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饱和蒸汽质量流量计的测量原理

时间:2018/03/25来源:未知

饱和蒸汽:通常来说,蒸汽即水的蒸气。当水在有限的密闭空间中蒸发时,液体水分子通过液面进入上面空间,成为蒸汽分子。由于蒸汽分子处于紊乱的热运动之中,它们相互碰撞,并和容器壁以及液面发生碰撞,在和液面碰撞时,有的分子则被液体分子所吸引,而重新返回液体中成为液体分子。开始蒸发时,进入空间的分子数目多于返回液体中分子的数目,随着蒸发的继续进行,空间蒸汽分子的密度不断增大,因而返回液体中的分子数目也增多。当单位时间内进入空间的分子数目与返回液体中的分子数目相等时,则蒸发与凝结处于动平衡状态,这时虽然蒸发和凝结仍在进行,但空间中蒸汽分子的密度不再增大,此时的状态称为饱和状态。在饱和状态下的液体称为饱和液体,其对应的蒸汽是饱和蒸汽,但***初只是湿饱和蒸汽,待蒸汽中的水分完全蒸发后才是干饱和蒸汽。蒸汽从不饱和到湿饱和再到干饱和的过程温度是不增加的,干饱和之后继续加热则温度会上升,成为过热蒸汽。而热采阶段需要大量的湿饱和蒸汽,而不是过热蒸汽。

1、流量测量方法:
1.1、流量:
  流量是指流体在单位时间内流过管道或设备某横截面的数量。流动的气体、液体或多相流气一固、气一液、液一固、气一液一固统称为流体。流量按统计时间不同分为瞬时流量和累积流量,瞬时流量是指单位时间内的流量,累积流量是指一段时间内的流体总量。流量按测量对象可分为以下三类:
(1)体积流量    单位时间内流过管道或设备某横截面积的流体体积。设流体通过某一微小面积为dA,在时间t内通过的微小距离为L,该段体积为dV,通过该微小面积的流体流速为u,则通过微小面积的体积流量为:                          dq=udA                         (2.1)若整个截面的流速相同,则体积流量可表述为:                            q=uA                         (2. 2)
(2)质量流量:
    单位时间内流过管道或设备某横截面积的流体质量。单位为kg/s,累积质量流量单位为kg,若流体的密度为A,则有公式:
(3)能量流量:    单位时间内流过管道或设备某横截面积的流体能量,单位为J/s或MJ/s;累积能量流量单位为J或MJ,若流体的高位发热量为H,  q=HuA  (2. 4)    传统的蒸汽计量是以体积为单位,由于体积计量受到压力、温度、压缩因子等诸多方面的影响,人们希翼用质量流量计直接测量蒸汽流量。再由于蒸汽是一种热能资源,为了真正反映蒸汽的品质和真实价值,国外己发展到了使用能量计量来代替质量计量,我国将逐步推广蒸汽能量计量。
2、流量测量方法分类:
   流量测量由流量计来完成,流量计是测量密闭管道或明渠中流体流量的仪表。可分为体积流量计和质量流量计两大类。根据现场要求,选取质量流量计,而质量流量计可分为三大类.
(1)直接式:流量计的输出信号直接反映出流涕的质量流量值,而与介质的温度、压力、粘度等参数无关。
(2)间接式:需要同时检测出流体的体积流量和密度,通过计算得到流体的质量流量。
(3)补偿式:同时检测出流体的体积流量、温度、压力和粘度等参数。根据已知的被测流体的密度与流体温度压力等参数的关系,实时的求出流体的密度,从而间接得到流体的质量流量。
    对于直接式质量流量计,***典型的代表是科氏力质量流量计。科氏力质量流量计是运用流体质量流量对振动管振荡的调制作用即科里奥利力现象为原理的流量计。科氏力质量流量计由于有着能直接测量质量流量的优点,在我国从90年代初进入工业测量领域以来,应用越来越广泛。早期的质量流量计生产厂家都宣称其产品不受被测介质的密度、温度、压力、粘度等变化的影响,随着近几年的大量应用,发现测量介质的物理参量的变化对其测量精度是有影响的。且科氏力质量流量计易受工业现场的电磁干扰,对现场安装条件要求较高,安装复杂,存在零点漂移且压力损失较大。目前,科氏力质量流量计还没有应用到测量高温高压高干度的饱和蒸汽质量流量的实例。
  对于间接式质量流量计,由于目前的密度计不能直接测量高温高压流体的密度,所以不适合测量本文中的饱和蒸汽。    补偿式流量计主要包括容积式流量计、速度式流量计、节流式流量计等。涡街流量计是一种速度式流量计,它是基于卡门涡街原理而研制成功的一种新型流量计,其具有以下特点:结构简单牢固,无可动部件;维护十分方便,安装费用低;测量范围宽,量程比可达l: 10;压力损失较小,运行费用低;应用范围广,气体、液体的流量均可测量。但涡街流量计也存在一定的局限性:使用涡街流量计测量流量时旋涡分离的稳定性受流速影响,故它对直管段有一定的要求;测量液体时,上限流速受压损和气蚀现象限制,一般是0.5 m/s至8m/s;测量气体是,上限流速受介质可压缩性变化的限制,下限流速受雷诺数和传感器灵敏度的限制,蒸汽是8m/s至25m/s;应力式涡街流量计对振动较为敏感,故在振动较大的管道安装流量计时,管道要有一定的减震措施;应力式涡街流量计采用压电晶体作为检测传感器,故其受温度的限制,一般为一40℃至3000C 0节流式流量计是一种典型的差压式流量计,差压式流量计是一类应用***广泛的流量计,在各类流量仪表中其使用量占居首位,近年来,由于各种新型流量计的问世,它的使用量百分数逐渐下降,但目前仍是***重要的一类流量计。其优点是:
(1)结构简单,安装方便,性能稳定可靠,使用寿命长,成本低又具有较高的度;
(2)应用范围广泛,至今尚无任何一类流量计可与之相比拟;
(3)具有较长的使用历史,有丰富可靠的试验数据,设计加工已经标准化。
    根据节流元件不同,节流式流量计可分为孔板流量计、喷嘴流量计、文丘里管流量计和文丘里喷嘴流量计。孔板流量计应用历史悠久,有国际标准,理论精度高,应用十分普遍,但经过几十年的应用,发现孔板流量计有以下不足:应用中许多因素(设计参数与工况参数不符、上游直管段不足、孔板和管道不同心、孔板A面受污、锐角磨损等)对其测量精度有非常大的影响,使其测量误差增大;安装较为麻烦,维护及拆洗的工作量较大;流量量程比为1: 3,局限性大;若安装不正确,容易发生蒸汽泄漏;压力损失较大,运行费用高。而长径喷嘴的入口为光滑曲面不易磨损,流出系数稳定,压力损失也较孔板小很多,文丘里管的制造工艺要求很高且价格昂贵,所以本文中选用流量计的节流元件是长径喷嘴。

3、饱和蒸汽流量测量方法及原理:
   如果在充满流体的管道中固定放置一个流通面积小于管道截面积的节流元件,则管内流束在通过该节流元件时就会造成局部收缩。在收缩处,流速增加,静压力降低,因此,在节流件前后将产生一定的压力差。实践证明,对于一定形状和尺寸的节流件,一定的测压位置和前后直管段,在一定的流体参数情况下,节流件前后的差压如与流量机之间有一定的函数关系。因此,可以通过测量节流件前后的差压来测量流量。
  定的测压位置和前后直管段,在一定的流体参数情况下,节流件前后的差压如与流量9qv之间有一定的函数关系。因此,可以通过测量节流件前后的差压来测量流量。
图2. 1节流件前后流动状况图
图2. 1节流件前后流动状况图
    如图2.1,流体通过节流件之前就己经开始收缩,由于惯性的作用,流束通过喷嘴后还将继续收缩,直到在喷嘴后的某一距离处达到***小流束截面。这是流体的平均流速达到***大值。然后流束又逐渐扩大到充满整个圆管,流体的速度也恢复到节流件前的速度。靠近节流件前后的角落处,由于流体的粘性和局部阻力以及静压差回流等影响将造成涡流。这时沿管壁流体的静压变化和轴线上不同,图中表示管壁上的静压差沿轴线方向的变化曲线。在节流件前,由于节流件对流体的阻力,造成部分流体的局部滞止,使得管道壁面上的静压比上游压力略有升高。同过节流件后,流体压力突然降低并随着流束的缩小,流速的提高而减小,一直达到某一较低值。然后又随着流束的扩张而升高,***后恢复到一个稍低于原管中压力的压力值,这就是节流件造成的不可恢复的压力损失Sn。
    节流装置中造成流体压力损失的原因是节流件前后涡流的形成以及流体的沿程摩擦,它使得流体具有的总机械能的一部分不可逆的变成了热能,散失在流体内部。所以选择长径喷嘴这样的节流元件,以尽量消除节流件前后的涡流区,大大减少了流动的压力损失。
    在图中取两个截面I和II,截面I是流束收缩前的截面,截面II是流束***小截面。根据不可压缩理想流体的伯努利方程:
流体方程式



其中,对、减是截面I和II处的静压力(Pa); 是截面工和II处的平均流速(m/s ) ;P"  Pz截面I和II处的流体密度(Kg/m3);声是流束收缩系数(Az二fAo ),它的大小与节流件的形式及流动状态有关;}i=dlD一河面,称为节流装置的直径比。d为节流件的开孔直径,D为管道内径。    由于压力对和跳是截面I和截面II处流体的平均压力,而实际测量时,差压P}一Pz是按一定的取压方式在管壁处取得的,与差压P- Pi有一定差异。所以引进取压系数甲,使得对一环`I'P,一Pz),取压方式不同,甲也不同。另外,实际的流动都存在损失,与假定的理想流体等嫡定常流体也有差异,因此,引入系数睿对uz进行修正。这样,修正后的不可压缩流体的体积流量表达式为
计算公式

式中,Pi - Pz是实际取压位置取出的压力差。令
计算公式

式中,a是流量系数,它是一个与节流件形式、直径比、取压方式、流动雷诺数及管壁粗燥度有关的系数,是节流装置中***为重要的一个系数。由于流束收缩系数产、修正系数咨及甲无法测量,所以,通常流量系数a由实验确定。    对于可压缩流体,流体密度的变化是不可忽视的。根据可压缩流体的伯努利方程:
计算公式

  式中,K是气体的等嫡指数,U1.  U2是截面I和II处流体比体积(m3/Kg)。
   考虑到和推导不可压缩流体的流量公式时一样的原因,对于实际流体和实际的取压位置,引入修正系数咨,取压系数甲和可压缩流体的流束收缩系数产、后,将可压缩流体的流量公式整理成与不可压缩流体的流量公式类似的形式,即令
计算公式
则流量公式可以写成:qm=asAo2p, p,一p2)(2. 17)式中,a就是不可压缩流体的流量系数,即式2.5所确定的值,‘称为可压缩流体的可膨胀系数,它有下式确定:
计算公式
由式2.15可得到可压缩流体的体积流量公式为:
可压缩流体的体积流量公式
    由于不可压缩流体的可膨胀系数‘=1,所以可以认为可压缩流体的流量公式2.13和式2.巧是节流式流量计流量公式的普遍形式。    如果用节流件开孔直径d来表示式中的,并用信号差压幼来表示P}一Pi,流出系数C来代替流量系数a,则节流式流量计的流量公式的普遍形式可写成
计算公式
式中,K为一常数,由公式中各量的计算单位确定k值的大小。如果按照工程上的习惯,孔径d的单位用~,流量9,或q,的单位用耐/h或Kg/h,则K=扼t l 4 x 3600 x 10-b =0.0039986,一般取K=0.004 0    流出系数C与流量系数。的关系是
计算公式
式中,E=1/价称为渐进速度系数。    利用流出系数C来分析各种因素对流量的影响更加方便,在不同的刀和不同的Re下,C的变化范围要比a的变化范围小得多。    当节流元件为长径喷嘴时,流出系数C有下面的公式导出
计算公式
    由于在进行可压缩流体的流量方程推导时假设流体流经节流件的热力学过程是一维等墒过程,即可逆的绝热过程,所以把流体膨胀系数中的等墒指数K看成常数。当节流件的孔径比确定时,流体膨胀系数£与差压OP和静压P,有关。在流量测量中高差压低静压的情况必须补偿流体膨胀系数。当DP/只<_ 0.04时可忽略流体膨胀系数的影响。由于所测的饱和蒸汽差压DP***大为SOOKPa,静压君为3至15MPa,在正常工作时肯定不满足△p/君<_ 0.04,所以不能把流体膨胀系数:看成常数。所以需根据下面的式子对流体可膨胀系数£做出补偿:
计算公式




小结:
   在这一章中首先先容了饱和蒸汽的性质,然后先容了几种流量测量的一般方法,流量计的类型及如何选择流量计,接着先容了饱和蒸汽质量流量测量的基本原理和质量流量方程中各个参数的补偿方法。

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