CN106153681B - 蒸汽质量诊断计 - Google Patents

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Abstract

一种蒸汽质量计，包括具有入口和出口的管道。杆定位在管道中位于入口和出口之间。杆限定杆的外壁和管道的内壁之间的环状流动通路。混合装置定位在管道中位于入口和杆的上游端部之间。间隔开的传感器定位在环状流动通路中。每个传感器都被构造成用于感测流过环状流动通路的蒸汽的电容和/或阻抗。

Description

蒸汽质量诊断计
技术领域
本发明一般地涉及蒸汽质量计，并且特别地，涉及具有用于感测电容和/或阻抗的电极的蒸汽质量计。
背景技术
在过程工业中，蒸汽通常用于加热目的，并且在石油和天然气工业中作为注入流体用于回收碳氢化合物。诸如这些的蒸汽流量应用利用饱和蒸汽，饱和蒸汽可以全是水汽，全是液体，或水汽和液体的结合。热力学关系使用蒸汽质量以计算饱和蒸汽的性质，诸如密度和质量流率和焓流率。这些热力学关系假设饱和蒸汽是在饱和压力和温度下共存的液相和汽相的均质混合物，但是实际上，饱和蒸汽很少被完全混合。因此，诸如文氏管的装置用于混合流体从而可以假设均质。热力学关系还假设已知的蒸汽质量。通常假设1.0或100％的蒸汽质量来执行密度和质量流率计算。然而，对于从0.9到1.0的蒸汽质量，蒸汽质量每减少1％，则均质蒸汽的密度增加大致1％。随着蒸汽质量进一步减少，密度的对于质量每1％的减少的增加变得更大。因而，当计算质量流率时，假设不正确的蒸汽质量可能导致极大的误差。
在规定的压力下，蒸汽混合物的温度在饱和温度下保持恒定，直到所有的水汽变成液体或所有的液体变成水汽。因此不能仅通过测量温度和压力来确定蒸汽质量。结果，蒸汽质量计使用诸如光、电容、阻抗或其它的方法的手段以确定蒸汽质量。蒸汽混合物的电容随着混合物中液态水的百分比而变化。在随着蒸汽流过水平的管道部分时水滴保持均匀地悬浮在水汽中的假设下，确定混合物的质量。为实现水滴的均匀分布，使用混合装置(诸如文氏管、喷嘴、穿孔板、旋涡装置或其它的这种元件)。然而，水滴可以不均匀地沉积在蒸汽管道的底部处，或随着蒸汽混合物通过管道时水滴朝管道的下游端部。当前的蒸汽质量计不导致水滴的沉积。
发明内容
蒸汽质量计包括具有入口和出口的管道。杆定位在管道中位于入口和出口之间。杆限定杆的外壁和管道的内壁之间的环状流动通路。混合装置定位在管道中位于入口和杆的上游端部之间。间隔开的传感器定位在环状流动通路中。每个传感器都被构造成用于感测流过环状流动通路的蒸汽的电容和/或阻抗。
测量蒸汽质量的方法包括通过管道的入口将蒸汽引导进入管道中，均质化蒸汽，并且使蒸汽流过环状流动通路到管道的出口。该方法进一步包括在环状流动通路中的位置处感测流过环状流动通路的蒸汽的电容和/或阻抗，并且基于在环状流动通路中的每个位置处感测到的电容和/或阻抗来产生流过环状流动通路的蒸汽的蒸汽质量值。
附图说明
图1是在内杆上的具有上电极和下电极的蒸汽质量计的局部侧面截面图，以及用于信号处理的相关联的电子组件的图解示意图。
图2A是图1的蒸汽质量计沿着图1中的部分2-2的剖视图。
图2B是图1的蒸汽质量计的可替换的实施例沿着图1中的部分2-2的剖视图。
图2C是图1的蒸汽质量计的可替换的实施例沿着图1中的部分2-2的剖视图。
图2D是图1的蒸汽质量计的可替换的实施例沿着图1中的部分2-2的剖视图。
图3是图1的在内杆上具有纵向隔开的电极的蒸汽质量计的局部侧面截面图。
图4是图1的在内杆上具有纵向隔开的上电极和下电极的蒸汽质量计的局部侧面截面图。
具体实施方式
总的来说，本发明是具有诊断能力的蒸汽质量计。蒸汽质量计具有在管道中的环状流动通路内定位在杆上的多个电极。电极包括感测结构，该感测结构允许蒸汽质量计基于悬浮在主要水平地流过管道中的环状流动通路的汽相中的水滴的介电性能，来测量蒸汽质量。多个电极沿着同中心地定位在管道中的杆放置，以允许沿着流动的轴线的多个电容和/或阻抗测量值。这些测量值用于检测和验证流体混合物沿着环状流动通路的均匀介电性能的假设，并且因此改善蒸汽质量测量值的可信度和可靠性。
图1是根据一个实施例的蒸汽质量计10的局部侧面截面图。图2A是沿着图1中的线2-2的剖视图。如图1和2A中所示，蒸汽质量计10包括具有入口14和出口16的管道12、混合装置18和杆20。混合装置18和杆20同中心地被定位在管道12中。混合装置18可以是文氏管、喷嘴、穿孔板、旋涡装置或任何其它适当的混合装置。管道12包括内壁22。在示出的实施例中，管道12是电极并且可以是诸如碳钢的任何导电材料。杆20包括具有杆电极28和30的外壁26。在示出的实施例中，杆20可以是诸如陶瓷的任何绝缘材料，并且杆电极28和30可以是诸如碳钢或不锈钢的任何导电材料。杆电极28和30被间隙32分开。在示出的实施例中，杆电极28和30附接到外壁26，并且间隙32表示暴露的外壁26的电分开杆电极28和30的部分。该结构产生了两个传感器，或同轴电容器，一个传感器由管道12和杆电极28形成并且另一传感器由管道12和杆电极30形成。在可替换的实施例中，间隙32可以填充有诸如陶瓷材料的绝缘材料。杆20和管道12之间的空间产生了环状流动通路34。
在本实施例中，电线36将管道12和杆电极28和30连接到电子组件38。电线36包括用于每个杆电极28和30的电线，以及用于管道12的电线。电子组件38可以包括信号处理器40、数字处理器42、本地操作员界面46、存储器44和通信接口48。通信接口48可以被连接到监测/控制系统50。蒸汽质量计10可以向监测/控制系统50提供蒸汽质量测量值输出。由管道12和杆电极28和30形成的电容器产生电信号，所述被电线36传输到信号处理器40。电信号被传输到数字处理器42，在数字处理器42处，信号被存储在存储器44中并且可以显示在本地操作员界面46处。信号然后可以被传输到通信接口48和监测/控制系统50。在可替换的实施例中，电子组件38可以是遥测系统或监督控制和数据采集(SCADA)系统。在另一可替换的实施例中，蒸汽质量计10可以是经由本地操作员界面46监测的单机装置。
为测量蒸汽质量，蒸汽混合物通过入口14并且通过混合装置18流进管道12中。混合装置18将流体的液体部分雾化成较小的、均匀的小滴以产生均质混合物。均质混合物离开混合装置18并且进入环状流动通路34中。混合物通过出口16退出管道12。当蒸汽混合物正在流过环状流动通路34时，形成在杆电极28和30和管道12之间的传感器通过测量电容和/或阻抗来确定混合物的介电性能。上杆电极28和管道12中的每个都用作第一电容器的板并且因而一起感测蒸汽在环状流动通路34的上半部中的电容和/或阻抗。下杆电极30和管道12中的每个都用作第二电容器的板并且因而感测在环状流动通路34的下半部中的蒸汽混合物的电容和/或阻抗。因此，蒸汽质量计10获得穿过环状流动通路34的蒸汽的电容和/或阻抗的两个测量值。
在示出的实施例中，电容和/或阻抗测量值可以通过电线36被传递到信号处理器40。信号处理器40将感测到的电容和/或阻抗转换为数字的电容和/或阻抗值。数字处理器42使用数字值以计算蒸汽质量测量值。例如，数字处理器42可以平均电容和/或阻抗测量值以计算整体的蒸汽质量值。平均多个电容和/或阻抗值是有利的，因为取得平均值导致比由利用蒸汽质量计10取得的单个测量值所得到的值更精确的蒸汽质量值。蒸汽质量值可以被存储在存储器44中，显示在本地操作员界面46上，并且传输到至监测/控制系统50的通信接口48，监测/控制系统50可以显示该蒸汽质量值。在可替换的实施例中，遥测系统或SCADA系统可以处理电容和阻抗测量值以确定和/或输出蒸汽质量诊断信息。蒸汽质量值可以被显示为百分比。100％的质量指示流过环状流动通路34的流体完全是水汽。0％的质量指示流过环状流动通路34的流体完全是液体。
除了提供整体的蒸汽质量值，两个电容和/或阻抗测量值也可以通过数字处理器42被分别地显示或分析，以显示用于环状流动通路34的上半部的蒸汽质量值和用于环状流动通路34的下半部的蒸汽质量值。这允许用户评估流过环状流动通路34的上半部和环状流动通路34的下半部的蒸汽混合物中的差值。分离的电容和/或阻抗测量值还可以提供整体的蒸汽质量值的可靠性的指示。例如，如果用于环状流动通路34的上半部的电容测量值低于用于环状流动通路34的下半部的电容测量值，则这可以指示沉积发生在环状流动通路34的下半部中或混合物的流率已经下降。两个分离的测量值中的极大的差值可以警示用户以调节流率或管道尺寸以保持混合物的质量。多个电容和/或阻抗测量值也是有利的，因为多个测量值允许冗余。
图2B是蒸汽质量计10的可替换的实施例沿着图1中的线2-2的剖视图。蒸汽质量计10包括管道12和杆20。管道12包括内壁22。在示出的实施例中，管道12是电极并且可以是诸如碳钢的任何导电材料。杆20包括具有杆电极28和30的绝缘层27和外壁26。在示出的实施例中，杆20可以由绝缘层27围绕的导电材料制成。绝缘层27可以由诸如陶瓷的任伺绝缘材料制成。杆电极28和30可以是诸如碳钢或不锈钢的任何导电材料。杆电极28和30被间隙32分开。在示出的实施例中，杆电极28和30附接到外壁26，并且间隙32表示暴露的外壁26的电分开杆电极28和30的部分。该结构产生了两个传感器，或同轴电容器，一个传感器由管道12和杆电极28形成并且一个传感器由管道12和杆电极30形成。在可替换的实施例中，间隙32可以填充有诸如陶瓷材料的绝缘材料。杆20和管道12之间的空间产生了环状流动通路34。
图2C是蒸汽质量计10的可替换的实施例沿着图1中的线2-2的剖视图。蒸汽质量计10包括管道12’和杆20。管道12’包括具有管道电极24的内壁22。在示出的实施例中，管道12’可以是诸如陶瓷的绝缘材料，并且管道电极24和可以是诸如碳钢的任何导电材料。杆20包括具有杆电极28和30的外壁26。在示出的实施例中，杆20可以是诸如陶瓷的任何绝缘材料，并且杆电极28和30可以是诸如碳钢或不锈钢的任何导电材料。杆电极28和30被间隙32分开。在示出的实施例中，杆电极28和30附接到外壁26，并且间隙32表示暴露的外壁26的电分开杆电极28和30的部分。该结构产生了两个传感器，或同轴电容器，一个传感器由管道电极24和杆电极28形成并且一个传感器由管道电极24和杆电极30形成。在可替换的实施例中，间隙32可以填充有诸如陶瓷材料的绝缘材料。杆20和管道12’之间的空间产生了环状流动通路34。
图2D是蒸汽质量计10的可替换的实施例沿着图1中的线2-2的剖视图。蒸汽质量计10包括管道12’和杆20。管道12’包括具有管道电极24的内壁22。在示出的实施例中，管道12’可以是诸如陶瓷的绝缘材料，并且管道电极24和可以是诸如碳钢的任何导电材料。杆20包括具有杆电极28和30的绝缘层27和外壁26。在示出的实施例中，杆20可以由绝缘层27围绕的导电材料制成。绝缘层27可以由诸如陶瓷的任何绝缘材料制成。杆电极28和30可以是诸如碳钢或不锈钢的任何导电材料。杆电极28和30被间隙32分开。在示出的实施例中，杆电极28和30附接到外壁26，并且间隙32表示暴露的外壁26的电分开杆电极28和30的部分。该结构产生了两个传感器，或同轴电容器，一个传感器由管道电极24和杆电极28形成并且一个传感器由管道电极24和杆电极30形成。在可替换的实施例中，间隙32可以填充有诸如陶瓷材料的绝缘材料。杆20和管道12’之间的空间产生了环状流动通路34。
根据另一实施例，图3是具有纵向隔开的杆电极52、54、56和58的蒸汽质量计10的局部侧面截面图，该纵向隔开的杆电极附接到杆20的外壁26，取代了附接到杆20的外壁26的杆电极28和30。杆电极52、54、56和58被间隙32电分开，间隙32表示暴露的外壁26的部分。在可替换的实施例中，间隙32可以填充有诸如陶瓷的绝缘材料。该结构产生了四个传感器或同轴电容器。第一传感器由管道12和杆电极52形成。第二传感器、第三传感器和第四传感器在第一传感器的下游分别通过管道12和杆电极54、56和58形成。在可替换的实施例中，四个传感器可以通过管道12和杆20的如图2B-2D中所示的可替换的构造产生。
在本实施例中，杆电极52和管道12中的每个都用作第一电容器的板，并且因而一起感测流过环状流动通路34的蒸汽混合物的在环状流动通路34的第一部分中的电容和/或阻抗。杆电极54、56和58以及管道12用作第二电容器、第三电容器和第四电容器的板，该第二电容器、第三电容器和第四电容器用于感测流过环状流动通路34的蒸汽的在环状流动通路34的第二部分、第三部分和第四部分中的电容和/或阻抗。因此，在图3示出的实施例中，蒸汽质量计10获得通过环状流动通路34的蒸汽的电容和/或阻抗的四个测量值。在可替换的实施例中，任意数量的纵向隔开的杆电极可以附接到杆20的外壁26以提供电容和/或阻抗的任意数量的测量值。
电容和/或阻抗测量值可以被电子组件38平均和处理，并且整体的蒸汽质量测量值可以通过监测/控制系统50显示，如上参照图1和2A所述。可以以算法分别分析图3示出的实施例取得的电容和/或阻抗测量值，以在混合物在下游流过环状流动通路34时估算蒸汽混合物中的差值。分离的电容和/或阻抗测量值还可以提供整体的蒸汽质量值的可靠性的指示。例如，如果用于环状流动通路34的第一部分部的电容测量值低于用于环状流动通路34的第二、下游部分的电容测量值，则这可以指示在蒸汽混合物在下游流过流动通路34时沉积正在发生，或蒸汽混合物的流率已经下降。分离的测量值中的极大的差值可以警示用户以调节流率或管道尺寸以保持蒸汽的质量。多个电容和/或阻抗测量值也是有利的，因为多个测量值允许冗余。
图4是具有杆电极60、62、64、66、68、70、72和74的蒸汽质量计10的另一实施例的局部侧面截面图，该杆电极60、62、64、66、68、70、72和74附接到杆20的外壁26，取代了附接到杆20的外壁26的杆电极28和30。杆电极62、66、70和74被纵向隔开并且附接到外壁26的上半部。杆电极60、64、68和72被纵向隔开并且附接到外壁26的下半部。杆电极60、62、64、66、68、70、72和74被间隙32电分开，间隙32表示暴露的外壁26的部分。在可替换的实施例中，间隙32可以填充有诸如陶瓷的绝缘材料。该结构产生了八个传感器或同轴电容器。在外壁26的上半部上的第一传感器由管道12和杆电极62形成。第二传感器、第三传感器和第四传感器在第一传感器的下游分别通过管道12和杆电极66、70和74形成。在外壁26的下半部上的第五传感器由管道12和杆电极60形成。第六传感器、第七传感器和第八传感器在第一传感器的下游分别通过管道12和杆电极64、68和72形成。在可替换的实施例中，八个传感器可以通过管道12和杆20的如图2B-2D中所示的可替换的构造产生。
杆电极62和管道12中的每个都用作第一电容器的板，并且因而一起感测流过环状流动通路34的蒸汽混合物的在环状流动通路34的第一部分的上半部中的电容和/或阻抗。杆电极66、70和74以及管道12用作第二电容器、第三电容器和第四电容器的板，该第二电容器、第三电容器和第四电容器用于感测流过环状流动通路34的上半部的蒸汽混合物的在环状流动通路34的第二部分、第三部分和第四部分中的电容和/或阻抗。杆电极60和管道12中的每个都用作第五电容器的板，并且因而一起感测流过环状流动通路34的蒸汽的在环状流动通路34的第一部分的下半部中的电容和/或阻抗。杆电极64、68和72以及管道12用作第六电容器、第七电容器和第八电容器的板，该第六电容器、第七电容器和第八电容器用于感测流过环状流动通路34的下半部的蒸汽的在环状流动通路34的第二部分、第三部分和第四部分中的电容和/或阻抗。因此，在图3示出的实施例中，蒸汽质量计10获得通过环状流动通路34的蒸汽混合物的电容和/或阻抗的八个测量值。在可替换的实施例中，任意数量的纵向隔开的杆电极可以附接到杆20的外壁26的上半部分和下半部分，以提供电容和/或阻抗的任意数量的测量值。
电容和/或阻抗测量值可以被电子组件38平均和处理，并且整体的蒸汽质量测量值可以通过监测/控制系统50显示，如上参照图1和2A所述。可以以算法分别分析图4示出的实施例取得的电容和/或阻抗测量值，以在混合物在下游流过环状流动通路34时评估蒸汽混合物中的差值，以及流过环状流动通路34的上半部分和下半部分的蒸汽混合物中的差值。分离的电容和/或阻抗测量值还可以提供整体的蒸汽质量值的可靠性的指示。例如，如果用于环状流动通路34的第一部分部的上半部的电容测量值低于用于环状流动通路34的第二、下游部分的上半部的电容测量值，则这可以指示随着蒸汽混合物在下游流过流动通路34的上半部时沉积正在发生，或蒸汽混合物的流率已经下降。分离的测量值中的极大的差值可以警示用户以调节流率或管道尺寸以保持蒸汽的质量。多个电容和/或阻抗测量值也是有利的，因为多个测量值允许冗余。
尽管已经参照示例性实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解在没有脱离本发明的范围的情况下可以进行各种改变并且等同物可以替代本发明的元件。另外，在没有脱离本发明的实质范围的情况下可以进行许多修改以使得具体的位置或材料适应本发明的教导。因此，预期本发明不受限于公开的具体实施例，但是本发明将包括落入随附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (16)

1.一种蒸汽质量计，包括：
管道，所述管道具有入口和出口；
杆，所述杆定位在管道中位于入口和出口之间，并且限定在杆的外壁和管道的内壁之间的环状流动通路；
混合装置，所述混合装置在管道中位于入口和杆的上游端部之间；和
间隔开的多个传感器，所述多个传感器位于环状流动通路中，所述多个传感器中的每个传感器都被构造成用于感测流过环状流动通路的蒸汽的电容和/或阻抗，
其中所述多个传感器包括多个电极；
其中所述多个电极包括至少一个管道电极和在杆的外壁处的多个杆电极，每一个传感器都由管道电极和多个杆电极中相应的一个杆电极形成；以及
其中所述多个杆电极包括位于杆的外壁的上半部处的电极和位于杆的外壁的下半部处的电极。
2.根据权利要求1所述的蒸汽质量计，其中所述管道包括导电材料并且所述管道是管道电极。
3.根据权利要求1所述的蒸汽质量计，其中所述管道包括绝缘材料。
4.根据权利要求3所述的蒸汽质量计，其中所述管道电极附接到管道的内壁。
5.根据权利要求1所述的蒸汽质量计，其中所述多个杆电极包括位于杆的外壁处的纵向隔开的电极。
6.根据权利要求1所述的蒸汽质量计，其中所述多个杆电极包括位于杆的外壁的上半部处的纵向隔开的电极和位于杆的外壁的下半部处的纵向隔开的电极。
7.根据权利要求1所述的蒸汽质量计，其中所述杆包括绝缘层。
8.根据权利要求1所述的蒸汽质量计，其中至少一个间隙分开所述多个杆电极中的电极。
9.根据权利要求8所述的蒸汽质量计，其中所述至少一个间隙填充有绝缘材料。
10.根据权利要求1所述的蒸汽质量计，还进一步地包括电路，所述电路用于基于由所述多个传感器中的每个传感器感测到的电容和/或阻抗来测量和输出流过环状流动通路的蒸汽的蒸汽质量值。
11.根据权利要求10所述的蒸汽质量计，其中所述电路包括监督控制和数据采集系统或遥测系统。
12.根据权利要求11所述的蒸汽质量计，其中所述电路包括本地操作员界面。
13.一种测量蒸汽质量的方法，所述方法包括下述步骤：
通过管道的入口引导蒸汽进入管道中；
均质化蒸汽；
在管道中使蒸汽流过环状流动通路到管道的出口；
在环状流动通路中的多个位置处感测流过环状流动通路的蒸汽的电容和/或阻抗；以及
基于在环状流动通路中的所述多个位置处中的每个位置处感测到的电容和/或阻抗，来产生流过环状流动通路的蒸汽的蒸汽质量值，
其中感测蒸汽的电容和/或阻抗的步骤包括：
感测蒸汽的在位于管道的内壁处的电极和位于杆的外壁处的多个杆电极之间的电容和/或阻抗，所述杆定位在管道中位于管道的入口和管道的出口之间，
其中所述多个杆电极中的一个杆电极定位在所述杆的外壁的上半部处，并用于感测所述环状流动通路的上半部中的蒸汽的电容和/或阻抗；以及
其中所述多个杆电极中的另一个杆电极定位在所述杆的外壁的下半部处，并用于感测所述环状流动通路的下半部中的蒸汽的电容和/或阻抗。
14.根据权利要求13所述的方法，并且进一步地包括对比在位于环状流动通路中的所述多个位置中的每个位置处感测到的电容和/或阻抗，以产生蒸汽质量值的可靠性的指示。
15.根据权利要求13所述的方法，其中产生蒸汽质量值的步骤包括平均在位于环状流动通路中的所述多个位置中的每个位置处的电容和/或阻抗。
16.根据权利要求13所述的方法，其中均质化蒸汽步骤包括使蒸汽流过定位在管道的入口和环状流动通路之间的混合装置。
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