CN105588855A - 一种蒸汽干度流量测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蒸汽干度流量测量装置和方法，包括主管路、温度传感器一、流量计、均相器、采样器、阻力元件、回流管路、流量调节阀、采样流量测量模块、温度传感器二、绝热垫片一、加热模块、绝热垫片二、温度传感器三、功率调节模块、PLC、保温层；通过测量得到流量、功率和温度计算得到待测蒸汽的干度。本发明的优点在于其精度高、响应速度快、方便使用、可靠性高、价格低廉。

Description

一种蒸汽干度流量测量装置及方法

技术领域

本发明属于气体测量领域，特别是涉及一种蒸汽干度流量测量装置及方法。

背景技术

蒸汽由于具有生产运输方便、焓值高、无毒无害等特殊的物理化学性质，已经被当成一种重要的二次能源，广泛应用于能源、冶金、化工、制药和食品加工等领域，为生产生活提供热能与动力。研究和生产实际显示，蒸汽的品质，也就是蒸汽的各项参数，如温度、压力、干度和流量等，对蒸汽的生产和使用有着重要影响。蒸汽在运输过程中主要是以两相流湿蒸汽的形式存在。而两相流湿蒸汽状态参数的测量，尤其是流量和干度的测量是一个国际性的难题。

目前，湿蒸汽的干度测量方法有化验方法、非热力学方法、热力学方法等，化验方法和非热力学方法在工程应用中存在较大的局限性和不足，测量装置造价较高，使用场所容易受限制，测量精度和使用寿命都不理想。现有技术中以加热方法测量蒸汽干度流量的仪表普遍存在精度差、响应速度慢、使用条件苛刻、可靠性差、价格昂贵等缺点，缺乏实用价值。

发明内容

本发明的设计了一款精度高、响应速度快、方便使用、可靠性高、价格低廉的管道湿蒸汽干度流量测量装置，能够在线连续测量任意管道内湿蒸汽的干度流量，解决了工业上的测量需求，并提出了一种方便精确的测量方法。

本发明的具体发明内容：一种蒸汽干度流量测量装置，包括主管路、温度传感器一、流量计、均相器、采样器、阻力元件、回流管路、流量调节阀、采样流量测量模块、温度传感器二、绝热垫片一、加热模块、绝热垫片二、温度传感器三、功率调节模块、PLC、保温层；

所述主管路内沿蒸汽进入方向依次设置有温度传感器一、流量计、均相器、采样器、阻力元件；

所述回流管路设置在阻力元件之后，与主管路轴向垂直连接；所述回流管路近主管路端设置有流量调节阀；

所述采样器出口端依次设置有温度传感器三、绝热垫片二，出口端与加热模块连接；

所述采样流量测量模块一端与加热模块的连接，另一端与回流管路连接；

所述加热模块与采样流量测量模块之间设置有绝热垫片一、温度传感器二。

进一步地，所述温度传感器一、温度传感器二和温度传感器三为热电偶或热电阻。

进一步地，所述流量计为靶式流量计或涡街流量计。

进一步地，所述采样器插入主管路的部分设置取样孔。

进一步地，所述阻力元件为挡片或孔板结构或节流阀。

进一步地，所述PLC用于控制功率调节模块来调节并稳定电加热器的实际加热功率。

进一步地，所述加热模块为蛇形管状，内设置保护套筒、电加热器。

进一步地，所述加热模块为圆筒状，内设有保护套筒、电加热器。

进一步地，所述保护套筒的一端封口并固定连接于加热模块的一端面上。

进一步地，所述电加热器设置在保护套筒内。

进一步地，所述加热模块为圆管状；所述电加热器采用电磁加热线圈，缠绕在加热模块表面；电磁加热线圈和加热模块之间设置有绝热层。

采用上述蒸汽干度测量装置测量蒸汽干度的方法，包括以下步骤：

1）湿蒸汽流入主管路，经过温度传感器一，测得主管路中湿蒸汽的饱和温度t₁，由水的热力性质得到对应的饱和压力P₁；利用t₁和P₁对安装在主管路1上的靶式流量计3测得的体积流量进行温压修正，得到主管路1中气相组分的质量流量q₁；

2）蒸汽经过均相器4雾化均相后，进入采样器5，将采样蒸汽送入加热模块12加热成过热蒸汽，经温度传感器二测量得到过热蒸汽的温度t₂，经温度传感器三14测量得到采样湿蒸汽的温度t₃，由水的热力性质得到对应的饱和压力P₃，忽略加热模块12的压力损失，则过热蒸汽的压力P₂与采样湿蒸汽的压力P₃相等；

3）利用过热蒸汽的温度t₂和压力P₂对采样流量测量模块9中的流量计测得的过热蒸汽的体积流量进行温压修正，得到采样湿蒸汽的质量流量q₂；

4）由以下公式可以计算出待测管道内湿蒸汽的干度：

式中：

x为待测管道内湿蒸汽的干度；

h为温度t₂和压力P₂对应下过热蒸汽的比焓；

h’为温度t₃对应下饱和水的比焓；

h”为温度t₃对应下饱和蒸汽的比焓；

P为电加热器的总加热功率；

q₂为采样湿蒸汽的质量流量；

由以下公式可以计算出待测管道内湿蒸汽的质量流量：

式中：

q为待测管道内湿蒸汽的质量流量；

x为待测管道内湿蒸汽的干度；

q₁为待测管道内湿蒸汽气相组分的质量流量。

进一步地，通过调整阻力元件的阻尼和流量调节阀的开度控制采样流量的大小。

进一步地，所述PLC用于收集上述方法中的测量数据并完成计算和控制。

进一步地，经采样流量测量模块测量后的蒸汽经回流管路流回主管路。

本发明的有益效果：本发明的测量装置采用热力学原理，原理可靠，测量方法简单实用，精度高、响应速度快，可以在任意管道上使用，并且不向周围环境排放蒸汽，具有很强的实用价值。

附图说明

图1为本发明的一种管道湿蒸汽干度流量测量装置示意图；

图2为本发明的均相器的示意图；

图3为本发明的采样器的示意图；

图4为本发明的一种阻力元件的示意图；

图5为本发明的一种加热模块的示意图；

图6为本发明的另一种加热模块的示意图；

图7为本发明的另一种加热模块的示意图。

图中：1、主管路，2、温度传感器一，3、流量计，4、均相器，5、采样器，6、阻力元件，7、回流管路，8、流量调节阀，9、采样流量测量模块，10、温度传感器二，11、绝热垫片一，12、加热模块，13、绝热垫片二，14、温度传感器三，15、电加热器，16、功率调节模块，17、PLC，18、保温层，19、均相孔，20、采样孔，21、支撑，22、保护套筒，23、电加热管，24、电磁加热线圈，25、绝热层。

具体实施方式

为使对本发明的测量装置和测量方法的特征和所达成的功效有进一步的了解和认识，用以较佳的实施例和附图配合详细说明，说明如下：

实施例一

在一内径为50mm，工作压力为10～16MPa，流量为在3～10t/h，干度低于85%的主管路1内沿湿蒸汽流动方向依次安装有温度传感器一2，流量计3，均相器4，采样器5，阻力元件6和回流管路7。

温度传感器一2需要沿主管路1的径向插入到主管路1的中央，并固定安装。温度传感器一2可以采用Pt100铠装热电阻，也可采用精度相当的热电偶。

流量计3采用的是与主管路1直径大小一致的靶式流量计，与通过法兰或者螺纹或者卡箍等连接方式安装在主管路1上。

均相器4为渐缩管型的喷管，入口端的直径为50mm，出口端的直径为40mm，厚度为3mm，长度为150mm。均相器4与主管路1处在同一轴线上，通过焊接或法兰或螺纹或卡箍等连接方式安装在主管路1上；均相器4出口端被一直径为40mm，厚度为3mm的圆饼封口，其上开有25个直径为4mm的均相孔19，如图2所示。湿蒸汽流过均相器4流速会加快形成环状流，通过均相孔19雾化均相后喷出。增加均相器4的长度可以形成更均匀的环状流，但是会增加整个装置的长度；一般控制长度与入口端直径的比值在3:1到10:1之间。减小均相孔19的直径并增加数量可以得到更好的雾化均相效果，但是会增加整个均相器4的流动阻力和加工难度；一般选用直径小于等于5mm的均相孔19，并控制所有均相孔19的面积之和与主管路1流通截面积的比值在1:1.5到1:5之间。

采样器5为圆管状，一端封口，长15mm，采样器5封口端从主管路1的侧面沿主管路1径向插入主管路1，插入深度为封口端触碰到主管路1管壁，采用焊接或法兰或卡箍或螺纹等连接方式与主管路1相连；采样器5插入主管路部分的侧面开有取样孔20；取样孔20的直径为1mm，在采样器5的侧面呈圆环状均匀分布，每个圆环8个取样孔，圆环均布在采样器5插入部分上，一共三个圆环，如图3所示。经过均相器4雾化均相后的湿蒸汽从取样孔20进入采样器5。采样器5的内径，取样孔20的直径与采样流量的大小有关，一般采样器5的内径小于等于25mm，取样孔20的直径小于等于3mm。

均相器4的出口端和采样器5轴线的距离为50mm。这一距离不宜过大，过大会导致均相后的湿蒸汽又重新恢复成均相前的状态，一般控制该距离小于等于20倍的主管路1的内径。

阻力元件6为一个直径20mm，厚3mm的圆片，通过四个支撑21，用焊接的方式固定在主管路1的正中央，如图4所示；阻力元件6的直径越大，主管路1的阻力损失越大，对应采样器5采集到的流量也越大。

回流管路7为内径与采样器5一致的圆管，通过焊接或法兰或卡箍或螺纹等方式固定在主管路1，主管路1在对应的位置有开孔。

采样器5，加热模块12，采样流量测量模块9，回流管路7按顺序采用螺纹或焊接或卡箍或法兰等方式首尾相连；加热模块12和采样流量测量模块9的连接处装有绝热垫片一11，采样器5和加热模块12的连接处装有绝热垫片二13；温度传感器二10安装在采样流量测量模块9的入口处，温度传感器三14安装在采样器5出口处；流量调节阀8安装在回流管路7上。

绝热垫片一11和绝热垫片二13可以选用石棉等导热系数低的材料；温度传感器二10和温度传感器三14可以采用Pt100铠装热电阻，也可采用精度相当的热电偶。流量调节阀8选用针型阀。采样流量测量模块9可以选用管径与采样器5一致的靶式流量计、涡街流量计、孔板流量计或层流流量计。

如图5所示，加热模块12为一个内径为120mm，长为250mm的圆筒，内部装有扰流片；加热模块12的侧面有圆管状入口，内径与采样器5一致；加热模块12一端面为出口，出口经过缩径后内径与采样器5一致；保护套筒22呈圆管型，内径为6mm，厚度为2mm,长为200mm，一端有封口，封口端插入加热模块12内，并通过焊接或法兰或螺纹或卡箍等连接方式固定在加热模块12的另一端面上；保护套筒22的排列方式如图5所示，一共20个。

电加热器15采用电加热管23，通过过盈配合或螺纹或胶粘或烧结等方式安装在保护套筒22内。这一安装方式可以避免电加热管23直接接触高压蒸汽，有利于管路密封设计，也有利于保护电加热管23。电加热管23采用单端电热管，外径为6mm，长为200mm，单根额定功率为100kW，额定电压为220V，通过过盈配合安装在保护套筒22内，一共20根电加热管23，总额定功率为2kW。也可以选用单根额定功率更大的电加热管23，在保证总功率不变的前提下电加热管23和保护套筒22的数量和排列方式需要变化，加热模块12的尺寸也要随之改变；加大单根电加热管23的功率会导致电加热管23的寿命下降。电加热管23的总额定功率需要确保能够在采样流量最大，湿蒸汽的气化潜热最大时依然能够将湿蒸汽加热成过热蒸汽。

由采样器5采样得到的湿蒸汽进入加热模块12后，由电加热管23负责将其加热成过热蒸汽，然后送往采样流量测量模块9测量流量，然后通过回流管路7流回主管路1。

PLC17能够采集温度传感器一2、温度传感器二10，温度传感器三14，流量计3，采样流量测量模块9的信号进行相应的运算，并能够通过功率调节模块16调节电加热器15的实际加热功率。

除了不耐高温的电子元件外，整套测量装置的表面均覆盖有保温材料18，保温材料18可以选择硅酸铝等导热系数较小的材料。

采用上述装置测量管道干度流量的测量方法和步骤如下：

通过安装在主管路1上的温度传感器一2，可以得到管路中湿蒸汽的温度，该温度为湿蒸汽的饱和温度，由水的热力性质可以得到对应的饱和压力。利用和对安装在主管路1上的靶式流量计3进行温压修正，可以得到主管路1中气相组分的质量流量。

均相器4将湿蒸汽雾化均相后由采样器5采样，采样器5将样品送入加热模块12加热成过热蒸汽。温度传感器二10测量的是过热蒸汽的温度，温度传感器三14测量的是采样湿蒸汽的温度和对应的饱和压力。忽略加热模块12的压力损失，则过热蒸汽的压力与采样湿蒸汽的压力相等。

利用过热蒸汽的温度和压力对采样流量测量模块9的中的靶式流量计或涡街流量计或孔板流量计或层流流量计进行温压修正，可以得到采样湿蒸汽的质量流量。

由以下公式可以计算出待测管道内湿蒸汽的干度：

上式中：

x为待测管道1内湿蒸汽的干度；

h为温度t₂和压力P₂对应下过热蒸汽的比焓，kJ/kg；

h’为温度t₃对应下饱和水的比焓，kJ/kg；

h”为温度t₃对应下饱和蒸汽的比焓，kJ/kg；

p为电加热管23的总加热功率，kW；

q₂为采样湿蒸汽的质量流量，kg/s。

由以下公式可以计算出待测管道内湿蒸汽的质量流量

上式中：

q为待测管道内湿蒸汽的质量流量，kg/h；

x为待测管道内湿蒸汽的干度；

q₁为待测管道内湿蒸汽气相组分的质量流量，kg/h。

调整阻力元件6的阻尼加工完成后将确定不变，可以通过调节流量调节阀8的开度来控制采样流量。

主管路1的工作压力为10～16MPa，根据水的热力性质，在工作压力为10MPa时水的气化潜热最大，为1317.3kJ/kg；主管路1的工作流量为3～10t/h，工作流量为10t/h时，对应的采样流量最大。在10MPa，10t/h的工况下，为了将采样湿蒸汽加热成过热蒸汽，电加热器15消耗的功率最大。上述装置中电加热管23的总额定功率为2kW，在10MPa，10t/h的工况下，可以将5.47kg/h的采样流量加热成过热蒸汽。为了保证一定的过热度，需要调节流量调节阀8将最大采样流量控制在5kg/h以下。

上述装置在运行时，根据主管路1工况的改变，PLC17根据采集到的信号，通过控制功率调节模块16来调节电加热管23的实际加热功率，确保加热模块12能够将采样得到的湿蒸汽加热成过热蒸汽，一般将过热度控制在3℃以上，确保过热。

上述测量装置采用热力学原理，原理可靠，测量方法简单实用，对于湿蒸汽干度和流量的测量精度可以达到3%、响应速度快，并且测量完成后的采样湿蒸汽会重新流回主管路1，不对环境排放，具有很强的实用价值。

实施例二

本发明设计的测量装置可以采用的另一种技术方案为：

对于干度变化区间在85～100%以上的主管路1，在本发明设计的测量装置中流量计3可以采用涡街流量计。实施例二的具体方案参照实施例一。实施例二采用的技术方案可以达到实施例一同样的效果，并且可以降低制造成本。

实施例三

本发明设计的测量装置可以采用的另一种技术方案为：

在本发明设计的测量装置中，阻力元件6可以采用孔板结构，通过改变孔的直径尺寸来调整主管路1的流动阻力，从而调整采样流量。阻力元件6也可制作成其他形状来达到在主管路1中增加流动阻力的目的。实施例三的具体方案参照实施例一。实施例三采用的技术方案可以达到实施例一同样的效果。

实施例四

本发明设计的测量装置可以采用的另一种技术方案为：

在本发明设计的测量装置中，阻力元件6可以采样节流阀，通过调节节流阀的开度来调整主管路1的流动阻力，从而调整采样流量。实施例一和二中阻力元件6的设计尺寸需要根据工况的不同进行精确设计，一旦确定后，主管路1的流动阻力也随之确定，无法再修改。采用本实施例中阻力元件6的方案，调节节流阀的开度可以随时改变主管路1的流动阻力。实施例四的具体方案参照实施例一。实施例四的方案可以减少设计上的难度，但是会相应增加制造成本。

实施例五

本发明设计的测量装置可以采用的另一种技术方案为：

在本发明设计的测量装置中，加热模块12为蛇形管状，内径与采样器5一致。在折弯处固定有保护套筒22；保护套筒22为圆管状，一端有封口，封口端插入加热模块内；电加热管23采用单端电热管，通过过盈配合或螺纹或胶粘或烧结等方式安装在保护套筒内。单根电加热管23的功率密度不宜太高，可以通过改变加热模块12的折弯数来改变电加热管23的数量，从而调节电加热管23的总功率，确保加热模块12能始终将采样湿蒸汽加热成过热蒸汽。加热模块12也可以设计成其他形状，满足电加热器15安装需求并利于热量向湿蒸汽的传递即可。实施例五的具体方案参照实施例一。实施例五采用的技术方案可以达到实施例一同样的效果，并且制造难度更低。

实施例六

本发明设计的测量装置可以采用的另一种技术方案为：

在本发明设计的测量装置中，加热模块12为圆管状，内径与采样器5一致，为金属材质；电加热器15采用电磁加热线圈24；电磁加热线圈24缠绕在加热模块表面；电磁加热线圈24和加热模块12之间有绝热层25相隔；绝热层25可以选用硅酸铝等导热系数较小的材料。在电磁加热线圈24中施加高频交流电，加热模块12本身在高频电磁场的作用下发热，从而加热湿蒸汽。可以通过调节电磁加热线圈24的匝数、缠绕密度等参数调整电磁加热线圈24的总功率。实施例六的具体方案参照实施例一。同实施例一相比，由于实施例六采用的是让加热模块12本身发热的加热方式，对湿蒸汽的加热效果更快更好，响应速度更快。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明的精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。

Claims (15)

1.一种蒸汽干度流量测量装置，其特征在于包括主管路（1）、温度传感器一(2)、流量计(3)、均相器(4)、采样器(5)、阻力元件(6)、回流管路(7)、流量调节阀(8)、采样流量测量模块(9)、温度传感器二(10)、绝热垫片一(11)、加热模块(12)、绝热垫片二(13)、温度传感器三(14)、功率调节模块(16)、PLC(17)、保温层(18)；

所述主管路(1)内沿蒸汽进入方向依次设置有温度传感器一(2)、流量计(3)、均相器(4)、采样器(5)、阻力元件(6)；

所述回流管路(7)设置在阻力元件(6)之后，与主管路(1)轴向垂直连接；所述回流管路(7)近主管路(1)端设置有流量调节阀(8)；

所述采样器(5)出口端依次设置有温度传感器三(14)、绝热垫片二(13)，出口端与加热模块(12)的连接；

所述采样流量测量模块(9)一端与加热模块(12)的连接，另一端与回流管路(7)连接；

所述加热模块（12）与采样流量测量模块（9）之间设置有绝热垫片一（11）、温度传感器二（10）。

2.根据权利要求1所述的一种蒸汽干度流量测量装置，其特征在于所述温度传感器一（2）、温度传感器二(10)和温度传感器三(14)为热电偶或热电阻。

3.根据权利要求1所述的一种蒸汽干度流量测量装置，其特征在于所述流量计(3)为靶式流量计或涡街流量计。

4.根据权利要求1所述的一种蒸汽干度流量测量装置，其特征在于所述采样器(5)插入主管路的部分设置有采样孔。

5.根据权利要求1所述的一种蒸汽干度流量测量装置，其特征在于所述阻力元件(6)为挡片或孔板结构或节流阀。

6.根据权利要求1所述的一种蒸汽干度流量测量装置，其特征在于所述PLC(17)用于控制功率调节模块来调节并稳定电加热器的实际加热功率。

7.根据权利要求1所述的一种蒸汽干度流量测量装置，其特征在于所述加热模块(12)为蛇形管状，内设置保护套筒(22)、电加热器(15)。

8.根据权利要求1所述的一种蒸汽干度流量测量装置，其特征在于所述加热模块(12)为圆筒状，内设有保护套筒(22)、电加热器(15)。

9.根据权利要求7或8所述的一种蒸汽干度流量测量装置，其特征在于所述保护套筒(22)的一端封口，并与加热模块(12)固定连接。

10.根据权利要求7或8所述的一种蒸汽干度流量测量装置，其特征在于所述电加热器(15)设置在保护套筒(22)内。

11.根据权利要求1所述的一种蒸汽干度流量测量装置，其特征在于所述加热模块(12)为圆管状；所述电加热器(15)采用电磁加热线圈(24)，缠绕在加热模块表面；电磁加热线圈(24)和加热模块(12)之间设置有绝热层(25)。

12.采用权利要求1-11任一项所述的蒸汽干度流量测量装置测量蒸汽干度流量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）湿蒸汽流入主管路（1），经过温度传感器一（2），测得主管路中湿蒸汽的饱和温度t₁，由水的热力性质得到对应的饱和压力P₁；利用t₁和P₁对安装在主管路（1）上的靶式流量计（3）测得的体积流量进行温压修正，得到主管路（1）中气相组分的质量流量q₁；

2）蒸汽经过均相器（4）雾化均相后，通过采样孔（20）进入采样器（5），将采样蒸汽送入加热模块（12）加热成过热蒸汽，经温度传感器二（10）测量得到过热蒸汽的温度t₂，经温度传感器三（14）测量得到采样湿蒸汽的温度t₃，由水的热力性质得到对应的饱和压力P₃，忽略加热模块（12）的压力损失，则过热蒸汽的压力P₂与采样湿蒸汽的压力P₃相等；

3）利用过热蒸汽的温度t₂和压力P₂对采样流量测量模块（9）中的流量计测得的过热蒸汽的体积流量进行温压修正，得到采样湿蒸汽的质量流量q₂；

4）由以下公式可以计算出待测管道内湿蒸汽的干度：

式中：

x为待测管道内湿蒸汽的干度；

h为温度t₂和压力P₂对应下过热蒸汽的比焓；

h’为温度t₃对应下饱和水的比焓；

h”为温度t₃对应下饱和蒸汽的比焓；

P为电加热器的总加热功率；

q₂为采样湿蒸汽的质量流量；

由以下公式可以计算出待测管道内湿蒸汽的质量流量：

式中：

q为待测管道内湿蒸汽的质量流量；

x为待测管道内湿蒸汽的干度；

q₁为待测管道内湿蒸汽气相组分的质量流量。

13.根据权利要求12所述的一种测量蒸汽干度流量的方法，其特征在于通过调整阻力元件（6）的阻尼和流量调节阀的开度控制采样流量的大小。

14.根据权利要求12所述的一种测量蒸汽干度流量的方法，其特征在于所述PLC（17）用于收集上述方法中的测量数据并完成计算和控制。

15.根据权利要求12所述的一种测量蒸汽干度流量的方法，其特征在于经采样流量测量模块（9）测量后的蒸汽经回流管路（7）流回主管路（1）。