CN110849966A - 用于确定多相流体流的相组分的方法和装置 - Google Patents

用于确定多相流体流的相组分的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于确定多相流体流的相组分的方法和装置。具体而言，本发明公开了一种确定流体管路中的多相流体流的相组分的方法，所述方法包括：使用振动传感器22来获取来自流体流的振动信号，所述振动传感器22包括设置于所述流体流中的靶，所述靶响应于流体管路中的流体流而振动。分析所述振动信号以确定在第一频带内的与所述振动信号的能量相关的第一能量参数和在第二频带内的与所述振动信号的能量相关的第二能量参数；并且使用所述第一和第二能量参数来确定与所述流体流的相组分相关的相组分参数(例如干度参数)。本发明还公开了一种用于确定流体管路中的多相流体流的相组分的装置。

Description

用于确定多相流体流的相组分的方法和装置
本申请是申请日为2013年9月13日，名称为“用于确定多相流体流的相组分的方法和装置”，申请号为201310618423.5的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及用于确定多相流体流的相组分的方法和装置，具体来说，但不排他地，涉及用于确定湿蒸汽(steam)的干度(dryness)的方法和装置。
背景技术
在工业过程中使用蒸汽作为加热媒介是非常普遍的。大多数过程与加热蒸汽系统使用饱和的湿蒸汽，该湿蒸汽是包含蒸汽作为第一相和冷凝物作为第二相的两相流体。
通常有必要知道湿蒸汽的干度或品质(quality)。蒸汽品质是流体即蒸气(vapour)的质量百分比，因此饱和蒸汽具有100％的蒸汽品质，而饱和液体具有0％的蒸汽品质。
一些工业过程对蒸汽品质有着特定的要求。例如，在消毒系统中蒸汽品质必须在95％-100％之间。在标准BS EN 285中陈述了这一点，该标准规定了主要用于卫生保健的大型蒸汽消毒器的要求和相关测试。目前，蒸汽品质一般使用节流量热法来测量。GB190612615中公开了使用节流量热计来测量蒸汽品质的装置和方法的示例。尽管节流量热法可用来成功地确定蒸汽品质，但过程耗时并且装置相对复杂。
因此期望能提供用于确定多相流体流的相组分的改进的方法和装置。
发明内容
本发明限定在所附独立权利要求中，现在对其进行参照。进一步地，可在其从属权利要求中找到优选的特征。
在宽泛的方面中，本发明涉及根据从流体流获取的一个或多个振动信号的特性来确定多相流体流(例如湿蒸汽)的相组分(其可以是干度)的方法和装置。
根据本发明的一方面，提供了一种确定流体管路中多相流体流的相组分(其可以是干度)的方法，该方法包括：使用振动传感器来获取来自流体流的振动信号，振动传感器包括设置于流体流中的靶(target)，靶响应于流体管路中的流体流而振动；分析振动信号以确定在第一频带内与振动信号的能量相关的第一能量参数和在第二频带内与振动信号的能量相关的第二能量参数；以及使用第一和第二能量参数来确定与流体流的相组分(其可以是干度)相关的相组分参数(其可以是干度参数)。可根据第一和第二能量参数来经验性地确定该相组分参数。
靶可以是膜片(diaphragm)。振动传感器可进一步包括用于将靶的振动转换为振动信号的电气转换器。该电气转换器可包括压电换能器。第一和/或第二频带可以是单个频率或一组频率(a range of frequencies)。第一和/或第二能量参数可以是根据振动信号而导出或确定的任何适合的参数并且其可联系在一起以得出流体流的相组分/干度。
在一些实施例中，但不必在全部实施例中，靶可以响应于流体流对靶的冲击而振动。靶可被配置为在一个或多个共振频率处共振。可分析振动信号以确定第一和/或第二能量参数，该第一和/或第二能量参数是振动信号的一个或多个共振频率的幅度。
可以在振动传感器的上游对流体流进行搅拌(mix)。这可以有助于确保管路中流动的流体是基本均匀的。
振动传感器可在时域中测量振动信号。分析振动信号可包括将振动信号从时域变换至频域。可使用快速傅里叶变换(FFT)将振动信号从时域变换至频域。
第一能量参数可取决于流速。这可以表示第一能量参数可以响应于流速的变化而变化。第二能量参数可取决于流速和流体流的相组分。换句话说，第二能量参数可以响应于流速的变化或流体流的相组分的变化而变化。
第一能量参数可以是在第一频带内的振动信号的总能量，而第二能量参数可以是在第二频带内的振动信号的总能量。总能量可通过累加具有特定频带的所有频率的幅度而确定。第一能量参数可以是在第一频带内的峰值频率的幅度，而第二能量参数可以是在第二频带内的峰值频率的幅度。在其他实施例中，第一和/或第二能量参数可以是在特定频带内的所有频率的平均幅度，或者可以是能够表征特定频带内振动信号能量的任何其他适合的值。
对于特定的装置，第一频带和/或第二频带可以是预先确定的或固定的。分析振动信号可以包括限定第一峰值频率附近的第一频带和/或限定第二峰值频率附近的第二频带。该方法可包括对第一和/或第二峰值频率进行检测。第一频带可包含第一峰值频率和/或第二频带可包含第二峰值频率。第一频带可比第二频带处于更低的频率。
该方法可进一步包括确定与流体流温度相关的温度参数。可通过使用第一能量参数、第二能量参数和温度参数来确定相组分和/或干度参数。该温度参数可以是实际的温度，或者可以是与温度相关的某些其他参数，例如压力。
确定相组分和/或干度参数可包括访问一数据库，该数据库包含将第一能量参数和第二能量参数与相组分参数相关联的数据。如果多相流体是湿蒸汽，则干度参数可表示为百分比形式，100％是饱和蒸气，0％是饱和液体。干度参数可被称为“蒸汽品质”。
该方法可进一步包括输出相组分和/或干度参数。输出相组分和/或干度参数可包括显示和/或发送相组分和/或干度参数。相组分和/或干度参数可被无线地发送。
流体流可以是蒸汽流，例如湿蒸汽。干度参数可被称为“蒸气品质”。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于确定流体管路中流动的多相流体流的相组分(其可以是干度)的装置，该装置包括：振动传感器，其包括被布置为设置在流体流中的靶，该靶响应于流体管路中的流体流而振动，以获取来自流体流的振动信号；振动信号分析单元，其用于分析振动信号以确定在第一频带内与振动信号的能量有关的第一能量参数和在第二频带内与振动信号的能量有关的第二能量参数；以及相组分确定单元(其可以是干度确定单元)，其用于使用第一和第二能量参数来确定与流体流的相组分(其可以是干度)相关的相组分参数(其可以是干度参数)。
该装置可进一步包括用于搅拌振动传感器上游的流体流的流体搅拌器。
振动传感器可被布置成在时域中测量振动信号。振动信号分析单元可被布置成将振动信号从时域变换至频域。振动信号分析单元可被布置成使用快速傅里叶变换将振动信号从时域变换至频域。
第一能量参数可取决于流速。第二能量参数可取决于流速和流体流的相组分。第一能量参数可以是在第一频带内的振动信号的总能量，而第二能量参数可以是在第二频带内的振动信号的总能量。第一能量参数可以是第一频带内峰值频率的幅度，而第二能量参数可以是第二频带内峰值频率的幅度。第一频带可以是预先确定的，且第二频带可以是预先确定的。振动信号分析单元可被布置成限定第一峰值频率附近的第一频带，且振动信号分析单元可被布置成限定第二峰值频率附近的第二频带。第一频带可包含第一峰值频率且第二频带可包含第二峰值频率。第一频带可比第二频带处于更低的频率。
该装置可进一步包括一数据库，该数据库包含将第一能量参数和第二能量参数与相组分参数相关联的数据。相组分和/或干度确定单元可被布置成访问该数据库，以便确定与流体流的相组分和/或干度相关的相组分和/或干度参数。
该装置可进一步包括用于输出相组分和/或干度参数的输出单元。输出单元可包括用于显示相组分和/或干度参数的显示器以及/或者用于发送相组分和/或干度参数的发送器。
该装置可被布置成确定蒸汽流的相组分和/或干度。
该装置可进一步包括一段在两端都具有连接器的管道，其中，靶设置在该管道内。流体搅拌器设置在该管道内靶的前方。连接器之间的距离可以是预定标准内的距离。
靶可以是膜片。在一些实施例中，靶可被布置成响应于流体流的冲击而共振。振动传感器可进一步包括用于将靶的振动转换为振动信号的电气转换器。该振动转换器可包括压电换能器。
本发明还涉及包括依照任何本文中陈述的装置的蒸汽系统。
除了互相排斥的这些特征的组合以外，本发明可以包括本文提及的特征和/或限制的任意组合。
附图说明
现在将参考附图且通过示例的方式对本发明的实施例进行描述，其中：
图1示意性地示出用于确定蒸汽管路中流动的湿蒸汽的干度的装置；
图2示意性地示出图1的振动传感器；
图3示意性地示出由振动传感器获取的时域中的振动信号；以及
图4示意性地示出由振动传感器获取的频域中的三个振动信号。
具体实施方式
图1总体地示出了用于确定在蒸汽管路中流动的湿蒸汽的相组分的装置10。在该特定的实施例中，装置10被布置成确定湿蒸汽的干度。装置10包括一段在两端具有连接法兰14和16的管道12。装置10进一步包括用于获取来自蒸汽流的振动信号的振动传感器22和位于上游的用于搅拌蒸汽流的流体搅拌器20。
振动传感器22设置在管道12内、沿着管道12的纵向的搅拌器20的下游并且在图2中更详细地示出。振动传感器22包括延伸到管道内的空心杆34和安装到杆34的末端的头部(head)36并且头部36与管道的轴线对齐。头部36包括主体37和基本上平面的、采用膜片形式的靶38。靶38面向蒸汽流并且位于垂直于蒸汽流方向的平面中。靶38被布置成响应于管道中的流体流而振动。压电换能器40安装在主体37内并且耦合至靶38，以便将靶38沿着轴线方向的振动转换为电气振动信号。信号线(未示出)连接到压电换能器40并且向下穿过空心杆34以延伸至管道12的外部。杆34和头部36由不锈钢制成，并且膜片靶38是薄的金属板。
在该实施例中，装置10是集成的单元，其可容易地安装于新的蒸汽装置中或可用于改造现有的蒸汽装置，通过将法兰14和16连接至蒸汽管路的相应连接法兰使得管道12形成为蒸汽管路12的部分。然而，应当理解，在其他实施例中所述装置可被提供为一组必须独立安装且接线在一起的单独部件。
在使用中，蒸汽管路内的流体流导致靶38在轴线方向上振动。如果流体是湿蒸汽，则流体流包含水滴和蒸气两者。通过实验已发现由靶38产生的电气振动信号包含主要与流速相关的特性和与蒸汽的干度和流速的组合相关的特性。因此，通过使用这些特性，装置10可用来确定蒸汽的干度。为了确保流体流在管道12的横截面积上基本上是均匀的，流体搅拌器20设置于管道12中、振动传感器22的上游。流体搅拌器20有助于确保没有冷凝物段塞(slug)在振动传感器22之下经过，不然这会导致装置确定一高于实际值的蒸汽干度值。
振动传感器22输出时域中的电气振动信号且这样的信号的图形表示在图3中示出。该振动信号输出至振动信号分析单元42。该分析单元42使用快速傅里叶变换(FFT)算法将振动信号从时域变换至频域。三个不同的振动信号在频域中的图形表示在图4中示出。所述三个不同的振动信号对应于具有不同蒸汽干度值的三个不同的蒸汽流。
从图4可以看出，靶38以第一峰值频率和第二峰值频率振动，所述第一峰值频率和所述第二峰值频率对所有三个干度值来说实质上是相同的。然而，振动信号的能量(即，第一和第二峰值频率的幅度)依赖于蒸汽干度值而变化。
在将振动信号变换至频域后，分析单元42确定在分别包含第一和第二峰值频率的两个预先限定的频带B1和B2内的振动信号的能量。通过实验已发现在第一频带B1内的振动信号仅是流速的特性，然而第二频带B2(其处于更高频率)内的振动信号是相组分和流速的特性。在第一频带B1和第二频带B2内的振动信号的能量是通过累加特定频带B1、B2内的所有个体频率的个体幅度而计算的。在该特定的实施例中，第一频带B1为0-4KHz，而第二频带B2为26-46KHz。然而，应当理解，可使用其他频率，因为频带可以取决于振动传感器的特定构造和作为总体的蒸汽装置的特定构造。第一频带B1内的振动信号的能量称为“第一能量参数E1”，而第二频带B2内的振动信号的能量称为“第二能量参数E2”。第一能量参数E1取决于蒸汽流的流速，而第二能量参数E2取决于蒸汽流的相组分或蒸汽干度值与蒸汽流的流速两者。
在该实施例中，第一频带B1和第二频带B2被限定为一组频率，但在其他的实施例中所述频带中的一个或两者可以是单个频率。然而，如果使用FFT来将振动信号从时域变换至频域，若频带中的一个或多个被限定为单个频率，则其将事实上对应于由FFT的分辨率限定的一组频率。对于特定的装置，频带中的一个或两者可以是固定的，因为峰值频率基本上与流速和干度无关。然而，如果装置改变则可能有必要改变频带中的一个或两者。在其他实施例中，分析单元42可识别第一峰值频率和/或第二峰值频率，并且限定第一峰值频率附近的第一频带B1和/或第二峰值频率附近的第二频带B2。
尽管已说明了第一能量参数E1和第二能量参数E2分别是在第一频带B1和第二频带B2内的振动信号的能量，第一和/或第二能量参数可以是与振动信号相关且彼此相关的任何适合的参数，以便获取表示蒸汽干度的值。在某些实施例中，第一和第二能量参数可使用不同方法进行计算。例如，第一能量参数可以是第一峰值频率的幅度，而第二能量参数可以是第二频带内的频率的平均幅度。当然，可使用任何其他适合的值。
由振动信号分析单元42确定的第一能量参数E1和第二能量参数E2被输出至干度确定单元44。干度确定单元44取得两个能量参数E1和E2并访问数据库46以便经验性地确定蒸汽的干度。数据库46包含一查找表，该查找表包含将一组第一能量参数E1和第二能量参数E2与蒸汽干度值相关联的参考或校准数据。所述参考或校准数据是通过实验而获得的数据。确定单元44根据查找表的数据确定蒸汽的干度值并在本地显示器48上显示该干度值。除此之外，使用无线发送器50经由无线连接将干度值发送至控制室。这使得可以远程地对蒸汽的干度进行监控。在一些实施例中，第一能量参数E1可转换为实际的流速且也输出在显示器上。可以根据第一能量参数E1而经验性地确定或计算流速。应当理解，查询表可以包含将一组流速和第二能量参数E2与蒸汽干度值相关联的数据。与确定和输出干度参数相反，可以确定并输出表示多相流的相组分的其他参数。
干度确定单元44还被配置为基于蒸汽干度值和流速来计算蒸汽流的质量流率，可根据第一能量参数E1来确定蒸汽干度值和流速。质量流率也可显示在显示器48上且可使用发送器50进行发送。
数据库46内包含的查找表是经验性地创建的。对于每个装置10可能有必要创建新的查找表。然而，有可能产生适合所有装置的通用查找表。为了创建查找表，一系列预定体积的水以一组流速被注入蒸汽管路中且针对每一个水体积/流速的组合记录下第一能量参数E1和第二能量参数E2。蒸汽品质(或干度)可根据已知的水体积而计算，并且因此可以通过该校准方法而创建提供各个第一能量参数E1和第二能量参数E2之间的相关性的查找表。
尽管靶38的峰值频率保持基本恒定而不管蒸汽干度如何，但如果例如水膜堆积在靶38的面上则峰值频率会发生细微的变化。进一步地，靶38的温度变化会引起其机械属性改变，这也会导致峰值频率的漂移。有可能根据一个或多个峰值频率中的一个或其组合来确定蒸汽的温度。
在一些布置中第一能量参数E1和第二能量E2有可能是温度的函数，也可能是流速以及干度和流速的函数。如果是这种情况的话，可提供温度传感器以测量蒸汽的温度。在这样的布置中，数据库46会包含将第一能量参数E1(或流速)、第二能量参数E2以及温度与干度参数相关联的“三维”查找表。作为使用温度传感器的替代，可使用压力传感器并根据其来计算(或估计)温度，或者可以根据峰值频率来确定温度(或压力)。
尽管已描述了可用于测量蒸汽干度的方法和装置，应当理解，所述方法和装置也适用于测量任何其他多相流体流的干度。

Claims (42)

1.一种确定流体管路中的多相流体流的干度的方法，包括：
使用振动传感器来获取来自所述流体流的振动信号，所述振动传感器包括设置于所述流体流中的靶，所述靶响应于所述流体管路中的流体流而振动；
分析所述振动信号以确定为第一频带内的所述振动信号的幅度的函数的第一能量参数和为第二频带内的所述振动信号的幅度的函数的第二能量参数；以及
使用所述第一能量参数和所述第二能量参数来确定与所述多相流体流的所述干度相关的干度参数。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括搅拌所述振动传感器上游的流体流。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述振动传感器测量时域中的所述振动信号。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，分析所述振动信号包括将所述振动信号从时域变换至频域。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，使用快速傅里叶变换(FFT)来将所述振动信号从时域变换至频域。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一能量参数取决于流速。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二能量参数取决于所述流体流的所述干度和所述流速。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一能量参数是在所述第一频带内的所述振动信号的总能量，和/或其中，所述第二能量参数是在所述第二频带内的所述振动信号的总能量。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一能量参数是在所述第一频带内的峰值频率的幅度，和/或其中，所述第二能量参数是在所述第二频带内的峰值频率的幅度。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一频带和/或所述第二频带是预先确定的。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，分析所述振动信号包括限定第一峰值频率附近的所述第一频带和/或限定第二峰值频率附近的所述第二频带。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一频带包含第一峰值频率，和/或其中，所述第二频带包含第二峰值频率。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一频带处于比所述第二频带低的频率。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，确定干度参数包括访问数据库，所述数据库包含将第一能量参数和第二能量参数与干度参数相关联的数据。
15.根据权利要求1所述的方法，进一步包括输出所述干度参数。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，输出所述干度参数包括显示和/或发送所述干度参数。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，所述流体流是蒸汽流。
18.根据权利要求1所述的方法，其中，每个能量参数选自由以下构成的组：
相应频带内的所述振动信号的共振频率的幅度；
通过将相应频带内的所有频率的幅度相加而确定的所述振动信号的总能量；
相应频带内的峰值频率的幅度；以及
频带内的所有频率的平均幅度。
19.一种用于确定流体管路中流动的多相流体流的干度的装置，包括：
振动传感器，其包括被布置为设置在所述流体流中的靶，所述靶响应于所述流体管路中的流体流而振动，以获取来自所述流体流的振动信号；
振动信号分析单元，其用于分析所述振动信号以确定为第一频带内的所述振动信号的幅度的函数的第一能量参数和为第二频带内的所述振动信号的幅度的函数的第二能量参数；以及
干度确定单元，其用于使用所述第一能量参数和所述第二能量参数来确定与所述流体流的所述干度相关的干度参数。
20.根据权利要求19所述的装置，进一步包括用于搅拌所述振动传感器上游的流体流的流体搅拌器。
21.根据权利要求19所述的装置，其中，所述振动传感器被布置成测量时域中的所述振动信号。
22.根据权利要求21所述的装置，其中，所述振动信号分析单元被布置成将所述振动信号从时域变换至频域。
23.根据权利要求22所述的装置，其中，所述振动信号分析单元被布置成使用快速傅里叶变换(FFT)将所述振动信号从时域变换至频域。
24.根据权利要求19所述的装置，其中，所述第一能量参数取决于流速。
25.根据权利要求19所述的装置，其中，所述第二能量参数取决于所述流体流的所述干度和所述流速。
26.根据权利要求19所述的装置，其中，所述第一能量参数是在所述第一频带内的所述振动信号的总能量，和/或其中，所述第二能量参数是在所述第二频带内的所述振动信号的总能量。
27.根据权利要求19所述的装置，其中，所述第一能量参数是在所述第一频带内的峰值频率的幅度，和/或其中，所述第二能量参数是在所述第二频带内的峰值频率的幅度。
28.根据权利要求19所述的装置，其中，所述第一频带是预先确定的，和/或其中，所述第二频带是预先确定的。
29.根据权利要求19所述的装置，其中，所述振动信号分析单元被布置成限定第一峰值频率附近的所述第一频带，和/或其中，所述振动信号分析单元被布置成限定第二峰值频率附近的所述第二频带。
30.根据权利要求19所述的装置，其中，所述第一频带包含第一峰值频率，和/或其中，所述第二频带包含第二峰值频率。
31.根据权利要求19所述的装置，其中，所述第一频带处于比所述第二频带低的频率。
32.根据权利要求19所述的装置，进一步包括数据库，所述数据库包含将第一能量参数和第二能量参数与干度参数相关联的数据；并且
其中，所述干度确定单元被布置成访问所述数据库，以便确定与所述流体流的所述干度相关的干度参数。
33.根据权利要求19所述的装置，进一步包括用于输出所述干度参数的输出单元。
34.根据权利要求19所述的装置，其中，所述输出单元包括用于显示所述干度参数的显示器和/或用于发送所述干度参数的发送器。
35.根据权利要求19所述的装置，其中，所述装置被布置成确定蒸汽流的所述干度。
36.根据权利要求19所述的装置，进一步包括一段在两端都具有连接器的管道，其中，所述靶设置在所述管道内。
37.根据权利要求36所述的装置，其中，进一步包括用于搅拌所述振动传感器上游的流体流的流体搅拌器，其中，所述搅拌器设置在所述靶的前方。
38.根据权利要求36所述的装置，其中，所述连接器之间的距离是预定标准内的距离。
39.根据权利要求19所述的装置，其中，所述振动传感器进一步包括用于将所述靶的振动转换为振动信号的电气转换器。
40.根据权利要求39所述的装置，其中，所述电气转换器包括压电换能器。
41.根据权利要求19所述的装置，其中，每个能量参数选自由以下构成的组：
相应频带内的所述振动信号的共振频率的幅度；
通过将相应频带内的所有频率的幅度相加而确定的所述振动信号的总能量；
相应频带内的峰值频率的幅度；以及
频带内的所有频率的平均幅度。
42.一种蒸汽系统，包括根据权利要求19所述的装置。
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