CN103438942B

CN103438942B - 双文丘里管

Info

Publication number: CN103438942B
Application number: CN201310374118.6A
Authority: CN
Inventors: 何灿阳; 袁德文; 闫晓; 熊万玉; 刘锦; 昝元峰; 黄军; 黄彦平
Original assignee: Nuclear Power Institute of China
Current assignee: Nuclear Power Institute of China
Priority date: 2013-08-26
Filing date: 2013-08-26
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2033-08-26
Also published as: CN103438942A

Abstract

双文丘里管，由串联且端口直径相同，但喉部直径比不同的输入文丘里管和输出文丘里管组成；优选的，所述输入文丘里管的直径比大于输出文丘里管的直径比，且输入文丘里管的扩散角大于输出文丘里管的扩散角。采用本发明所述的双文丘里管，通过不同结构的两个文丘里管串联，能在线实时计算出湿蒸汽总流量和干度。

Description

双文丘里管

技术领域

本发明属于热工测量技术领域，涉及一种双文丘里管。

背景技术

湿蒸汽是一种汽相为连续相、液相为弥散相且具有稳定流动结构的汽液两相混合物。湿蒸汽的流量、干度是热工实验研究和设备运行的重要参数；比如，湿蒸汽的流量、干度对低温低干度自然循环的供热堆的运行安全影响较大；核电站的汽轮机末端几级叶片，蒸汽干度直接影响汽轮机的叶片寿命和汽轮机效率；在化工、食品加工、制药等工业中，蒸汽的流量和干度的控制与产品的质量有着重要关系；在石油热采中，向油层注入的高温高压湿蒸汽的流量和干度对采油的经济性有着重要影响。

文丘里管是根据文丘里效应研制开发的一种节流式流量传感器，是一种标准节流装置。如图2所示一个传统文丘里管的剖面图，单个文丘里管包括的进口和出口处口径相同且均一，在文丘里管中部有一个口径小于进口和出口处内径的喉部，喉部口径d与进口或出口处口径D比为文丘里管的直径比，文丘里管的口径收缩处的倾斜角为文丘里管的扩散角δ。当它流经管道内的节流件时，流速将在文丘里管喉部处形成局部收缩，因而流速增加，静压力降低，于是在节文丘里管喉颈前后便产生了压差。流体流量愈大，产生的压差愈大，这样可依据压差来衡量流量的大小。这种测量方法是以流动连续性方程(质量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律)为基础的。

现有技术中的双文丘里管概念多为采用内藏式结构，内径较大的外部文丘里管内部还包有一个外径小于外部文丘里管内径的文丘里管。例如中国专利CN201020105775.2中公开了一种内藏式双文丘里管，通过测量两个文丘里管喉部压差计算流量。

发明内容

为在工业应用中对湿蒸汽进行实时测量，本发明提供一种双文丘里管。

本发明所述双文丘里管由串联且端口直径相同、但喉部直径比不同的输入文丘里管和输出文丘里管及连接输入文丘里管和输出文丘里管的连接段组成。采用直径比不同的双文丘里管串联用于测量湿蒸汽干度和流量，流过双文丘里管的蒸汽流量、压力和干度理论上处处相等，使得一次可以测量出两个不同的文丘里管喉部压差，构建两个不同的虚高特性方程，便于联合求解得出湿蒸汽干度和流量。

基于上述基本方案的双文丘里管的第一种优选实施方式为：所述输入文丘里管的直径比大于输出文丘里管的直径比；且输入文丘里管的扩散角大于输出文丘里管的扩散角。以减小蒸汽流过双文丘里管的压力损失。

基于第一种优选实施方式的双文丘里管的第二种优选实施方式为：所述输入文丘里管的直径比为0.7，输出文丘里管的直径比为0.4。可以取得更好的测量效果。

基于上述基本方案的双文丘里管的第三种优选实施方式为：所述输入文丘里管和输出文丘里管的连接段长度至少为端口直径5倍。以屏蔽输入文丘里管对输出文丘里管的参数影响。

基于第一种或第二种优选实施方式的双文丘里管的第五种优选实施方式为：所述输入文丘里管的扩散角为15度，输出文丘里管的扩散角为12度。可以取得更好的测量效果。

采用本发明所述的双文丘里管，通过不同结构的两个文丘里管串联，能在线实时计算出湿蒸汽总流量和干度。

附图说明

图1示出本发明所述双文丘里管的一种具体实施方式的示意图；

图2示出传统文丘里管的参数意义示意图；

各图中附图标记名称为：11.输入文丘里管12.连接段13.输出文丘里管14.输入文丘里管喉部15.输出文丘里管喉部16.输入文丘里管压差测量区17.输出文丘里管压差测量区。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

一种双文丘里管，由串联且端口直径相同、但喉部直径比不同的输入文丘里管11和输出文丘里管13组成。端口直径相同。

图1给出本发明所述双文丘里管的一种具体实施方式，由输入文丘里管11和输出文丘里管12连接而成，输入文丘里管的直径比大于输出文丘里管的直径比，输入文丘里管的扩散角大于输出文丘里管的扩散角。由于前端文丘里直径比大，根据GB/T2624.4-2006当文丘里管直径比为较大时，扩散角对压力损失影响不明显。较大的扩散角能缩短测量装置的长度，能减小成本，给安装提供方便。对于直径比较小的输出文丘里管，扩散角对压力损失影响明显，采用较小的扩散角能较小压力损失。根据使用经验最终优化为前面扩散角为15度，后面扩散角为12度。

本发明根据实验室的试验测试结果并结合GB/T2624.4-2006规定，文丘里管前端连接段的长度越长，前端对文丘里测量影响越小。在输入文丘里管和输出文丘里管的连接处直径相等，相互连接的连接段长度至少为5倍连接段直径。

基于上述双文丘里管，本发明公开一种湿蒸汽流量干度一体化测量装置，包括上述双文丘里管1；

所述输入文丘里管和输出文丘里管都连接有用于测量其喉部压差的压差测量装置，还包括用于测量其管道压力的压力测量装置。压力测量装置可以安装在输入文丘里管、连接段或输出文丘里管上。

被测的湿蒸汽流经双文丘里管时，流速将在输入文丘里管和输出文丘里管喉部形成局部的收缩，因而流速增加，静压降低，于是在文丘里管喉部前后便产生了差压，在湿蒸汽中液相离散于汽相中，流动过程中相对速度的差异，导致了相间能量损失，最终反映于文丘里管喉部前后的差压上，引起了测量值的虚高。而串联的文丘里管结构对虚高有着规律性的影响，不同的文丘里管有着不同的虚高方程。

本发明所述湿蒸汽流量干度一体化测量装置由两个喉部直径比不同的文丘里管作为一次测量元件，压差测量装置和压力测量装置测量两个文丘里管的喉部压差和输入文丘里管的管道压力，通过计算，可以得到待测湿蒸汽流量和湿蒸汽干度。压差测量装置分别安装在输入文丘里管喉部14的输入文丘里管压差测量区16和输出文丘里管喉部15的输出文丘里管压差测量区17。

上述压差测量装置的一种具体实施方式为从文丘里管喉部引出管道对蒸汽取样，管道上安装有冷凝装置，例如冷凝罐。蒸汽通过冷凝后，再送入与冷凝装置管道连接的压差变送器进行测量。与输入文丘里管连接的所述压力测量装置优选为压力变送器，对输入文丘里管的压力进行测量。压力变送器是一种接受压力变量、经传感转换后,将压力变化量按一定比例转换为标准输出信号的仪表。压差变送器用于测量液体、气体和蒸汽的液位、密度和压力，然后将其转变成电流或电压信号输出。

获得两个文丘里管在不同湿蒸汽工况下的虚高特性数据后，根据实验数据建立数据模拟方法，再通过数值模拟方法获得不同压力、流量和干度下的虚高特性数据，获得两个文丘里管的虚高方程。

根据J.W.Murdock公式，结合对文丘里管的单相流量计算公式，输入文丘里的虚高方程为：

（1）

输出文丘里管的虚高方程为：

（2）

其中：

（3）

各个参数的物理含义为：

—测量的虚高汽相流量，单位kg/s；

—Lockhart-Martinelli参数，X<0.3时，两相流定义为湿汽；

，—两个文丘里管虚高方程系数；

，—两个文丘里管的截流系数；

，—两个文丘里管的喉部截面面积，单位为m²；

，—湿蒸汽流经两个文丘里管时产生的喉部压差，单位为帕斯卡；

、—等量液、汽相单独流过文丘里管的差压，单位为帕斯卡；

、—液、汽相的质量流量，单位为kg/s；

、—液、汽相的密度，单位为kg/m³；

—干度。

各个参数下标中的1代表输入文丘里管的对应参数，2代表输出文丘里管的对应参数

那么干蒸汽的质量流量可以表示为：

（4）

通过变换方程（4），可以得出Lockhart-Martinelli参数X：

（5）

把方程（5）代入方程（2），可以得出干蒸汽的质量流量：

（6）

根据方程（3），结合方程（5）和方程(6)，可以得出湿蒸汽中的水的质量流量：

（7）

结合方程（6）和方程(7)，可以得出湿蒸汽的总流量和干度：

（8）

（9）

上述（8）-（9）式联立构成方程组①，通过两个压差测量装置可以测量出输入文丘里管的喉部压差和输出文丘里管的喉部压差；通过压力测量装置可测量出管道内压力P。通过IAPWS-IF97标准，饱和水的汽相和液相密度和压力都是单值函数，因此通过压力P能计算出蒸汽的密度和饱和水的密度，两个文丘里管喉部的面积在设计时通过内径测量仪可以测出；

文丘里管的截流系数：

（10）

不同类型的文丘里管具有不同的流出系数C，其中，根据GB/T2624.4-2006规定，对于机械加工收缩段的经典文丘里管，流出系数C=0.995，可膨胀系数，β为直径比。可膨胀系数计算式为：

（11）

式中：为等熵指数，通过IAPWS-IF97标准可以计算出来。为压力比，计算式为：

（12）

根据上面的说明结合方程（13），可以计算出两个文丘里的虚高流量和。

（13）

各式中的和，通过实验数据和数值模拟能够得出。一种具体测量方式为：

将一定量单相水通过加热生成蒸汽，蒸汽通入输入文丘里管，测量单相水的流量

，双文丘里管入口或出口处的干度x。

测量输入文丘里管和输出文丘里管的喉部压差、及双文丘里管的管道压力P；根据管道压力P得出双文丘里管内蒸汽的密度和饱和水的密度；根据方程（10）-（12）及测量得出的、、P及文丘里管相关参数计算出文丘里管的截留系数；

并根据计算出输入文丘里管和输出文丘里管的虚高汽相流量和；其中为文丘里管的喉部截面面积。

利用方程组①

求解得出输入文丘里管和输出文丘里管的虚高方程系数和。

上述计算过程可以预先编写软件存储在前述的数据处理模块中，测量时调用软件程序完成运算即可。

本发明所述双文丘里管由串联且端口直径相同、但喉部直径比不同的输入文丘里管和输出文丘里管组成。采用直径比不同的双文丘里管串联用于测量湿蒸汽干度和流量，流过双文丘里管的蒸汽流量、压力和干度理论上处处相等，使得一次可以测量出两个不同的文丘里管喉部压差，构建两个不同的虚高特性方程，便于联合求解得出湿蒸汽干度和流量。

前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.双文丘里管，其特征在于，所述双文丘里管(1)由串联且端口直径相同、但喉部直径比不同的输入文丘里管(11)和输出文丘里管(13)及连接输入文丘里管和输出文丘里管的连接段组成。

2.如权利要求1所述双文丘里管，其特征在于：所述输入文丘里管(11)的直径比大于输出文丘里管(13)的直径比，且输入文丘里管的扩散角大于输出文丘里管的扩散角。

3.如权利要求2所述双文丘里管，其特征在于：所述输入文丘里管的直径比为0.7，输出文丘里管的直径比为0.4。

4.如权利要求2或3所述双文丘里管，其特征在于：所述输入文丘里管的扩散角为15度，输出文丘里管的扩散角为12度。

5.如权利要求2所述双文丘里管，其特征在于：所述输入文丘里管和输出文丘里管的连接段(12)长度至少为端口直径5倍。