CN1690700A - 能恒混合式水蒸气干度的测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能恒混合式水蒸汽干度的测量方法及装置，用于测量水蒸汽干度。本发明的技术特征在于：将待测干度的水蒸汽与冷却水分别引入绝热混合器内混合，使水蒸汽降温、形成从气相变为液相的未饱和水流出绝热混合器。通过测量入口冷却水的流量、温度和压力，测量入口待测干度的水蒸汽温度，测量出口未饱和水的流量、温度和压力，依据能量守恒和质量守恒原理来确定待测的水蒸汽干度。本发明弥补了现有凝结法测量水蒸汽干度的技术缺陷，具有测量准确度很高、水蒸汽干度测量范围宽、测量装置体积小、造价低、实用性强的优点。

Description

能恒混合式水蒸气干度的测量方法及装置

所属技术领域：

本发明涉及一种能恒混合式水蒸气干度的测量方法及装置，用于测量水蒸汽干度。

背景技术：

水蒸气干度是水蒸气的重要品质参数，含有气相水蒸汽和液相水的混合物流体称作湿水蒸汽，也叫作饱和蒸汽，其中气相水蒸汽的质量与水蒸汽质量的比被定义为水蒸气的干度。在用于石油开采过程的热力采油技术，向油层注入的高温水蒸汽干度对采油的经济性有着重要的影响。在蒸汽轮机的末端几级叶片，水蒸气干度对蒸汽轮机的叶片寿命和蒸汽轮机的效率影响也很大。在化工、食品加工、制药等工业中，水蒸气干度同样是不可忽视的重要因素，而且需要连续地检测与控制水蒸汽干度。

目前测量水蒸气干度的方法：一类为光学探针法、电导探针法、电容法、热线法等。这类方法的局限性主要包括以下两个方面：首先，在工程的实际应用中，由于是气液两相的混合物，其物理特性在时间和空间上都存在着不均匀性；其次，气液两相流的截面含气率与容积含气率并不相等，他们之间的差异取决于气液间的滑动比。而滑动比却是一个未知数，它的大小与两相流量、含气率、工质物性等许多因素有关，因而影响了测量的准确性和适用范围(叶强、陈听宽、罗梳珊，利用双节流元件测量两相流干度，热能动力工程，第16卷第3期，2001年)。另外，按照这类方法所制造的仪器，一般来说，造价较高、受使用场合限制较多，测量精度和使用寿命都不是十分理想。

另一类水蒸气干度的测量方法是热力学方法，主要有节流法、凝结法、蒸汽空气混合法、加热法等。这类方法均属于抽汽取样法，其特点是需要从待测干度的水蒸汽中抽取部分试样，然后引向测量装置。节流法是将抽取的水蒸汽试样节流到较低的压力，使节流后的蒸汽处于过热状态，根据绝热节流前后焓值不变条件，求出水蒸汽的干度。但由于节流后，压力低限的限制以及为保证节流后的蒸汽为过热状态，节流法不适宜用来测量低压水蒸气干度，并对水蒸气干度的测量范围有一定的限制。蒸汽空气混合法是将抽取的水蒸汽试样在混合室中与外界引入的干空气在绝热条件下混合，并保证混合后的空气中水分含量尚未达到饱和状态，由质量守恒及能量守恒原理，求出水蒸气的干度。虽然蒸汽空气混合法，无需对抽取的水蒸汽试样流量和热空气流量进行测量，使测量装置得到了简化，但为了保证混合室出口处空气中的水分含量未达到饱和，必须送入大量的热空气，这限制了该方法的实际应用场合。加热法是将抽取的水蒸汽试样加热到干饱和状态或过热状态，测量出水蒸汽试样的质量、所加入的热量以及加热前后的试样热力参数的变化，计算出水蒸汽的干度。由于加热法需要测量水蒸汽试样的流量，而水蒸汽属于气体，气体流量仪表的精度要低于同类液体流量仪表的精度，所以自然影响了测量的精度。

凝结法是将抽取的水蒸汽试样在冷凝器中凝结成水，根据冷凝器中的冷却水所吸收的蒸汽凝结热量来计算出水蒸汽的干度。在工程应用中，凝结法应是一种测量水蒸汽干度的实用和较好的方法。如中国发明专利申请01118995.9所公开的一种蒸汽干度自动测量和控制方法及装置，就是一个具有工程实用性和测量精度都较好的方法，该测量方法为：

(1)测量待测干度的水蒸汽温度，由热力学表查得该温度下的饱和水的比焓h′、汽化潜热r和饱和水的比热C；

(2)将待测干度的水蒸汽引入管壳式换热器中，蒸汽走管程，冷却水走壳程，测量冷却水进换热器前的流量L₁和温度T₁，测量冷却水出换热器的温度T₂，蒸汽出换热器后的温度T₃和流量L₂；

(3)用公式h_X＝[L₁·C·(T₂-T₁)+L₂·C·T₃]/L₂和公式X＝(h_x-h′)/r计算出待测干度的水蒸汽干度X；

(4)冷却水出换热器的温度t₂控制在不超过70℃。

(5)蒸汽出换热器后的温度t₃控制在不小于60℃。

这种蒸汽干度自动测量和控制方法及装置，存在着以下技术上的缺陷，具体表现为：

[1]测量装置过大，不易保证该装置与外界环境的绝热效果

该测量方法是依据流体通过管壳式换热器进行绝热冷凝的质量守恒与能量守恒原理形成的。由于管壳式换热器属于间壁式换热器，待测干度的水蒸汽与冷却水进行非混合的换热，并使水蒸汽的温度降低、发生相变而冷却为未饱和水，就需要换热器有较大的体积。在工程上实现较大体积的换热器具有充分的保温以达到绝热效果是较为困难的。

[2]确定水蒸汽干度的计算公式不准确或有误

在计算水蒸汽干度的公式中，涉及到饱和水的比热C。由于饱和水或者未饱和水的比热不仅与温度有关，而且还与压力有关，只不过温度对比热的影响程度要大于压力。但是，由于T₁、T₂和T₃完全不相等，更不用说还有所对应点的压力也不相同，因此，公式h_X＝[L₁·C·(T₂-T₁)+L₂·C·T₃]/L₂中所出现的两个比热C应该是完全不同的，也就是说该公式是错误的。正确的公式应当是这样的，即 $h_X=[L_1\·{\stackrel{\‾}{C}}_{1-2}\·(T_2-T_1)+L_2\·{\stackrel{\‾}{C}}_{0-3}\·T_3]/L_2,$ 其中 为温度在T₁与T₂之间的未饱和水的平均比热，

为温度在0℃(基准温度)与T₃之间的未饱和水的平均比热。例如，作为压力为15MPa的待测干度的水蒸汽，通过换热器冷凝后，温度T₃为70℃，那么压力为15MPa温度从70℃到0℃之间的未饱和水平均比热

是5.29kJ/(kg·℃)，而作为冷却水，在压力0.5MPa下通过换热器后温度T₁从20℃提高到温度T2为70℃，则压力0.5MPa下温度20℃到70℃之间的未饱和水平均比热 是4.18kJ/(kg·℃)。由此可见，两者之间的相对误差为2·(5.29-4.18)/(5.29+4.18)＝23％，显然，比热C的取值是重要的，它直接关系到测量水蒸汽干度的精度。

[3]未突出影响测量精度的关键因素以及保证措施

用公式h_X＝[L₁·C·(T₂-T₁)+L₂·C·T₃]/L₂和X＝(h_X-h′)/r计算出待测干度的水蒸汽干度X，其测量精度主要依赖于冷却水进换热器前的流量L₁和蒸汽出换热器后的流量L₂，这一关键因素并没有给予强调。如果流量L₁和流量L₂的测量精度不高，将导致由这一方法所测量的水蒸汽干度误差较大。

[4]未突出实现测量装置准确测量的必要条件以及实现措施

由该方法所提出的测量装置必须与外界环境有充分的保温以达到绝热的效果，否则将导致由这一方法所测量的水蒸汽干度误差较大，对这一实现测量装置准确测量的必要条件也没有给予强调。

[5]工程实用性受到测量装置造价的影响

当待测干度的水蒸汽压力较高时，如压力为15MPa，则该方法所涉及的管壳式换热器就需要耐高压，而耐高压的管壳式换热器造价较大，这将导致由该方法所提出的测量装置造价较大而影响在工程上的应用。

发明内容：

为避免现有技术中的不足之处，本发明提出了一种能恒混合式水蒸汽干度的测量方法及装置，可以弥补现有凝结法测量水蒸汽干度的技术缺陷，具有测量准确度很高、水蒸汽干度测量范围宽、测量装置体积小、造价低、实用性强的优点。

本发明的技术特征在于：将待测干度的水蒸汽与冷却水分别引入绝热混合器内混合，使水蒸汽降温、形成从气相变为液相的未饱和水流出绝热混合器。通过测量入口冷却水的流量、温度和压力，测量入口待测干度的水蒸汽温度，测量出口未饱和水的流量、温度和压力，依据能量守恒和质量守恒原理来确定待测的水蒸汽干度X为：

$X=\frac{G_1\·(C_{0-3}\·T_3-C_{0-1}\·T_1)+G_2\·(C_{0-2}\·T_2-C_{0-3}\·T_3)}{(G_2-G_1)\·r}$

其中：G₁、T₁和P₁为进入绝热混合器的冷却水流量、温度和压力，T₃为进入绝热混合器的待测干度的水蒸汽温度，G₂、T₂和P₂为离开绝热混合器的未饱和水的流量、温度和压力，C_0-1为T₁、P₁与0℃之间的平均比热，C_0-2为T₂、P₂与0℃之间的平均比热，C_0-3为T₃与0℃之间的平均比热，r为温度T₃下的汽化潜热。

C_0-1、C_0-2、C_0-3和r的取得，可以查水与水蒸汽热物性图表中的液态区域，或通过水与水蒸汽热物性模型计算出C_0-1、C_0-2、C_0-3和r。

一种实现权利要求1所述的能恒混合式水蒸汽干度的测量方法的装置，其特征在于：待测干度的水蒸汽入口管道与绝热混合器相连，在待测干度的水蒸汽入口管道上，前部安装了温度表T₃、中部安装了节流调节阀F₂、后部安装压力表P₃；冷却水入口管道与绝热混合器相连，在冷却水入口管道上，前部安装了液体流量表G₁、压力表P₁和温度表T₁、后部安装了节流调节阀F₁；未饱和水出口管道与绝热混合器相连，在未饱和水出口管道上，安装了温度表T₂、压力表P₂和液体流量表G₂。

所述的绝热混合器是一个圆形容器或其它形状的容器，内部设置了一个水蒸汽混流器和两个折流板，水蒸汽混流器的上部与待测干度的水蒸汽入口管道相接，而下部封闭，在水蒸汽混流器外壁上开有多排水蒸汽出流孔。

安装在待测干度的水蒸汽入口管道上的节流阀F₂，其功能是调节待测干度的水蒸汽流量G₃和压力P₃，使流量G₃在保证测量精度的条件下尽可能的小，并满足压力关系P₃＜P₁。

在冷却水入口管道上的节流阀F₁，其功能是调节冷却水入口流量G₁，使流量G₁在保证测量精度的条件下尽可能的小，并使未饱和水出口温度T₂小于压力P₂下的饱和温度。冷却水入口管道上的入水以及未饱和水出水管道上的出水均为未饱和水，并且在待测干度的水蒸汽温度T₃、未饱和水温度T₂和冷却水温度T₁之间，具有T₃＞T₂＞T₁的关系。

所述的测量冷却水的液体流量表G₁和测量未饱和水的液体流量表G₂，为了保证获得较高的测量水蒸汽干度的精度，应采用高精度的流量表，同时应调整流量G₁和G₂，使1.03＜G₂/G₁＜1.20。

各测量仪表与数据处理计算机之间建立通讯连接，并由该计算机完成数据处理并确定待测的水蒸汽干度。

在待测干度的水蒸汽入口管道、冷却水入口管道、未饱和水出口管道、两个节流阀和绝热混合器的外壁面上均铺设保温材料。

本发明提出的测量方法和测量装置，弥补了现有凝结法测量水蒸汽干度的技术缺陷(即测量装置较大，不易保证该装置与外界环境的绝热效果；确定水蒸汽干度的计算公式不准确或有误；未突出影响测量精度的关键因素以及保证措施；未突出实现测量装置准确测量的必要条件以及实现措施；工程实用性受到测量装置造价的影响)。本发明所提出的能恒混合式水蒸汽干度的测量方法及装置，具有测量准确度很高、水蒸汽干度测量范围宽、测量装置体积小、造价低、实用性强的优点。

附图说明：

图1：能恒混合式水蒸汽干度的测量装置

图2：绝热混合器

具体实施方式：

现结合附图对本发明作进一步描述：

能恒混合式水蒸汽干度的测量方法及装置的实施例：如图1所示，取出能恒混合式水蒸汽干度的测量装置(以下简称装置)，先将装置的节流调节阀F₁和节流调节阀F₂关闭，然后将装置的水蒸汽入口管道插入并安装在待测干度的水蒸汽管道上，将装置的冷却水入口管道与当地的冷却水源相接，将装置的未饱和水出水管道与当地的蓄水池管道相接。

较小地开启节流调节阀F₁的开度使冷却水通过装置，然后稍许开启节流调节阀F₂的开度使待测干度的水蒸汽进入装置。

观察装置上的压力表P₁、压力表P₃、流量表G₁和流量表G₂，或者观察数据处理计算机上的数据处理显示，缓慢地调整节流调节阀F₁和节流调节阀F₂的开度，使满足压力关系P₃＜P₁、满足流量关系1.03＜G₂/G₁＜1.20。

观察数据处理计算机上的数据处理显示，使进入装置的冷却水和离开装置的未饱和水均处在未饱和状态。

此时，装置安装并调节完毕。温度表T₃、压力表P₃、液体流量表G₁、压力表P₁、温度表T₁、温度表T₂、压力表P₂和液体流量表G₂将测量到的参数通过网络连线传输到数据处理计算机，该计算机按照所存储的水与水蒸汽热物性图表或者水与水蒸汽热物性模型，确定T₁、P₁与0℃之间的平均比热C_0-1，T₂、P₂与0℃之间的平均比热C_0-2，T₃与0℃之间的平均比热C_0-3，以及温度T₃下的汽化潜热r，由公式

$X=\frac{G_1\·(C_{0-3}\·T_3-C_{0-1}\·T_1)+G_2\·(C_{0-2}\·T_2-C_{0-3}\·T_3)}{(G_2-G_1)\·r}$

确定出待测的水蒸汽干度，在该计算机上显示和记录，并连续实时地工作。该计算机始终对传输到的参数作判断，当出现P₃＞P₁的情况，或者出现不满足流量关系1.03＜G₂/G₁＜1.20的情况，或者出现进入装置的冷却水或离开装置的未饱和水不处在未饱和状态，此时，该计算机就报警，并指示需要对节流调节阀F₁和节流调节阀F₂的开度进行人工调整。

Claims (9)

1、一种能恒混合式水蒸汽干度的测量方法，其特征在于：将待测干度的水蒸汽与冷却水分别引入绝热混合器内混合，形成从气相变为液相的未饱和水流出绝热混合器，待测的水蒸汽干度X为：

$X=\frac{G_1\·(C_{0-3}\·T_3-C_{0-1}\·T_1)+G_2\·(C_{0-2}\·T_2-C_{0-3}\·T_3)}{(G_2-G_1)\·r}$

其中：G₁、T₁和P₁为进入绝热混合器的冷却水流量、温度和压力，T₃为进入绝热混合器的待测干度的水蒸汽温度，G₂、T₂和P₂为离开绝热混合器的未饱和水的流量、温度和压力，C_0-1为T₁、P₁与0℃之间的平均比热，C_0-2为T₂、P₂与0℃之间的平均比热，C_0-3为T₃与0℃之间的平均比热，r为温度T₃下的汽化潜热。

2、根据权利要求1所述的能恒混合式水蒸汽干度的测量方法，其特征在于：可以通过水与水蒸汽热物性模型计算出C_0-1、C_0-2、C_0-3和r。

3、一种实现权利要求1所述的能恒混合式水蒸汽干度的测量方法的装置，其特征在于：待测干度的水蒸汽入口管道与绝热混合器相连，在待测干度的水蒸汽入口管道上，前部安装了温度表T₃、中部安装了节流调节阀F₂、后部安装压力表P₃；冷却水入口管道与绝热混合器相连，在冷却水入口管道上，前部安装了液体流量表G₁、压力表P₁和温度表P₁、后部安装了节流调节阀F₁；未饱和水出口管道与绝热混合器相连，在未饱和水出口管道上，安装了温度表T₂、压力表P₂和液体流量表G₂。

4、根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述的绝热混合器是一个圆形容器或其它形状的容器，内部设置了一个水蒸汽混流器和两个折流板，水蒸汽混流器的上部与待测干度的水蒸汽入口管道相接，而下部封闭，在水蒸汽混流器外壁上开有多排水蒸汽出流孔。

5、根据权利要求3所述的装置，其特征在于：调节节流阀F₂，使流量G₃在保证测量精度的条件下尽可能的小，并满足压力关系P₃＜P₁。

6、根据权利要求3所述的装置，其特征在于：调节节流阀F₁，使流量G₁在保证测量精度的条件下尽可能的小，并使未饱和水出口温度T₂小于压力P₂下的饱和温度，并且在待测干度的水蒸汽温度T₃、未饱和水温度T₂和冷却水温度T₁之间，具有T₃＞T₂＞T₁的关系。

7、根据权利要求3所述的装置，其特征在于：调节测量冷却水的液体流量表G₁和测量未饱和水的液体流量表G₂，使1.03＜G₂/G₁＜1.20。

8、根据权利要求3所述的装置，其特征在于：各测量仪表与数据处理计算机之间建立通讯连接，并由该计算机完成数据处理并确定待测的水蒸汽干度。

9、根据权利要求3所述的装置，其特征在于：在待测干度的水蒸汽入口管道、冷却水入口管道、未饱和水出口管道、两个节流阀和绝热混合器的外壁面上均铺设保温材料。

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