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蒸汽焓流量计量标准实验|DN50-DN80管线准确度

时间:2017/09/24来源:未知

摘要:工业蒸汽的热能计量需要解决干度测量和热能相关量值溯源等计量基础问题。 在本文中, 研究了焓流量计量标准蒸汽源。 阐述了蒸汽焓流量的计量方法, 基于热力学建立了蒸汽源焓流量与干度等参数量值确定的理论模型。 先容了焓流量计量标准实验装置的组成、对过热蒸汽加湿以获得湿蒸汽的设计方案和温度、压力、流量参数的测量方法。 本装置可在 DN50 和 DN80 管路提供 0.3~ 0.9 MPa 、7~ 70 m s 的过热蒸汽流和 0.85 ~ 1.00 干度的饱和蒸气流, 并能确定蒸汽源的干度、质量流量和体积流量、焓流量等量值, 焓流量、干度和流量稳定性分别优于 2 %、0.5%和 2 %, 扩展不确定度分别为 0.8 %、1%和 0.5%。 对实验装置性能和实验结果进行了讨论。 该装置可用于蒸汽热能计量仪表的模型研究和性能试验。

Abstract :The enthalpy flux measurement for industrial water steam has been facing the problems of the dryness fractionmeasurement and the relative quantities traceability.The steam calibration source of the enthalpy flux was studied.The generalmeasurement method for steam enthalpy flux was described.Based on thermodynamics the models for determination of drynessfraction, enthalpy flux , etc.were established.The composing of the enthalpy flux calibration source , the scheme for wetting thesuperheated steam and the means of temperature , pressure and flow rate measurements were presented.The facility with the DN50and DN80 pipes provides the saturated steam of the dryness fraction of 0.85 ~ 1.00 or superheated steam , are of 0.3~ 0.9 MPaand 7 ~ 70 m s respectively.The enthalpy flux , dryness fraction and mass flow of the steam can be obtained with the short -termstabilities less than 2%, 0.5 % and 2 % respectively and with the uncertainties of 0.8%, 1% and 0.5 % respectively.Thefacility performance and the experimental results were discussed.This facility can be utilized for the research and development ofsteam measuring instruments.
Key words:Metrology ;Steam;Enthalpy flux ;Heat ;Dryness fraction

1、引言:
  水蒸汽(以下简称蒸汽)是重要的二次能源 , 在工业和人民生活中应用量大面广。蒸汽应用是利用其所载之热能或其做功能力 ,而工业蒸汽应用主要是利用蒸汽热能。长期以来 ,我国在工业蒸汽的生产、输送、使用和损耗上以质量流量作结算单位。对主要以热能为利用目的的蒸汽利用在计量方案、检测手段和收费政策等方面不够合理。这些间接影响了供方提高产品质量和用方节能降耗的积极性 , 是我国蒸汽热能供应品质不高和单位耗能居高不下的重要原因之一。
 由于生产和输送环节的原因, 在我国的工业蒸汽应用中湿蒸汽占很大的比例。在以过热蒸汽质量流量计量系统为依据的贸易结算中 ,引发了大量矛盾和纠纷。
 蒸汽(含湿饱和蒸汽)热能计量涉及质量流量计量、干度测量。过热蒸汽的质量流量计量相对比较成熟。国内外对湿蒸汽的热能计量、干度测量、两相流计量与特性均做过相关研究[ 1  4] 。叶强等人对水蒸汽两相流干度计量[ 2] 以及流量计量[ 3] 进行了研究。此外 , 李海青对两相流的检测和应用做过研究[ 4] ,林宗虎对管路内的两相流特性做过深入的探讨[ 5] 。Chisholm 则对管束换热器内的两相流动做过研究[ 6] 。Murdock 则对两相流流经孔板节流件提出了基于分相流的半经验公式[ 7] , Chisholm 提出了 C 系数法[ 6] ,他们认为流速不高的两相流流经孔板时会有明显的相间滑动 , 因而更趋近于分相流模型。对于干度测量, 常见的方法有阻抗法、光纤探针、电导探针、热线、孔板差压噪声法[ 8 ,9] 、差压法[ 10] 和孔板压力损失法[ 5] 等。也有学者提出, 可以避开流量和干度的计量而直接测量蒸汽的热能[ 1  11] 。
  汽-液两相流动现象广泛存在于能源动力工业的许多领域。由于汽 -液两相流动固有的复杂性 , 其计量手段还很不成熟。通常采用的方法有 :
(1)常规流量计与干度仪(或密度计)组合。
(2)两个常规流量计组合 。比较有代表性的有:双孔板法[ 9] 、文丘利管和孔板组合法[ 12] 、节流元件与笛型管组合法[ 5] 、涡轮流量计与差压组合法[ 13] 、孔板与临界流量计组合法[ 14 , 15] 等。
(3)直接测量蒸汽的流量、干度和载热功[ 1 ~ 11]
 蒸汽热能与干度测量的溯源和相应计量标准是上述研究与测量的重要技术基础 ,这方面的研究鲜见报道。
 2005 年起 ,在过热蒸汽流量标准装置[ 16] 的基础上,中国计量科学研究院、博思达企业和中国石化天津分企业联合对可调干度蒸汽源计量标准进行了实验研究[ 17  19] 。在本文中,以蒸汽焓流量表示蒸汽流携带的热能;阐述了蒸汽焓流量的计量方法、蒸汽源焓流量与干度等参数量值建立的理论模型;先容了焓流量计量标准实验装置的组成、主要部分的结构与原理、实验装置的性能实验结果与焓流量的不确定度,并对实验装置和实验结果进行了讨论。
 
2、蒸汽焓流量模型:
2.1、蒸汽流测量模型:

 
蒸汽焓流量为:
 
qh  =h′(T , P)·q′m+h″(T , P)·q″m
 
=h′(T ,P)·qm ·(1 -x)+h″(T , P)·qm ·x
 
  (1)
qm =q′m+q″m (2)
x =qm (3)
qm  
其中, qh 为饱和蒸汽焓流量, h′和h″分别为饱和蒸汽液相和气相的比焓, T 和P 分别为饱和蒸汽温度和压力, qm 为饱和蒸汽质量流量, q′m和q″m分别为饱和蒸汽液相和气相的质量流量。 x 为饱和蒸汽的干度 ,是湿蒸汽的重要特征参数,也是反映蒸汽品质的参数之一。饱和蒸汽的温度 T 和压力 P 非独立状态参数 ,已知其中之一即可确定饱和蒸汽状态。
 水的液相和气相比焓或密度可根据国际水和水蒸汽性质协会 1997 年公布的水和水蒸汽性质工业公式[ 20] 确定。因此 , 通过测量获知 q′m、q″m、qm 与 x四者之二和T 、P 即可确定焓流量qh 。
 对于干蒸汽流 ,液相部分 q′m为零, 式(1 ~ 3)在形式上仍然适用, 焓流量可简化为
 
qh  =h″(T , P)·q″m (4)
 
质量流量 q″m也可通过测量体积流量q″v经换算得到
 
q″m=ρ″(T , P)·q″v (5)
 
上式中 , ρ″为蒸汽在温度T 和压力P 下的密度。
 
2.2、标准蒸汽源量值模型:
 焓流量测量仪表的模型和性能研究的重要计量基础之一是具备已知上述参数的标准实验蒸汽源。标准蒸汽源焓流量确定的热力学模型如图 1 所示。
图 1  标准蒸汽源焓流量确定的热力学模型
图 1  标准蒸汽源焓流量确定的热力学模型
  采用过热水蒸气流与加湿液相水流混合的方式获得稳定的水的汽-液两相流———湿蒸汽流, 并通
过足够长的管内流动使得湿蒸汽流中的汽、液两相 Tw 、Pw  、qmw 和混合蒸汽流参数 T 、P 、qm  后, 根据上
达到热平衡。根据质量守恒           述原理 可确定混合蒸汽流参数 qh qv 和 x 混合蒸
qm =qmw  +qmv =q′m+q″m     (6) ,     、    ,    
    汽流气。液相分相参数 q′h、q″h、q′m和q″m。    
上式中, qmw 和 qmv 分别为过热蒸汽流和加湿液相水 改变 qmw ,可调节混合蒸汽流的干度 x 或过热
流的质量流量, qm 、q′m和q″m分别为混合后的饱和蒸 度 ,以适应不同的试验需求。      
汽的两相、液相和气相的质量流量。             h      
假设混合管路与外界绝热 ,则由开口系热力学 通过积分可得到累计焓流量 Q :    
  t+Δt        
定律 mv  w   mv  v   m   m         Qh  =∫t qh d t   (11)
h             和累计质量流量 Qm :        
q  =q  h  +q  h =q′h′+q″h″   (7)   t +Δu        
上式中, hw 和 hv 分别为过热蒸汽流和加湿水流的比焓,          
  Qm  =∫t qm dt   (12)
h′和 h″分别为混合后的饱和蒸汽液相和气相的比焓。    
混合后的饱和蒸汽干度 x 和气相质量流量 q″m为   当 qm 、x 和T 稳定时 ,        
  Qh  =qh  ·Δt =[ q′m· h′(t , p)+q″m·h″(t , p)] t
            qmw          
                                 
qm   (hv -h′)-   (hv -hw )           (13)
qm          
x =qm =               (8)    
    h″-h′         根据混合蒸汽流的温度 T 和压力 P 可判断蒸
qm   hv   h qmw   hv   hw ) (9) 汽流为饱和蒸汽还是过热蒸汽, 并确定相应的比焓。
q″=m ( - ′)-  ( -            
        h″-h′                      
饱和蒸汽的体积流量 qv 可根据饱和蒸汽液、气 3  实验装置        
相密度 ρ′和 ρ″计算:                   在建立过热蒸汽流量标准装置[ 16] 的基础上 ,建
      qm (1 -x) qm       (10)
  qv  = ρ′   +ρ″       立了湿蒸汽热能计量标准实验装置。图 2 为实验装
当测定过热蒸汽流参数 Tv 、Pv , 加湿水流参数 置功能框图。
图 2  实验装置功能框图

图 2  实验装置功能框图
  实验采用过热蒸汽源和冷凝水得到所需蒸汽 。绝压为0.8 ~ 1.0 MPa、温度 260 ~ 280 ℃的过热蒸汽经自力式稳压调节阀后进入减温器 。需要时 ,将适量高压蒸馏水喷入过热蒸汽 ,以降低蒸汽过热度,使缓冲罐输出微过热蒸汽 。缓冲罐的作用是抑制输出压力的高频波动并促进蒸汽的热平衡, 其底部安装有输水阀 。此后 , 蒸汽进入加湿器。
  加湿器和试验段按管径分为 DN50 和 DN80 两组, 可切换使用。加湿器将高压水喷入管路 , 与微过热蒸汽进行充分的换热达到热平衡后进入试验段。当监测的试验段压力满足一定的波动范围方可进行正式试验 。
  流出试验段的蒸汽进入换热效率高的螺旋板式换热器与约 20 ℃的冷却循环水充分换热, 冷凝为蒸馏水 。由换向器控制将规定时间间隔内的冷凝水存入储水箱并用电子天平确定毛重和皮重 ,以得到规定时间间隔内的冷凝水的平均质量流量。换向器和储水箱排出的冷凝水存入有溢流功能的储水池。电子天平和储水箱分为大、小两个台位, 设计测量***大流量为4t h 。所有高温管线均有保温措施。储水池中的部分冷凝水通过水泵从常压升至约1.3 MPa , 一路供给减温器 , 另一路经过滤供给加湿器 。
  由于冷凝换热器等器件采用碳钢制造 ,使储水池中混入铁锈 ,所以在加湿器前增加了过滤器以去除杂质 ,防止加湿器中的喷嘴被堵。DN80 和 DN50 的加湿器和试验段管路相似 , 见图 3(a);加湿器蒸汽管结构见图 3(b)。经水泵加压后的加湿水流流程见图 3(c)。加湿水流采用一组可切换的 3 个流量计测量体积流量 ,通过温度和压力测量确定密度后可得到质量流量 。加湿水温的测点选择在远离加湿器的位置, 以避免蒸汽管线沿加湿水管导热对加湿水的比焓确定的影响 。
  采用 7 组喷嘴加湿 ,将高压水雾化喷入管路 ,与微过热蒸汽换热和相变 。7 组喷嘴分别采用了 1 个 0.2mm 、1 个0.4 mm 、1 个 0.5 mm 、1 个 1.5 mm 、3 个 1.5 mm 和 9个1.5 mm 直径喷嘴的设计,每组的***大设计流量为1 ~ 600 L h , 并可组合使用 。 喷嘴喷出的水雾为约30°圆锥面分布 。 喷嘴流量与水压和蒸汽压力之差有关 ,通过开关不同流量的加湿喷嘴组可实现多种干度的调节 。混合后的两相流进入试验段前需流过长直管段,目的是让气 、液两相进行充分换热以使湿蒸汽达到热平衡 ,同时形成稳定的相分布 。通过组合调节试验管路上下游的阀门、自力式稳压阀、蒸汽管路总阀来实现实验段压力 、流速满足所需的工况。在不同工况下湿蒸汽的相分布和速度分布是不同的 ,在深入研究湿蒸汽测量仪表的性能时需加以注意 。
图 3 DN80 管线加湿器和试验段

图 3 DN80 管线加湿器和试验段
  蒸汽温度测量采用带 4 ~ 20 mA 变送器的外径5 mm 的Pt100 型铠装铂电阻 。其***大允许误差 0.2℃。为了增大温度计的插入深度 ,温度计由上方以与管轴线成30°迎来流方向插入管路中 ,敏感元件位于管道中心线以下。
  压力测量采用 Rosemount 3051T 型绝压变送器 ,表量程为 0 ~ 1 034 kPa , 精度为 ±0.065 %。为减小压力变送器温度效应的影响和避免对感压膜片的损伤, 为压力传感器加装了远传装置, 耐温可达 260℃。并进一步利用可存储冷凝水的附加连接管线的散热作用使压力变送器工作在环境温度下, 大幅减小了蒸汽温度对压力变送器的影响。
  为了减小蒸汽源不稳定性对测量结果的影响 ,温度、压力采用冷凝水称重时间间隔内的平均值。
 
4、实验装置性能实验结果与讨论:
  对 DN50 和 DN80 管线在不同压力、流量、干度的组合工况下 ,对实验装置进行了性能试验。表 1为DN50 管线的19 种典型工况的实验结果汇总。实验工况为高、中、低压力 , 大、中、小流量 , 微过热和0.85 ~ 1.00 不同干度的组合。表中给出部分典型工况的实验结果。其中第二、三列为各工况下试验段的温度、压力名义值 , n 为各工况下的连续测量次数 ,av 和 sta 分别表示相应参数在 n 次测量的平均值和稳定性。其中稳定性用 n 次测量***大相对变化表示。
 
表 1 DN50 管线典型工况的实验结果汇总
 
    工况 n qh       qm   qv       x
                           
  t  ℃ P kPa av MJ·h -1 sta (%)   av t·h-1 sta (%)   av m3·h-1 sta (%)   av sta (%)
         
1 174 748 3 4 905.4 0.56 1.763 0.57 460.12 0.45      
2 167 741 3 4 872.3 0.58 1.763 0.57 455.20 0.53 0.999 0 0.00
3 168 749 3 4 864.4 0.03 1.820 0.00 444.54 0.23 0.954 8 0.01
4 168 746 3 4 795.2 0.03 1.960 0.00 425.22 0.12 0.844 9 0.01
5 176 904 2 693.6 0.01 0.250 0.00 53.49 0.30      
6 174 908 2 768.1 0.01 0.280 0.00 58.75 0.04 0.985 1 0.02
7 174 903 2 748.5 0.01 0.280 0.00 57.10 0.07 0.950 9 0.01
8 174 910 2 705.4 0.01 0.290 0.00 51.32 0.05 0.831 9 0.01
9 168 699 3 1 413.0 0.03 0.510 0.00 140.75 0.17      
10 164 692 3 1 433.7 0.27 0.520 0.00 143.12 0.47 0.997 5 0.36
11 165 698 3 1 415.4 0.04 0.530 0.00 138.67 0.25 0.955 5 0.05
12 165 699 3 1 420.8 0.01 0.580 0.00 134.57 0.06 0.848 5 0.01
13 157 580 3 523.4 0.01 0.190 0.00 61.94 0.67      
14 157 570 3 545.3 0.25 0.200 0.00 65.34 0.29 0.986 8 0.32
15 156 564 3 547.8 0.05 0.208 0.05 65.66 0.05 0.943 9 0.02
16 157 574 3 529.8 0.33 0.218 0.27 60.64 0.42 0.843 0 0.06
13 163 390 3 2 206.8 1.29 0.793 1.26 396.60 1.65      
14 141 382 3 2 182.4 0.01 0.800 0.00 384.60 0.61 0.996 3 0.03
15 141 379 3 2 147.9 0.02 0.820 0.00 376.42 0.42 0.945 7 0.01
16 140 378 3 2 128.1 0.00 0.880 0.00 365.68 0.36 0.851 7 0.01
17 143 399 3 602.3 0.01 0.220 0.00 102.02 0.48      
18 141 367 3 608.0 0.00 0.230 0.00 110.31 0.15 0.957 6 0.00
19 140 365 3 575.0 0.00 0.240 0.00 101.94 0.18 0.842 3 0.00
  实验工况压力范围覆盖 0.3 ~ 0.9 MPa , 蒸汽组分包括微过热和 0.85 ~ 1.00 的 4 种状态, DN50 和DN80 管线的焓流量分别覆盖 500 ~ 5 000 MJ h 和1 200 ~ 11 000 MJ h 、质量流量分别覆盖 0.2 ~ 2 t h和0.4 ~ 4 t h 、体积流量分别覆盖 50 ~ 500 m3  h 和100 ~ 1 000 m3  h ,相应的蒸汽流速范围为 7 ~ 70 m s 。焓流量、质量流量、体积流量的稳定性均优于 2 %,干度的稳定性优于 0.5 %。焓流量、质量流量和干度的扩展不确定度分别为 0.8 %、1 %和 0.5 %[19] 。表1 中稳定性数据差异较大的主要原因经分析认为是由于电子天平的分辨力较低所致, 可通过改进称重设备性能或以降低实验效率为代价增加累计流量测量时间加以改善。另一方面 ,由于温度、压力测量采用冷凝水称重时间间隔内的统计平均方法来减小蒸汽源不稳定性对测量结果的影响 , 因此蒸汽源的焓流量、质量流量和干度可获得较高水平的不确定度。
 
5、结 论:
  在本文中,先容了蒸汽焓流量的计量方法, 基于热力学原理建立了蒸汽源焓流量与干度等参数量值确定的理论模型。采用喷水雾化的加湿方案实现蒸汽源的干度和过热度调节。装置具备 DN50 和 DN80
试验管路,可提供压力范围 0.3 ~ 0.9 MPa 、流速范围7 ~ 70 m s 的过热蒸汽流和干度范围 0.85 ~ 1.00 的饱和蒸气流,并确定蒸汽源的温度、压力、干度、质量流量和体积流量、焓流量等量值。焓流量、干度和流量稳定性分别优于 2 %、0.5 %和 2 %,扩展不确定度分别为 0.8 %、1 %和 0.5 %。该装置作为焓流量和干度等参数已知的蒸汽源可用于蒸汽热能计量仪表的研究与开发, 也可用于湿蒸汽对常规蒸气流量计性能影响的研究。
  湿蒸汽的相分布和速度分布是其重要的特性参数,对不同原理的湿蒸汽测量仪表的影响需要深入研究。本装置在不同工况下湿蒸汽的相分布和速度分布是进一步研究的内容之一。

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