CN216847573U - 一种湿蒸汽干度的自反馈在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种湿蒸汽干度的自反馈在线监测系统，包括电加热干度测量探针，在绝热绝缘测量探针外管中心轴线里套装的一体化均匀加热的电加热棒，所述绝热绝缘测量管道分为前段的蒸发段和后段的过热段，所述电加热棒和蒸发段的换热面用于将湿饱和蒸汽加热到过热饱和蒸汽，电加热棒和过热段的换热面用于进一步加热过热饱和蒸汽，所述电加热棒通过电缆连接控制系统，控制系统用于根据反馈信号实时调节加热功率。本实用新型提高了湿饱和蒸汽干度在线监测系统可靠性、实时性和经济性。

Description

一种湿蒸汽干度的自反馈在线监测系统

技术领域

本实用新型属于能源动力行业的热工仪表技术领域，具体涉及一种湿蒸汽干度的自反馈在线监测系统。

背景技术

湿饱和蒸汽(一般蒸汽中同时含有处于动态平衡饱和水和饱和蒸汽)是能源动力行业常用到的一种工质，湿饱和蒸汽干度(蒸汽在湿饱和蒸汽中的含量)是表征湿饱和蒸汽物性的重要参数，因此需要测点仪器对湿饱和蒸汽干度进行简单准确的测量。目前，湿饱和蒸汽干度测量方法主要有热力学法、非热力学法和数学模型法，其中热力学法具体有节流法、混合法、加热法、相分离法、凝结法等，非热力学法具体有放射法、微波法、光学法和化学法等。非热力学法对现场的仪器配置和测量条件要求很高，数学模型法间接确定排汽焓的方法计算过程复杂繁琐，相比之下热力学法具有测量原理简单、测量准确度高、使用方便等优点。其中加热法是一种适合于实际透平中流动湿蒸汽湿度的测量法，最典型的定压加热法蒸汽湿度探针是英国中央电业研究实验室(CERL)研制的，采用由内管和外管组成的套管式工作段，在套管夹层中抽真空从而在计算时可忽略散热。其需要测量湿饱和蒸汽流量和温度参数，这使得测量系统复杂和测量误差增大。基于此探针的双区加热法将加热段分为蒸发段和过热段独立加热，该原理设计的测湿探针结构简单，用过热段直接作为流量测量系统。

但是还存在缺点：1)不论是传统的电阻丝缠绕外套管的方法，还是内管内置加热元件，不可能保证单位内管长度加热功率一致，传统模型为了计算整个内管长度上湿蒸汽的实际或虚拟汽化长度，需要连续布置至少十几个温度传感器，大大增加了测量成本和维修成本，不经济；2)因为其加热探针长度裕量长，其计算方法考虑了饱和蒸汽和饱和水的比容变化和流速度损失而相对增加了计算成本；3)且其加热元件(电热丝)阻扰了湿饱和蒸汽流道中的汽流流动和动能取样，过热饱和蒸汽倒流的问题存在；4)并且如果加热元件温度根据计算预设得过高，将导致辐射散热损失增大到不可忽略程度；5)还有实际工业中湿饱和蒸汽工质的热力参数波动很大，不可能依靠复杂数学模型在耗时长的情况下保障数据的准确可靠。

因此，湿饱和蒸汽干度的加热法监测装置需要改进，实时计算模型需要简化并引入自反馈控制处理方法，在能源动力应用中需要对高低流速蒸汽的两种监测系统，并且在线监测系统需要提高可靠性和实用性。

发明内容

为了克服以上技术问题，本实用新型提供了一种湿蒸汽干度的自反馈在线监测装置、系统及方法，能够提高湿饱和蒸汽干度在线监测系统可靠性、实时性和经济性。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种湿蒸汽电加热干度测量仪及自反馈在线监测系统，包括绝热绝缘测量探针外管1，在测量探针外管1中心轴线里套装的一体化均匀加热电加热棒4，所述测量探针外管1和电加热棒4之间的空间为排汽流通段，分为前段的蒸发段2和后段的过热段3，所述电加热棒 4于蒸发段2的换热用于将湿饱和蒸汽加热到过热饱和蒸汽，电加热棒4于过热段3的换热用于进一步加热过热饱和蒸汽，所述电加热棒 4通过电缆连接控制系统10，控制系统10用于根据反馈信号实时调节加热功率。

所述绝热绝缘测量探针外管1为外表面包覆硅酸铝绝热材料的陶瓷绝热绝缘管，电加热棒4外表面是陶瓷材料。

所述蒸发段2和过热段3连接处布置逆止阀5，防止过热饱和蒸汽倒流，在探针外管1出口布置调节阀6，用于调节湿饱和蒸汽流量，所述探针外管1入口布置有压力测点7，在逆止阀5前布置有压力和温度测点一8，调节阀6前布置有压力和温度测点二9，同时电加热棒4自身有电功率测点用于反馈调节。

所述的蒸发段2和过热段3管长相同。

一种湿蒸汽干度的自反馈在线监测系统的调节方法，包括以下步骤；

1)电加热干度测量仪的调节阀6可以根据被测量蒸汽的压力(取自压力测点7)进行调节所抽取输入探针的流量，压力越高的蒸汽，抽取流量应尽量小。

2)根据水蒸汽的温焓表，如果压力和温度测点一8测量计算得的过热饱和蒸汽的焓h_heat低于水蒸气饱和线，也就是说程序将会根据输入的温度和压力报错出工质不满足过热饱和蒸汽的条件，此时控制系统10将根据自反馈逐渐提高电加热棒4加热功率，直到保证测量的过热饱和蒸汽的焓h_heat高于饱和状态的焓值，最终经过几次迭代得到新的蒸发段加热功率W_heat和过热段加热功率W_superheat，此过程中的测量数据不计入实时数据库；

3)根据一般的汽轮机运行工况范围内探针蒸发段的流动总压降，加以考虑电加热棒4功率调节系统的误差，过热饱和蒸汽加热段3前后蒸汽温度差值(取自压力和温度测点一8和压力和温度测点二9)需要大于10℃，根据水蒸汽的温焓计算程式，如果t_superheat和t_heat的差值小于10℃，此时控制系统10将根据自反馈逐渐提高电加热棒4加热功率，测量的电加热棒4过热段加热后的过热饱和蒸汽温度t_superheat比湿饱和蒸汽蒸发后的过热饱和蒸汽温度t_heat高10℃以上，以保证过热段的热平衡计算准确有效，经过几次迭代后得到新的电加热棒4功率；

4)如果测量得的过热饱和蒸汽的焓h_heat高出于水蒸气饱和线 200kj/kg，同时t_superheat和t_heat的差值大于20℃，控制系统10将在不违反以上1)和2)所要求的湿蒸汽在蒸发段2完全蒸发、在加热段 3温度升高至少10℃的条件下，根据自反馈逐渐降低电加热棒4加热功率，避免加热功率过高而引入辐射散热导致的测量误差；

5)由于更新电加热棒4功率的自反馈值导致数据滞后，现有的常规温度压力测点可以实现每秒钟实时计算一次湿饱和蒸汽的干度，本实用新型的监测方法要求每10秒更新一次能够保障计算结果的电加热棒4功率的自反馈值，也就是说每10秒钟实时计算一次湿饱和蒸汽的干度，由于实时采集的数据存在波动，还需对实时计算得到湿饱和蒸汽的干度进行平滑甚至二次平滑处理，得到湿饱和蒸汽干度的移动平均值：

n的值满足时间2分钟以上，则n≥12；m的值满足时间10分钟以上，则m≥5。

本实用新型的有益效果：

1)本实用新型提出的监测装置将使用表面光滑且保用功率稳定的电加热棒直接置于湿饱和蒸汽流道的中轴线上，套管外侧包裹防止辐射散热的隔热材料，这种一体化加热装置加装保温外管的结构简单有效成本低。一体化电加热棒不需要对蒸发段和过热段的电功率进行分别的调节，电加热棒局部单位长度的电功率不均匀不影响计算和测量，大大增加了鲁棒性和实用性。

2)本实用新型提出的监测方法通过高精度测点大量采集得到湿饱和蒸汽热力参数数据，作为负反馈来实时调节电加热棒的功率，保证了湿饱和蒸汽的实际汽化长度足够蒸发饱和水，过热长度足够加热过热蒸汽到更高参数，同时，汽化长度和过热长度不会过长导致加热功率和温度过高，避免引入散热损失和测量误差。

3)本实用新型计算方法可直接对蒸发段和过热段的功率进行实时更新和计算，从数学模型上忽略掉许多不必要的变量，比如不用分别计算蒸发段加热功率和过热段加热功率，不用计算汽化长度和工质比容，据此推导出的干度计算公式原理简单，紧凑化了测量装置且提高了探针的可靠性。

4)本发明因为可以依靠高精度电功率加热棒准确地调节加热功率，保障了当工质热力参数波动大的情况下的湿饱和蒸汽干度的测量精度，可以实现对工业锅炉工质和汽轮机排汽的长期在线监测。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型实施例1示意图。

图3为本实用新型实施例2示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示：一种湿蒸汽干度的自反馈在线监测系统，包括绝热绝缘测量探针外管1和中心轴线里套装的一体化均匀加热的电加热棒4，所述测量探针外管1分为前段的蒸发段2和后段的过热段3，所述电加热棒4于蒸发段2的换热用于将湿饱和蒸汽加热到过热饱和蒸汽，电加热棒4于过热段3的换热用于进一步加热过热饱和蒸汽，所述电加热棒4通过电缆连接控制系统10，控制系统10用于根据反馈信号实时调节加热功率。

所述绝热绝缘测量探针外管1为外表面包覆硅酸铝绝热材料的陶瓷，电加热棒4外表面是陶瓷材料。

所述蒸发段2和过热段3连接处布置逆止阀5，防止过热饱和蒸汽倒流，在绝热绝缘测量探针外管1出口布置调节阀6，用于调节湿饱和蒸汽流量，所述测量探针外管1入口布置有压力测点7，在逆止阀5前布置有压力和温度测点一8，调节阀6前布置有压力和温度测点二9，同时电加热棒4设有有电功率测点用于反馈调节。

所述的蒸发段2和过热段3管长相同。

本实用新型的具体实施步骤为：

步骤一

实时采集湿蒸汽电加热干度测量仪入口压力、出口压力和温度、蒸发段和过热段连接处的压力和温度、电加热棒的电功率。

步骤二

通过水和水蒸汽温焓表，得到湿饱和蒸汽的饱和蒸汽焓、饱和水焓、蒸发段加热后的过热饱和蒸汽焓、过热段再加热后的过热饱和蒸汽焓。

步骤三

根据得到的负反馈压力温度值，利用控制系统10随时调节和更新电加热器的功率，并实时计算湿饱和蒸汽干度x。

步骤四

对实时计算的湿饱和蒸汽干度进行平滑处理，得到一次平滑和二次平滑处理后的湿饱和蒸汽干度

和

本实用新型的技术原理为：

湿饱和蒸汽流过湿饱和蒸汽电加热棒4后被加热为过热饱和蒸汽，其能量平衡满足如下公式：

湿饱和蒸汽干度定义为所含水分的质量百分数：

h_wet＝xh_steam+(1-x)h_water

其中，x——湿饱和蒸汽干度，-；

h_wet——进入探针的湿饱和蒸汽焓，kJ/kg；

h_steam——湿饱和蒸汽的蒸汽焓，kJ/kg；

h_water——湿饱和蒸汽的饱和水焓，kJ/kg。

湿饱和蒸汽的饱和蒸汽焓和饱和水焓通过水蒸汽的温焓表计算得到：

h_steam＝F(p_wet)，

h_water＝F(p_wet)

其中，p_wet——进入测量探针外管1的湿饱和蒸汽压力，Pa；

F()是IAPWS-IF97(The International Association for the Properties ofWater and Steam Industrial Formulation 1997)水/蒸汽物性开源计算模型的焓值计算函数。

因此蒸发段的热量平衡方程为：

W_heatη_heater＝M(h_heat-h_wet)

其中，W_heat——湿饱和蒸汽在蒸发段2的电加热棒4功率， kJ/s；

η_heater——湿饱和蒸汽电加热棒4效率，一般电加热器的效率一般达到0.99，可简化：η_heater≈1.0；

M——湿饱和蒸汽质量流量，kg/s；

h_heat——湿饱和蒸汽蒸发2后的过热饱和蒸汽焓，kJ/kg；

湿饱和蒸汽蒸发后的过热饱和蒸汽的焓通过水蒸汽的温焓表计算得到：

h_heat＝F(p_heat,t_heat)

其中，p_heat——湿饱和蒸汽蒸发后的过热饱和蒸汽压力，Pa；

t_heat——湿饱和蒸汽蒸发后的过热饱和蒸汽温度，℃；

然后，过热饱和蒸汽再经过管道的电加热棒4的过热段3被再加热，成为热力参数更高的过热饱和蒸汽。

过热段能量平衡满足如下公式：

W_superheatη_heater＝M(h_superheat-h_heat)

其中，W_superheat——过热饱和蒸汽在过热段3的电加热器功率， kJ/s；

h_superheat——电加热棒过热段3加热后的过热饱和蒸汽焓， kJ/kg；

过热饱和蒸汽加热器后的过热饱和蒸汽焓通过水蒸汽的温焓表计算得：

h_superheat＝F(p_superheat,t_superheat)

其中，p_superheat——电加热棒4过热段加热后的过热饱和蒸汽压力，Pa；

t_superheat——电加热棒4过热段加热后的过热饱和蒸汽温度，℃；

这样，可以通过以上公式推导得到湿饱和蒸汽的干度为：

x＝[h_heat-W_heat(h_superheat-h_heat)/W_superheat-h_water]/(h_steam-h_water)

因为电加热棒4的蒸发段2和过热段3管长相同，

W_heat＝W_superheat

干度公式简化为：

x＝[2h_heat-h_superheat-h_water]/(h_steam-h_water)。

本实用新型的具体实施的系统方案：

方案一

如图2所示，工业锅炉的主蒸汽管道流速快，温度压力参数值高，需要将主蒸汽管道12内湿饱和蒸汽以抽汽形式抽出流入电加热干度测量仪11(即附图1所示装置)。由于主蒸汽管道12带压，测量用的一小股湿饱和蒸汽通过连接管13入口A进入，通过电加热干度测量仪11后再经过连接管13出口B回到主蒸汽管道12。电加热干度测量仪11上的调节阀6需要调节进入绝热绝缘连接管13的湿饱和蒸汽流量到尽量小，同时调节湿饱和蒸汽蒸发段2和过热饱和蒸汽过热段3的输出功率，保证湿饱和蒸汽加热器2将热到过热饱和蒸汽。

方案二

如图3所示，发电机组汽轮机低压缸排汽管道14上装有抽汽装置，将一小股抽汽输入电加热干度测量仪11(即附图1所示装置)，再经连接管13和一般电厂设有的凝汽器真空泵16相连，保证凝汽器 15的负压，组成一套测量系统，见图3。电加热干度测量仪11上的调节阀6需要调节进入绝热绝缘连接管11的湿饱和蒸汽流量到尽量小，同时通过调节一体化电加热棒的加热功率，保证蒸发段2过热段 3的加热效果。由于湿饱和蒸汽流速很小，可以忽略湿饱和蒸汽流入电加热干度测量仪11的压力损失，在湿饱和蒸汽加热器前也不布置蒸汽压力测点，可直接取电厂已有的低压缸排汽压力。

Claims (4)

1.一种湿蒸汽干度的自反馈在线监测系统，其特征在于，包括绝热绝缘测量探针外管(1)，在绝热绝缘测量探针外管(1)中心轴线里套装的一体化均匀加热的电加热棒(4)，所述测量探针外管(1)和电加热棒(4)之间的空间为排汽流通段，分为前段的蒸发段(2)和后段的过热段(3)，所述电加热棒(4)和蒸发段(2)的换热面用于将湿饱和蒸汽加热到过热饱和蒸汽，电加热棒(4)和过热段(3)的换热面用于进一步加热过热饱和蒸汽，所述电加热棒(4)通过电缆连接控制系统(10)，控制系统(10)用于根据反馈信号实时调节加热功率。

2.根据权利要求1所述的一种湿蒸汽干度的自反馈在线监测系统，其特征在于，所述绝热绝缘测量探针外管(1)为外表面包覆硅酸铝绝热材料的陶瓷绝热绝缘管，电加热棒(4)外表面是陶瓷材料。

3.根据权利要求1所述的一种湿蒸汽干度的自反馈在线监测系统，其特征在于，所述蒸发段(2)和过热段(3)连接处布置逆止阀(5)，防止过热饱和蒸汽倒流，在绝热绝缘测量探针外管(1)出口布置调节阀(6)，用于调节湿饱和蒸汽流量，所述绝热绝缘测量探针外管(1)入口布置有压力测点(7)，在逆止阀(5)前布置有压力和温度测点一(8)，调节阀(6)前布置有压力和温度测点二(9)，同时电加热棒(4)设有有电功率测点用于反馈调节。

4.根据权利要求1所述的一种湿蒸汽干度的自反馈在线监测系统，其特征在于，所述的蒸发段(2)和过热段(3)管长相同。

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