CN110274627B - 并联管束内高温高压工质流量分配的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联管束内高温高压工质流量分配的测量方法，包括以下步骤：1)确定套管入水口处冷却水的焓值；确定套管出水口处冷却水的焓值；确定套管中冷却水的换热功率；建立当前套管内冷却水流量下的热平衡方程；2)改变套管内冷却水的流量，再重复步骤1)；3)根据建立的两次套管内冷却水流量下的热平衡方程，求解支管入口处高温高压汽水两相流工质的质量流量G_H及焓值h_H1，该方法能够实现对管束内高温高压汽水两相流工质的流量测量，且能够避免测量过程中对高温高压汽水两相流工质流动产生的干扰、测量装置不能承压耐热以及设备标定困难的问题。

Description

并联管束内高温高压工质流量分配的测量方法

技术领域

本发明属于两相流测量领域，涉及一种并联管束内高温高压工质流量分配的测量方法。

背景技术

近年来，我国超超临界发电机组发展迅速，其具有容量大、参数高、效率高等优点，逐渐成为火电设备发展的主流。而超超临界机组锅炉水冷壁的设计和优化是超超临界锅炉安全、稳定运行的关键。准确预测联箱并联分支管中的两相流流量分配是联箱设计和运行的重要保证,对两相流系统的状态监测、过程控制及安全运行等均有重要的作用。为建立超临界锅炉垂直水冷壁水动力特性计算模型，首先要对高温高压工质在集箱和水冷壁中的流动和换热特性进行精准的实验和模型研究。因此，对联箱内的高温高压两相工质的流量分配和相分配进行准确测量，具有重要的工程实用价值和理论意义。

现有的多数测量技术中，测量仪表或测量设备的使用会对并联管内的两相流分配造成干扰，产生额外的压降会影响并联管内原有的流量分配特性，使结果与实际流动情况之间出现了一定的偏差。而高温高压两相工质所具有的高压力、高温度等特点，对测量装置的承压耐热能力也带来了巨大挑战。电学法是一种经典的气液两相流含气率测量方法，但存在着如下缺陷，气液两相混合流体的等效电导和含气率有关，但易受流型、温度变化、流体内杂质引入导致的导电性变化等因素的影响，所以若不能预先获知两相流的流型信息，准确地测量含气率将很难实现。光学法包括光衰减法和光导探针法，其主要适用于气液两相流含气率较低或者较高的条件下。利用光学法进行含气率测量通常对被测介质有一定的限制，且对被测介质和应用环境清洁度有较高的要求，测量结果易受介质和环境因素的影响。射线法测量含气率可以实现非接触式测量，测量仪器的标定也相对容易，因此在两相流参数测量中的研究和应用也比较成熟。但射线法需要解决射线穿过管壁产生的衰减问题，并且需要一个稳定的放射源，同时放射源的维护成本高，使得该方法应用范围受到一定的限制。

据检索，发现以下与本申请相关的公开专利的文献，具体公开内容如下：

专利文献CN104075766A公开了一种管内相分隔式高含气率气液两相流体流量测量装置及方法,该装置主要由管道、内管、两级旋流器、渐缩管、旋流管、过渡管、渐扩管、消旋器、常规小型分离器以及气体和液体流量计组成；其方法通过采用管内相分隔技术,配合离心和重力分离作用,经多个分离步骤完成气液两相流体在管道内的完全分离,最后分别使用气体和液体流量计测量出各相流量；通过本发明可以大幅度缩小分离法类气液两相流测量装置的体积,改善测量的实时性,并能显著降低制造成本,便于在工程上广泛应用。

专利文献CN1065724公开一种气、液两相管流流量测量方法与装置,用于较长气、液两相流管线内气、液体积流量的直接在线测量。它是用一条上坡后再下坡的特殊管路使上坡管内产生间歇性流动,阻断液塞后的液膜流动,并且形成具有一致流速分布的液塞前锋液面。用安装于上坡管上的两个泡状流空泡份额传感器获得有关参数,通过信号处理、数据采集及运算系统,进行必要的计算和修正,则可实现气、液体积流量的测量。

专利文献CN103033225A公开一种稳态情况下两相流分相流量的测量装置,主要包括：汽水分离器、气体流量计、石英玻璃管、减压阀和截断阀。本发明满足空气-水或蒸汽-饱和水的两相流分相流量的测量要求,工作安全可靠,设计合理,结构紧凑,操作简单,适合应用于较高压力情况下的两相流分相流量测量,尤其适合于高含气率两相流测量。

上述专利均未同时解决测量过程中对两相流动产生干扰、测量装置不能承压耐热、设备标定困难等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种并联管束内高温高压工质流量分配的测量方法，该方法能够实现对管束内高温高压汽水两相流工质的流量测量，且能够避免测量过程中对高温高压汽水两相流工质流动产生的干扰、测量装置不能承压耐热以及设备标定困难的问题。

为达到上述目的，本发明所述的并联管束内高温高压工质流量分配的测量方法，用于两相流换热系统中，其中，所述两相流换热系统包括并联管分配集箱、并联管汇集集箱、冷却水出口集箱、套管、冷却水入口集箱及若干支管，各支管的一端与并联管分配集箱的出口相连通，各支管的另一端沿轴向穿过套管后与并联管汇集集箱的入口相连通，冷却水出口集箱的出口与套管的入水口相连通，冷却水入口集箱与套管的出水口相连通，冷却水出口集箱的出口处设置有截止阀，套管的外壁上设置有保温层，包括以下步骤：

1)测量套管入水口处冷却水的温度T_C1及压力p_C1，再根据套管入水口处冷却水的温度T_C1及压力p_C1确定套管入水口处冷却水的焓值h_C1＝h(p_C1，T_C1)；

测量套管出水口处冷却水的压力p_C2及温度T_C2，再根据套管出水口处冷却水的压力p_C2及温度T_C2确定套管出水口处冷却水的焓值h_C2＝h(p_C2，T_C2)；

测量套管入水口处冷却水的质量流速G_C，得套管中冷却水的换热功率Q_C＝G_CA_C(h_C2-h_C1)，其中，A_C为冷却水侧管道截面积；

设支管入口处高温高压汽水两相流工质的焓值为h_H1；获取支管出口处的压力p_H2及水温T_H2，再根据支管出口处的压力p_H2及水温T_H2确定支管出口处工质的焓值h_H2＝h(p_H2，T_H2)，设支管入口处内高温高压汽水两相流工质的质量流量为G_H，得支管内高温高压汽水两相流工质的换热功率Q_H＝G_HA_H(h_H1-h_H2)，其中，A_H为高温高压汽水两相流工质侧管道截面积；

建立当前套管内冷却水流量下的热平衡方程；

2)改变套管内冷却水的流量，再重复步骤1)；

3)根据建立的两次套管内冷却水流量下的热平衡方程，求解支管入口处高温高压汽水两相流工质的质量流量G_H及焓值h_H1。

还包括：根据支管入口处高温高压汽水两相流工质的压力p_H及焓值h_H1计算支管入口处的流体干度x＝x(p_H，h_H1)。

步骤1)中的热平衡方程为：

G_CA_C(h_C2-h_C1)＝kG_HA_H(h_H1-h_H2) (1)

其中，k为考虑实验误差因素影响的引入热平衡系数，k通过标定获得。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的并联管束内高温高压工质流量分配的测量方法在具体操作时，通过冷却水将支管内的高温高压汽水两相流工质冷却至单相状态后，测得冷却水侧的换热功率及冷却后的单相水焓值，从而获得各支管入口处高温高压汽水两相流工质的流体焓值。另外，保持支管内工质的流动及分配特性不同，通过改变套管内冷却水的流量，以构建两组热平衡方程，并以此计算各支管的入口处高温高压汽水两相流工质的质量流量。需要说明的是，本发明通过冷却水将支管内高温高压汽水两相流工质冷却至液相后进行测量，冷却水流量可调，因此管内工质温度和压力的适用范围大；其次，本发明不直接针对温高压汽水两相流工质进行测量，避免参数测量装置对支管内温高压汽水两相流工质的流动和分配造成的干扰，使得实验结果能够准确反映支管内真实的流动与分配特性；最后，本发明的主要测量参数集中在冷却水侧，参数测量装置不需承压耐温，设备标定较为容易，测量装置成本较低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的截面图。

其中，1为并联管分配集箱、2为支管、3为并联管汇集集箱、4为冷却水入口集箱、5为套管、6为冷却水出口集箱、7为保温层、8为截止阀、P表示压力测点、T表示温度测点、M表示流量测点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1及图2，本发明所述的并联管束内高温高压工质流量分配的测量方法，用于两相流换热系统中，所述两相流换热系统包括并联管分配集箱1、并联管汇集集箱3、冷却水出口集箱6、套管5、冷却水入口集箱4及若干支管2，各支管2的一端与并联管分配集箱1的出口相连通，各支管2的另一端沿轴向穿过套管5后与并联管汇集集箱3的入口相连通，冷却水出口集箱6的出口与套管5的入水口相连通，冷却水入口集箱4与套管5的出水口相连通，冷却水出口集箱6的出口处设置有截止阀8，套管5的外壁上设置有保温层7；

包括以下步骤：

1)测量套管5入水口处冷却水的温度T_C1及压力p_C1，再根据套管5入水口处冷却水的温度T_C1及压力p_C1确定套管5入水口处冷却水的焓值h_C1＝h(p_C1，T_C1)；

测量套管5出水口处冷却水的压力p_C2及温度T_C2，再根据套管5出水口处冷却水的压力p_C2及温度T_C2确定套管5出水口处冷却水的焓值h_C2＝h(p_C2，T_C2)；

测量套管5入水口处冷却水的质量流速G_C，得套管5中冷却水的换热功率Q_C＝G_CA_C(h_C2-h_C1)，其中，A_C为冷却水侧管道截面积；

设支管2入口处高温高压汽水两相流工质的焓值为h_H1；获取支管2出口处的压力p_H2及水温T_H2，再根据支管2出口处的压力p_H2及水温T_H2确定支管2出口处工质的焓值h_H2＝h(p_H2，T_H2)，设支管2入口处内高温高压汽水两相流工质的质量流量为G_H，得支管2内高温高压汽水两相流工质的换热功率Q_H＝G_HA_H(h_H1-h_H2)，其中，A_H为高温高压汽水两相流工质侧管道截面积；

建立当前套管5内冷却水流量下的热平衡方程；

2)改变套管5内冷却水的流量，再重复步骤1)；

3)根据建立的两次套管5内冷却水流量下的热平衡方程，求解支管2入口处高温高压汽水两相流工质的质量流量G_H及焓值h_H1；

根据支管2入口处高温高压汽水两相流工质的压力p_H及焓值h_H1计算支管2入口处的流体干度x＝x(p_H，h_H1)。

步骤1)中的热平衡方程为：

G_CA_C(h_C2-h_C1)＝kG_HA_H(h_H1-h_H2) (1)

其中，k为考虑实验误差因素影响的引入热平衡系数，k通过标定获得。

式(1)中的G_H及h_H1均为待求解量，无法通过一次热平衡方程来求取，因此需要进行两次热平衡测量，获得两个不同工况条件下的热平衡方程，具体的，实验过程中并联管分配集箱1、支管2和并联管汇集集箱3的工况条件不变，改变套管5内冷却水的流量，以获取两组热平衡参数，其中，以上标′表示冷却水流量改变前各参数的数值；以上标″表示却水流量改变后各参数的数值，得两组热平衡方程为：

G_C′A_C(h′_C2-h′_C1)＝kG_HA_H(h′_H1-h′_H2) (2)

G_C″A_C(h″_C2-h″_C1)＝kG_HA_H(h″_H1-h″_H2) (3)

由于支管2入口处高温高压汽水两相流工质的参数不变，且处于饱和状态，则有h′_H1＝h″_H1＝h_H1，联立式(2)及式(3)，得支管2入口处高温高压汽水两相流工质的质量流量G_H及焓值h_H1分别为：

根据支管2的入口处高温高压汽水两相流工质的压力及焓值计算支管2的入口处高温高压汽水两相流工质的流量及干度x＝x(p_H，h_H1)。

综上所述，本发明在对管内流动不施加额外扰动的前提下实现对并联管束内高温高压两相流体的相含率及分配特性的测量。

以上所述内容仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种并联管束内高温高压工质流量分配的测量方法，用于两相流换热系统中，其中，所述两相流换热系统包括并联管分配集箱(1)、并联管汇集集箱(3)、冷却水出口集箱(6)、套管(5)、冷却水入口集箱(4)及若干支管(2)，各支管(2)的一端与并联管分配集箱(1)的出口相连通，各支管(2)的另一端沿轴向穿过套管(5)后与并联管汇集集箱(3)的入口相连通，冷却水出口集箱(6)的出口与套管(5)的入水口相连通，冷却水入口集箱(4)与套管(5)的出水口相连通，冷却水出口集箱(6)的出口处设置有截止阀(8)，套管(5)的外壁上设置有保温层(7)，其特征在于，包括以下步骤：

1)测量套管(5)入水口处冷却水的温度T_C1及压力p_C1，再根据套管(5)入水口处冷却水的温度T_C1及压力p_C1确定套管(5)入水口处冷却水的焓值h_C1＝h(p_C1，T_C1)；

测量套管(5)出水口处冷却水的压力p_C2及温度T_C2，再根据套管(5)出水口处冷却水的压力p_C2及温度T_C2确定套管(5)出水口处冷却水的焓值h_C2＝h(p_C2，T_C2)；

测量套管(5)入水口处冷却水的质量流速G_C，得套管(5)中冷却水的换热功率Q_C＝G_CA_C(h_C2-h_C1)，其中，A_C为冷却水侧管道截面积；

设支管(2)入口处高温高压汽水两相流工质的焓值为h_H1；获取支管(2)出口处的压力p_H2及水温T_H2，再根据支管(2)出口处的压力p_H2及水温T_H2确定支管(2)出口处工质的焓值h_H2＝h(p_H2，T_H2)，设支管(2)入口处内高温高压汽水两相流工质的质量流量为G_H，得支管(2)内高温高压汽水两相流工质的换热功率Q_H＝G_HA_H(h_H1-h_H2)，其中，A_H为高温高压汽水两相流工质侧管道截面积；

建立当前套管(5)内冷却水流量下的热平衡方程；

2)改变套管(5)内冷却水的流量，再重复步骤1)；

3)根据建立的两次套管(5)内冷却水流量下的热平衡方程，求解支管(2)入口处高温高压汽水两相流工质的质量流量G_H及焓值h_H1。

2.根据权利要求1所述的并联管束内高温高压工质流量分配的测量方法，其特征在于，还包括：根据支管(2)入口处高温高压汽水两相流工质的压力p_H及焓值h_H1计算支管(2)入口处的流体干度x＝x(p_H，h_H1)。

3.根据权利要求1所述的并联管束内高温高压工质流量分配的测量方法，其特征在于，步骤1)中的热平衡方程为：

G_CA_C(h_C2-h_C1)＝kG_HA_H(h_H1-h_H2) (1)

其中，k为考虑实验误差因素影响的引入热平衡系数，k通过标定获得。

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