出，与数据采集系统连接并在该装置内实现多功能湿蒸汽测针3不同位置的蒸汽热力参数的显示，湿度的计算、监测和输出等。本发明的多功能湿蒸汽测针3是设在汽轮机低压排汽管内距汽轮机叶片145～155㎜位置，多功能湿蒸汽测针3由定位支架16焊接在气缸壁面以确保多功能湿蒸汽测针3稳定。多功能湿蒸汽测针3应水平安置，其入口应正对于汽轮机末叶片出口方向，湿蒸汽进入多功能湿蒸汽测针3的螺旋形通道经内加热逐步转化为过热蒸汽。

参照图4和图5，本发明所采用的湿蒸汽吸热量测控装置28的等温套管11的内壁和外壁之间具有1～1.5mm厚的无对流的薄空气层，并在等温套管11外壁面按每单位长度分别均匀焊接四至六对膜片式温度传感器13。等温套管11外壁紧密缠绕包覆电加热丝19。湿蒸汽吸热量测控装置28选用适于传热大延迟大惯性特点的温度控制策略，追踪等温套管11内壁温度而实时调控等温套管11外壁所包覆的电加热丝19的加热功率以使等温套管11外壁温度恒等于内壁温度，构成绝热的多功能湿蒸汽测针3等温夹层外套。以便保证电加热棒功率所产生的热量全部由包括等温套管11内壁的各多功能湿蒸汽测针3金属壁及绝热材料18和蒸汽吸收，实现多功能湿蒸汽测针3向环境散热量为零，以大大提高多功能湿蒸汽测针3分段能量平衡式的准确度。

参照图3，本发明基于变界分段能平衡的软测量方法，湿饱和蒸汽通过螺旋形等截面汽道而被连续加热自发增容变为过热蒸汽，整个加热过程机理由下述方程组定量描述：

过热段焓平衡：

          

                            (1)

蒸发段焓平衡：

          

                                 (2)

加热过程热量平衡：

过热段：

                         (3)

    蒸发段：

                          (4)

变界结构参数方程：

           

                                 (5)

其中，多功能湿蒸汽测针外壁管所布置的插入式温度传感器之间的间距、

单位长度电加热棒加热功率，在运行中为已知量，入口湿饱和蒸汽温度

、出口过热蒸汽温度和出口过热蒸汽压力

为在线测得，相应的出口过热蒸汽焓

由水蒸气表确定，将式(1)、式(2)、式(3)、式(4)和式(5)联立求解得：

                                 (6)

    将式(1)、式(2)、(3)、式(4)、式(5)和式(6)求解过程编程输入工控机，只要在线测得入口湿饱和蒸汽温度

、出口过热蒸汽温度

和出口过热蒸汽压力

，多功能湿蒸汽测针即可在线自动完成湿度

的检测，其中，

为入口湿饱和蒸汽压力，为入口饱和水焓，

为入口饱和蒸汽焓，

为干饱和蒸汽焓，

为入口湿饱和蒸汽焓，

为蒸发段易测加热长度，为过热段易测加热长度，

为蒸发段待定加热长度，

为过热段待定加热长度，为每一微分小区段内的蒸汽定压比热，

为每一微分小区段内的温差，

为质量流量。

本发明所涉及的插入式温度传感器12、膜片式温度传感器13、压力传感器14、电加热丝19、电缆20、多路模拟量输入模块22、工控机23、多路模拟量输出模块24和固态调压器25均为市售产品。

本发明所涉及的软件程序依据计算机、数据处理等自动化控制技术编制，是本领域技术人员所熟悉的技术。

Claims (7)

1.一种基于变界分段能平衡的软测量方法，其特征是：湿饱和蒸汽通过螺旋形等截面汽道而被连续加热自发增容变为过热蒸汽，整个加热过程机理由下述方程组定量描述：

过热段焓平衡：

                                                                                     (1)

蒸发段焓平衡：

          

                                 (2)

加热过程热量平衡：

过热段：

                           (3)

    蒸发段：

                          (4)

变界结构参数方程：

           

                                 (5)

其中， 

多功能湿蒸汽测针外壁管所布置的插入式温度传感器之间的间距、

单位长度电加热棒加热功率，在运行中为已知量，入口湿饱和蒸汽温度

、出口过热蒸汽温度

和出口过热蒸汽压力

为在线测得，相应的出口过热蒸汽焓

由水蒸气表确定，将式(1)、式(2)、式(3)、式(4)和式(5)联立求解得：

      

                           (6)

    将式(1)、式(2)、(3)、式(4)、式(5)和式(6)求解过程编程输入工控机，只要在线测得入口湿饱和蒸汽温度

、出口过热蒸汽温度

和出口过热蒸汽压力，多功能湿蒸汽测针即可在线自动完成湿度

的检测，其中，

为入口湿饱和蒸汽压力，

为入口饱和水焓，

为入口饱和蒸汽焓，

为干饱和蒸汽焓，

为入口湿饱和蒸汽焓， 

为蒸发段易测加热长度，

为过热段易测加热长度，

为蒸发段待定加热长度，为过热段待定加热长度，

为每一微分小区段内的蒸汽定压比热，

为每一微分小区段内的温差，

为质量流量。

2.  根据权利要求1所述的基于变界分段能平衡的软测量方法，其特征是：校验方法分别为，

   (Ⅰ) 干饱和蒸汽焓的校验：

根据所述式(1)过热段焓平衡

确定干饱和蒸汽焓

，与入口湿饱和蒸汽温度对应的水蒸汽表所列的查表干饱和蒸汽焓

为准进行对比校验；

   (Ⅱ) 多功能湿蒸汽测针入口湿饱和蒸汽焓

与湿度的校验：

将基于变界分段能平衡的软测量方法模型解出的入口湿饱和蒸汽焓

和湿度

分别带入入口湿饱和蒸汽温度

温度下的湿蒸汽焓方程

的等号左右，检验等号左右数值，其相对误差≤2%；

   (Ⅲ) 流经多功能湿蒸汽测针的质量流量

的校验：

以多功能湿蒸汽测针动态模型试验台的称重法所测质量流量为准，校验

的准确度。

3. 一种基于变界分段能平衡的多功能湿蒸汽测针，其特征是：它包括电加热棒(10)，带有均匀等螺距的外凸螺旋肋(5)的电加热棒套管(29)，多功能湿蒸汽测针外壁管(4)，前传感器座(6)和后传感器座(7)，所述的电加热棒(10)与电加热棒套管(29)的内腔以过盈配合连接，电加热棒套管(29)上的均匀等螺距外凸螺旋肋(5)的顶端面与多功能湿蒸汽测针外壁管(4)的内壁以过盈配合连接，多功能湿蒸汽测针外壁管(4)的入口和前传感器座(6)以过盈配合连接，多功能湿蒸汽测针外壁管(4)的出口与后传感器座(7)以过盈配合连接，所述的多功能湿蒸汽测针(3)整体放置于湿蒸汽吸热量测控装置(28)内，湿蒸汽吸热量测控装置(28)嵌入多外套筒顶部(1)和外套筒法兰盖(8)的凹槽中固定，湿蒸汽吸热量测控装置(28)和多功能湿蒸汽测针(3)再一起由外套筒顶部(1)，外套筒法兰盖(8)和外套筒法兰盘(9)压紧固定。

4.根据权利要求3所述的一种基于变界分段能平衡的多功能湿蒸汽测针，其特征是：所述的均匀等螺距的外凸螺旋肋(5)的螺距为50-80mm。

5.根据权利要求3所述的一种基于变界分段能平衡的多功能湿蒸汽测针，其特征是：所述的多功能湿蒸汽测针外壁管(4)沿待测湿蒸汽流动的轴线方向由入口往出口方向依次等间距旋转设置九个插入式温度传感器(12)，每个均匀等螺距的外凸螺旋肋(5)的螺距距离内平均布置三个插入式温度传感器(12)，每旋转120^°布置一个。

6.一种湿蒸汽吸热量测控装置，其特征是：它包括等温套管(11)，等温套管(11)内壁和外壁上布置的膜片式温度传感器(13)，等温套管(11)外壁上的电加热丝(19)，多路模拟量输入模块(22)，多路模拟量输出模块(24)，固态调压器(25)，通讯总线(27)，交流电源(26)和工控机(23)，所述的等温套管(11)的内壁和外壁表面均匀焊接四至六对膜片式温度传感器(13)，等温套管(11)外壁紧密缠绕包覆电加热丝(19)，等温套管(11)内壁和外壁间具有1～1.5mm厚的无对流薄空气层，等温套管(11)内壁和外壁上布置的膜片式温度传感器(13)的信号线与多路模拟量输入模块(22)的输入端连接，多路模拟量输入模块(22)的输出端和多路模拟量输出模块(24)的输入端均分别通过通讯总线(27)与工控机(23)连接，多路模拟量输出模块(24)的输出端与固态调压器(25)的输入端连接，固态调压器(25)的电源端与交流电源(26)连接，固态调压器(25)的输出端与电加热丝(19)的引线连接。

7.根据权利要求6所述的一种湿蒸汽吸热量测控装置，其特征是：所述的等温套管(11)内壁和外壁上布置的膜片式温度传感器(13)所采集到的温度信号经模/数转换后传输给工控机(23)，经工控机(23)内温度控制策略程序运算后给出控制信号，控制信号经数/模转换后传输给固态调压器(25)调节电压以控制电加热丝(19)的加热功率。

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