CN105572168A - 热式蒸汽干度仪 - Google Patents

Abstract

一种热式蒸汽干度仪，电加热器位于蒸汽加热室内，该蒸汽加热室的一端与蒸汽流出管连通。蒸汽流出管的另一端接入湿蒸汽主管。电加热器的电源火线和电源地线分别穿过蒸汽加热室的端盖并与功率控制器的火线端子和地线端子连接。电功率表与电源火线和电源地线连接。在蒸汽流出管有端盖一端的壳体上有与湿蒸汽主管连通的采样管。干度处理器对电功率表、第一压力表、体积流量表、温度表、第二压力表进行实时监测，对功率控制器进行实时监测与调控。本发明能够测量从30％至99％之间的蒸汽干度，蒸汽干度的最大测量误差小于2％，并且适用于室内外各种场合，还具有体积小、密闭性好，以及节能性佳的特点。

Description

热式蒸汽干度仪

技术领域

本发明涉及的是湿蒸汽流量测量领域，是一种热式蒸汽干度仪。

背景技术

湿蒸汽是气液两相流的混合物，其中包含纯气态的干饱和蒸汽和液态的饱和水，湿蒸汽质量为干饱和蒸汽质量与饱和水质量之和。蒸汽干度简称为干度，是湿蒸汽的重要品质参数，蒸汽干度定义为干饱和蒸汽质量与湿蒸汽质量之比。在热能动力、化工、医药、食品加工、纺织、印染、卷烟、城市供热等领域中，都涉及到湿蒸汽。为了有效地实施工艺监控和节能，需要测量湿蒸汽的干度和流量。

公布号为CN101082597.A的发明专利“一种凝结式蒸汽干度测量装置及测量方法”，公开了一种冷却式测量蒸汽干度的装置和方法，这种方法在于分别将待测干度的采样湿蒸汽和冷却水引入到绝热的间壁式换热器中，在间壁式换热器中冷却水将采样湿蒸汽冷却为液态的凝结水，再通过测量采样湿蒸汽的压力、凝结水的流量和温度、冷却水经过换热器的吸热量，由换热器的能量平衡方程得出采样湿蒸汽的干度。虽然公布号为CN101082597.A的发明专利，提供了一种采用冷却的方法来测量蒸汽干度的装置，然而该测量装置存在着如下三项技术缺陷，第一，工程应用性受限，因为测量蒸汽干度的很多场合往往在室外，而且当地没有可供利用的冷却水；第二，测量精度在工程上难于保证，因为该测量装置中需用电子天平测量凝结水的重量来保证测量精度，而电子天平难于作为配件，做成工程上实用、密闭、坚固和可靠的测量装置；第三，能量损失大，这是因为，该测量装置的采样湿蒸汽难于返回湿蒸汽主管道，只好排放到湿蒸汽主管的外部，这样造成了采样湿蒸汽的能量浪费，另外，采样湿蒸汽在换热器中所释放的热量，难于回收利用，这又造成湿蒸汽的能量损失。

由于现有技术存在着上述三项技术缺陷，还不能达到工程上对可靠性与实用性技术要求，为解决现有技术存在的技术缺陷问题，本发明提出一种热式蒸汽干度仪。

发明内容

为克服现有技术中存在的工程应用性受限、测量精度在工程上难于保证，以及能量损失大的不足，本发明提出了一种热式蒸汽干度仪。

本发明包括干度处理器、功率控制器、电功率表、采样管、蒸汽加热室、电加热器、体积流量表、温度表、第二压力表、第二调节阀和蒸汽流出管。其中；所述电加热器位于蒸汽加热室内；所述蒸汽加热室的一端为封闭端管，该蒸汽加热室另一端的锥形管与蒸汽流出管连通；所述蒸汽流出管的另一端接入湿蒸汽主管；在所述蒸汽流出管上依次串接有体积流量表、温度表、第二压力表和第二调节阀。电加热器的电源火线和电源地线分别穿过所述蒸汽加热室的端盖并与功率控制器的火线端子和地线端子连接。电功率表与电源火线和电源地线连接。在所述蒸汽流出管有端盖一端的壳体上有与湿蒸汽主管连通的采样管，在该采样管上依次安装有第一调节阀和第一压力表。干度处理器对电功率表、第一压力表、体积流量表、温度表、第二压力表进行实时监测，对功率控制器进行实时监测与调控。

所述干度处理器包括显示器、CPU处理器、通信采集卡、AD转换器、以及内置有干度测算模型与加热功率测控模型。CPU处理器分别与显示器和AD转换器采取数字信号通信连接，AD转换器与通信采集卡之间通信连接，通信采集卡分别采集功率控制器、电功率表、第一压力表、体积流量表、温度表和第二压力表所测的参数、并通过AD转换器将其模拟信号转换为数字信号。

所述干度处理器由第一压力表所测的压力P₆、体积流量表所测的体积流量G_V、温度表所测的温度T₁₃、第二压力表所测的压力P₁₄、电功率表所测的电功率W，以及内置的干度测算模型，即蒸汽加热室的能量平衡方程

G_V×ρ₁₃×(h₁₃-h₆)＝W

以及公知的过热蒸汽密度ρ与温度T、压力P之间的函数关系，过热蒸汽比焓h与温度T、压力P之间的函数关系，湿蒸汽比焓h与压力P、干度X之间的函数关系关系：

ρ₁₃＝ρ₁₃(T₁₃,P₁₄)，h₁₃＝h₁₃(T₁₃,P₁₄)，h₆＝h₆(P₆,X₆)

联立求解出采样管4内采样湿蒸汽的干度X₆，并显示。

所述干度处理器根据第二压力表所测的压力P₁₄，以及内置的干度测算模型与加热功率测控模型，由公知的蒸汽压力与所对应的饱和蒸汽温度之间的函数关系T_S＝T_S(P₁₄)，得出饱和温度T_S，再通过对功率控制器的供电功率的设定调节，使温度表所测的温度T₁₃处于T_S+1≤T₁₃≤T_S+5，此时，干度处理器由蒸汽加热室的能量平衡方程，即由

W_S＝G_V×ρ₁₃×(h₁₃-h₆)

得出电加热器的供电功率W_S，干度处理器将功率控制器的供电功率控制值调节为W_S。

所述蒸汽加热室封闭端的圆周上套装有圆环法兰；蒸汽加热室端板固定在所述圆环法兰上；在所述蒸汽加热室端板上有电加热器的电源火线和电源地线的过孔。

所述的电加热器包括电加热管和翅片，电加热管的端头焊接在蒸汽加热室端板中部的通孔上，并在蒸汽加热室端板的外侧设置有电加热管的电源接线柱；翅片固定分布在电加热管的外壁面上。

本发明从待测干度的湿蒸汽主管中，用采样管连续采集微小流量的采样湿蒸汽，例如微小流量为2-5kg/h,将采样湿蒸汽导入到与外部环境绝热的蒸汽加热室中，采样湿蒸汽流经蒸汽加热室时被电加热器加热，从湿蒸汽状态被加热至微过热状态的过热蒸汽，例如微过热状态的过热温度为1-5℃，采用微过热状态是为了节电即减小电加热器的耗电量。通过测量采样湿蒸汽的压力、测量经电加热后的过热蒸汽的体积流量、温度和压力，测量电加热器所耗的电能，由干度测算模型以及公知的蒸汽热物性函数，计算得出采样湿蒸汽的干度。为确定和显示采样湿蒸汽的干度、以及实现电加热器将蒸汽加热室内的湿蒸汽加热到微过热状态的过热蒸汽，设置干度处理器来采集各测量信号、由内置于干度处理器内的热式蒸汽干度仪的数学模型，实施对电加热器的供电功率控制，以及确定和显示采样湿蒸汽的干度。

本发明中，由采样管连续采集待测干度的微小流量采样湿蒸汽，采样湿蒸汽经采样管进入与外部环境绝热的蒸汽加热室，并在蒸汽加热室内被电加热器加热，从湿蒸汽状态被加热至微过热状态的过热蒸汽；干度处理器内置有干度测算模型与加热功率测控模型，它通过采集测量采样湿蒸汽的压力、测量经电加热后的过热蒸汽的体积流量、温度和压力，采集测量电加热器所耗的电功率，由干度测算模型确定采样湿蒸汽的干度，并通过功率控制器来控制电加热器的供电功率，使采样湿蒸汽流经蒸汽加热室后被电加热器加热为微过热状态的过热蒸汽。

与现有技术相比，本发明具有突出的实质性特点和显著进步，表现为如下六项：

第一，提供了一种采用加热式测量蒸汽干度的新方法和热式蒸汽干度仪；第二，本发明的测量量程宽，能够测量从30％至99％之间的蒸汽干度；第三，本发明的测量精度高，蒸汽干度的最大测量误差小于2％；第四，本发明的工程适用性强，适用室内、室外各种场合；第五，本发明体积小、密闭性好；第六、本发明的节能性佳，表现为采样湿蒸汽为微小流量、采样湿蒸汽被电加热器加热至微过热状态的过热蒸汽、采样湿蒸汽还最后返回到待测干度的湿蒸汽主管道内。

附图说明

图1是热式蒸汽干度仪的结构示意图，

图2是热式蒸汽干度仪的安装结构示意图，其中：

1.干度处理器；2.功率控制器；3.电功率表；4.采样管；5.第一调节阀；6.第一压力表；7.采样管接口；8.蒸汽加热室；9.翅片；10.电加热管；11.喇叭管；12.体积流量表；13.温度表；14.第二压力表；15.第二调节阀；16.蒸汽流出管；17.圆管；18.圆环状法兰；19.圆板法兰；20.电源火线；21.电源地线；22.电加热器；23.湿蒸汽主管；24.主管采样口；25.主管回流口。

具体实施方式

现结合附图1和附图2对本发明作进一步描述。

本实施例包括干度处理器1、功率控制器2、电功率表3、采样管4、第一调节阀5、第一压力表6、采样管接口7、蒸汽加热室8、电加热器22、喇叭管11、体积流量表12、温度表13、第二压力表14、第二调节阀15、蒸汽流出管16、圆管17、圆环状法兰18、圆板法兰19、电源火线20和电源地线21。其中；

所述蒸汽加热室8由一段圆管连接着一段锥形管组成。所述蒸汽加热室8一端端头处的壳体圆周表面套装有圆环状法兰18，该端的端面有圆板法兰19；所述圆板法兰19的内端面焊接在所述圆环状法兰18的外端面上。所述蒸汽加热室8的另一端锥顶与蒸汽流出管16连通；所述蒸汽流出管16的另一端在湿蒸汽主管上的主管回流口25处接入该湿蒸汽主管；在所述蒸汽流出管16上依次串接有体积流量表12、温度表13、第二压力表14和第二调节阀15。

在所述蒸汽加热室8安装有圆环状法兰18一端的壳体上有与采样管4连通的孔口，所述采样管4的另一端与湿蒸汽主管1连通。在所述采样管上依次串接有第一调节阀5和第一压力表6。

所述电加热器22安装在所述蒸汽加热室8内。该电加热器22的电源火线20和电源地线21分别穿过圆板法兰19上的过孔，并与功率控制器21的火线端子和地线端子连接。电功率表3与电源火线20和电源地线21连接。

本实施例中，所述的蒸汽加热室8中壳体为不锈钢圆管，其外径为50mm并与不锈钢的圆环状法兰18的内径相同，圆环状法兰18的外径为60mm，壳体的前端与圆环状法兰18的内环壁面焊接。不锈钢的圆板法兰19为圆形板状且中部有通孔，圆环状法兰18为圆环板状法兰，圆板法兰19与圆环状法兰18的外径相同，圆板法兰19与圆环状法兰18通过螺栓连接；在圆管17左端侧壁面上开有采样管接口7，采样管接口7的口径与采样管4的外径相同。

工作时，由管径为10mm的采样管4连续采集待测干度的5kg/h采样湿蒸汽，采样湿蒸汽经采样管4进入与外部环境绝热的蒸汽加热室8，并在蒸汽加热室8内被电加热器22加热，从湿蒸汽状态被加热至微热蒸汽状态；通过测量采样湿蒸汽的压力、测量经电加热后的过热蒸汽的体积流量、温度和压力，测量电加热器22所耗的电功率，由干度测算模型确定采样湿蒸汽的干度；

为确定和显示采样湿蒸汽的干度、以及实施对电加热器22的供电功率控制，干度处理器1通过采集各测量信号、由内置于干度处理器1内的干度测算模型与加热功率测控模型，确定和显示采样湿蒸汽的干度，并通过功率控制器2来控制电加热器22的供电功率，使采样湿蒸汽流经蒸汽加热室8后被电加热器22加热为微过热状态的过热蒸汽。

本实施例的电加热器22包括电加热管10和翅片9，电加热管10的端头焊接在圆板法兰19中部的通孔上，并在圆板法兰19的外侧设置有电加热管10的电源接线柱；翅片9固定分布在电加热管10的外壁面上、以增大电加热管10与蒸汽的传热面积。

本实施例的采样管4为不锈钢管，用于导入湿蒸汽主管23的采样湿蒸汽。采样管4的入口端与湿蒸汽主管23焊接，采样管4的入口端头伸进主蒸汽管道23内，采样管4的出口端与采样管接口7焊接，采样管4的出口端头伸进圆管17内，但不与翅片9以及电加热管10接触。在采样管4上安装有第一调节阀5和第一压力表6，第一调节阀5用来调节采样管4内的采样湿蒸汽流量，第一压力表6用来测量采样管4内的蒸汽压力。

本实施例的蒸汽流出管16为管径10mm的不锈钢管，用于输送流经蒸汽加热室8的蒸汽。蒸汽流出管16的入口端与喇叭管11的小口径端焊接，蒸汽流出管16的出口端与主蒸汽管道23上的回流口25焊接。在蒸汽流出管16上安装有体积流量表12、温度表13、第二压力表14和第二调节阀15，体积流量表12、温度表13和第二压力表14分别用来测量蒸汽流出管16内蒸汽的体积流量、温度和压力，第二调节阀15一方面用来配合第一调节阀5对采样管4内的采样湿蒸汽流量进行调节，另一方面用来降低蒸汽流出管16内的蒸汽压力。

本实施例通过电源火线20和电源地线21向电加热器22输送电能。这两条导线的一端与外部电源相连，另一端与圆板法兰19上的电加热器22的电源接线柱相连；在电源火线20和电源地线21上接有功率控制器2和电功率表3。所述的功率控制器2和电功率表3上均有火线端子和地线端子，分别用于与电源火线20和电源地线21相连接；功率控制器2作为供电功率控制的伺服器，电功率表3用来测量电加热器22的供电功率。

本实施例的干度处理器1包括显示器、CPU处理器、通信采集卡、AD转换器、以及内置有干度测算模型与加热功率测控模型。CPU处理器分别与显示器和AD转换器采取数字信号通信连接，AD转换器与通信采集卡之间通信连接，通信采集卡与分别与功率控制器2、电功率表3、第一压力表6、体积流量表12、温度表13、第二压力表14通信连接并采集它们所测的参数、并通过AD转换器将其模拟信号转换为数字信号。干度处理器对电功率表3、第一压力表6、体积流量表12、温度表13、第二压力表14进行实时监测，对功率控制器2进行实时监测与调控。

本实施例的干度处理器1由第一压力表6所测的压力P₆、体积流量表12所测的体积流量G_V、温度表13所测的温度T₁₃、第二压力表14所测的压力P₁₄、电功率表3所测的电功率W，以及内置的干度测算模型，即蒸汽加热室的能量平衡方程

G_V×ρ₁₃×(h₁₃-h₆)＝W

以及公知的过热蒸汽密度ρ与温度T、压力P之间的函数关系，过热蒸汽比焓h与温度T、压力P之间的函数关系，湿蒸汽比焓h与压力P、干度X之间的函数关系关系，即

ρ₁₃＝ρ₁₃(T₁₃,P₁₄)，h₁₃＝h₁₃(T₁₃,P₁₄)，h₆＝h₆(P₆,X₆)

联立求解出采样管4内采样湿蒸汽的干度X₆，并显示。

本实施例的干度处理器1，为了减小电加热器22的加热功率从而节电，通过功率控制器2来调控电加热器22的供电功率，使采样湿蒸汽流经蒸汽加热室后被电加热器22加热为微过热状态的过热蒸汽。干度处理器1根据第二压力表所测的压力P₁₄，以及内置的干度测算模型与加热功率测控模型，即由公知的蒸汽压力与所对应的饱和蒸汽温度之间的函数关系T_S＝T_S(P₁₄)，得出饱和温度T_S，然后，再通过对功率控制器2的供电功率的设定调节，使温度表13所测的温度T₁₃处于T_S+1≤T₁₃≤T_S+5，此时，干度处理器1由蒸汽加热室的能量平衡方程，即由

W_S＝G_V×ρ₁₃×(h₁₃-h₆)

得出电加热器22的供电功率W_S；干度处理器将功率控制器的供电功率控制值调节为W_S。

本实施例的采样管4、圆管17、喇叭管11、蒸汽流出管16、圆环状法兰18和圆板法兰19，均为不锈钢材料制成，在其外壁面上均敷设有保温材料，阻止蒸汽与外部环境的散热，使蒸汽加热室8与外部环境绝热。

在测量湿蒸汽主管道内待测的蒸汽干度时，本实施例是这样安装的：

将采样管4的入口端与湿蒸汽主管23焊接，将蒸汽流出管16的出口端与主蒸汽管道23上的主管回流口25焊接。

Claims (6)

1.一种热式蒸汽干度仪，其特征在于，包括干度处理器、功率控制器、电功率表、采样管、蒸汽加热室、电加热器、体积流量表、温度表、第二压力表、第二调节阀和蒸汽流出管；其中；所述电加热器位于蒸汽加热室内；所述蒸汽加热室的一端为封闭端管，该蒸汽加热室另一端的锥形管与蒸汽流出管连通；所述蒸汽流出管的另一端接入湿蒸汽主管；在所述蒸汽流出管上依次串接有体积流量表、温度表、第二压力表和第二调节阀；电加热器的电源火线和电源地线分别穿过所述蒸汽加热室的端盖并与功率控制器的火线端子和地线端子连接；电功率表与电源火线和电源地线连接；在所述蒸汽流出管有端盖一端的壳体上有与湿蒸汽主管连通的采样管，在该采样管上依次安装有第一调节阀和第一压力表；干度处理器对电功率表、第一压力表、体积流量表、温度表、第二压力表进行实时监测，对功率控制器进行实时监测与调控。

2.如权利要求1所述一种热式蒸汽干度仪，其特征在于，干度处理器包括显示器、CPU处理器、通信采集卡、AD转换器、以及内置有干度测算模型与加热功率测控模型；CPU处理器分别与显示器和AD转换器采取数字信号通信连接，AD转换器与通信采集卡之间通信连接，通信采集卡分别采集功率控制器、电功率表、第一压力表、体积流量表、温度表和第二压力表所测的参数、并通过AD转换器将其模拟信号转换为数字信号。

3.如权利要求1所述一种热式蒸汽干度仪，其特征在于，所述干度处理器由第一压力表所测的压力P₆、体积流量表所测的体积流量G_V、温度表所测的温度T₁₃、第二压力表所测的压力P₁₄、电功率表所测的电功率W，以及内置的干度测算模型，即蒸汽加热室的能量平衡方程

G_V×ρ₁₃×(h₁₃-h₆)＝W

以及公知的过热蒸汽密度ρ与温度T、压力P之间的函数关系，过热蒸汽比焓h与温度T、压力P之间的函数关系，湿蒸汽比焓h与压力P、干度X之间的函数关系关系，即

ρ₁₃＝ρ₁₃(T₁₃,P₁₄)，h₁₃＝h₁₃(T₁₃,P₁₄)，h₆＝h₆(P₆,X₆)

联立求解出采样管4内采样湿蒸汽的干度X₆。

4.如权利要求1所述一种热式蒸汽干度仪，其特征在于，所述干度处理器根据第二压力表所测的压力P₁₄，以及内置的干度测算模型与加热功率测控模型，由公知的蒸汽压力与所对应的饱和蒸汽温度之间的函数关系T_S＝T_S(P₁₄)，得出饱和温度T_S，再通过对功率控制器的供电功率的设定调节，使温度表所测的温度T₁₃处于T_S+1≤T₁₃≤T_S+5，此时，干度处理器由蒸汽加热室的能量平衡方程，即由

W_S＝G_V×ρ₁₃×(h₁₃-h₆)

得出电加热器的供电功率W_S，干度处理器将功率控制器的供电功率控制值调节为W_S。

5.如权利要求1所述一种热式蒸汽干度仪，其特征在于，所述蒸汽加热室封闭端的圆周上套装有圆环法兰；蒸汽加热室端板固定在所述圆环法兰上；在所述蒸汽加热室端板上有电加热器的电源火线和电源地线的过孔。

6.如权利要求1所述一种热式蒸汽干度仪，其特征在于，所述的电加热器包括电加热管和翅片，电加热管的端头焊接在蒸汽加热室端板中部的通孔上，并在蒸汽加热室端板的外侧设置有电加热管的电源接线柱；翅片固定分布在电加热管的外壁面上。