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凝结式蒸汽流量计干度测量方法与应用

时间:2018/06/16来源:未知

摘要 :依据能量守恒原理和凝结式蒸汽干度测量原理,  研制了凝结式蒸汽干度测量装置,  并对该装置进行了测量精度的定量分析,   分析结果显示其干度测量精度可达到 98   , 并得出了提高该装置测量精度的内部测量部件的匹配模式,  同时制定了该装置的现场安装方案,  现场应用实验表明这一干度测量装置具有在线实时测量的实用性。


言:
  湿蒸汽是干饱和蒸汽和饱和水的混合物, 干饱和蒸汽的质量与湿蒸汽质量的比值定义为蒸汽干度。蒸汽干度是水蒸气的重要品质参数, 在热力采油中, 向油层注入的高压高温湿蒸汽其干度对采油的经济性有着重要的影响[ 1-3] , 需要对其进行实时检测与控制。在化工、 食品加工、 制药等工业生产的许多场合, 蒸汽干度也需要实时检测与控制。然而, 国内外现仍没有工程上实用的干度仪, 使其具有实时测量、 准确度高、 寿命长、 造价低的性能[ 4] , 所以研究蒸汽干度测量的实用方法以及实用的蒸汽干度仪具有现实意义, 本文将对此进行研究、 解决。


1、现有蒸汽干度测量方法:
  蒸汽干度有许多测量方法, 可分为 3 类:化验方法、 非热力学方法和热力学方法。化验方法通过对待测干度的蒸汽采样, 在实验室化验水中含盐量来确定蒸汽干度。化验方法是一种实验室检测方法,  不适宜依此来制成工程上的实时测量仪器。非热力学方法有光学探测法、 电导探针法、 电容法、 热线和 γ射线法等 。
  例如, 利用水汽两相流在光学界面上不同折射率具有不同的反应, 采用光纤传感技术探测折射率与干度的关系来测定干 度[ 5] ;根据光的衰减理论 , 采用光学探头测量干度[ 6] ;依据谐振腔的谐振频率随腔内电介质的介电常数变化发生偏移这一特性, 采用微波谐振腔微扰来测量蒸汽干度 [ 7-8]  ;利用超声波在气液两相混合物中的传播速度明显小于在纯液与纯气中的传播速 度这一现象来测定蒸汽干度[ 9] ;通过测量蒸汽声距离频率信号来推算蒸汽干度[ 10] ;由湿蒸汽的声速依赖于它的干度这一原理, 通过测量湿蒸汽的声速来推算它的干度[ 11]  ;采用中子密度计来测定管道中蒸汽密度从而推算蒸汽的干度;采用放射线探测 X =(2)蒸汽干度[ 12-14] 等。非热力学方法在工程应用中目前还存在着较大的局限与不足, 而且一般来说, 按这类方法制造的仪器, 造价高、 受使用场合限制多、 测量精度和使用寿命都不是十分理想[ 14-15] 。
  热力学方法有节流法[ 15-16], 蒸汽、 空气混合法[ 17], 加热法[ 18], 相分离法[ 19], 混合法[ 20], 凝结法等。节流法采用孔板和临界流量节流器来测量管道中蒸汽的干度。蒸汽 、 空气混合法采用加注不凝气体根据热力学原理来测量蒸汽干度 。加热法采用蒸汽取样器采样 , 通过等容加热来推算蒸汽干度。相分离法采用分离器来分离气相和液相 , 并通过测量气相和液相质量来推算蒸汽干度 ;或者采用蒸汽取样器进行重力分离 , 取出液态水样, 进行离子分析, 测定蒸汽干度 ;或者利用 T 型三通的相分离特性 , 从被测气液两相流体中分流分离出一部分单相气体, 通过测量这部分单相气体的流量来确定被测气液两相流体的流量和干度 。
  混合法是将采样蒸汽与冷却水混合 , 通过测量冷却水的进 、 出口流量和温度 , 推算蒸汽干度 。凝结法类似于混合法, 区别只是凝结法的采样蒸汽不与冷却水混合 。热力学方法, 可归属于抽汽取样法 , 其特点是需要从待测蒸汽中抽取部分试样 , 然后引向测量装置 。这类方法源于蒸汽干度的热力学定义, 测量原理清晰, 缺点是需要抽取部分试样 , 使得它的在线实用性受到一定的影响。
  在热力学方法中 , 凝结法具有测量原理简单 、受待测蒸汽参数影响小 、 干度测量范围宽的特点 ,因此在许多涉及的工程场合中具备了在线实时测量干度的条件 , 其实用性问题值得重视和研究。

2、凝结式蒸汽干度测量方法及干度测量装置:
2. 1、凝结式蒸汽干度测量方法:

  设置一个与外部绝热的间壁式冷却器 , 分别将待测蒸汽与冷却水引入其中 。在冷却器内 , 冷却水冷却待测蒸汽并使蒸汽降温相变为凝结水 , 而冷却水被蒸汽加热后温度升高。通过测量 τ时间内冷却水在冷却器内的吸热量 Q 、 凝结水温 T 和凝结水量 M , 依据绝热冷却器的能量平衡方程Q =[ MX hv+M(1 - X)hw] - Mh (1)就能解出待测蒸汽的干度 XX =QM+h - hwhv - hw(2)式中 h 为在凝结水温 T 下的凝结水焓 , hv 和 hw分别为在待测蒸汽压力下的干饱和蒸汽焓和饱和水焓。尽管间壁式冷却器采取了良好的保温 , 但也不可避免会对外界有少许散热 , 引入散热量 Q0 来反映对式 (2) 的影响, 即X =Q - Q0M+h - hwhv - hw
通过模拟计算和实验可知, 随着待测饱和蒸汽温度及流量的变化, Q0 数值变化不大 , 且 Q0 /Q 又很小 , 可将 Q0作为一常数处理, 而 Q0的确定可通过对这一带有良好保温的间壁式冷却器的能量衡算标定实验得出 。

2. 2、凝结式蒸汽干度测量装置:
  依据凝结式蒸汽干度测量方法, 研制了如图 1所示的凝结式蒸汽干度测量装置 。在该装置中 , 凝水温度计用于测量凝结水温度;质量计用于测量凝结水量 ;热量表用于测量冷却水在绝热冷却器内的吸热量 ;干度显示器内置有处理芯片 , 存有计算所需参数 , 与凝水温度计 、 质量计 、 热量表 (还包括待测蒸汽的压力表) 通讯连接, 采集它们的测量数据 , 计算出蒸汽干度、 显示 、 存储;调节阀用于调节流体流量 ;均温器用于使流体温度在管道截面能均匀分布;绝热冷却器由板式换热器并在外表面敷设了优良保温材料构成 , 可使冷却器内蒸汽与冷却水有效换热并使冷却器几乎不对外部散热 ;在蒸汽采样 管等管 路上均 敷设了 优良的 保温材料 。
图 1 凝结式蒸汽干度测量装置


图 1 凝结式蒸汽干度测量装置

3、干度测量装置的测量精度分析:
  由式 (2) 可知, 凝结式蒸汽干度测量装置中涉及的测量参数有冷却水吸热量Q 、 凝结水质量 M和凝结水温 T 。下面分析由 Q、 M 和 T 的测量误差所引起的蒸汽干度的测量误差。
  热量表所测冷却水吸热量 Q , 是通过测量冷却水流量G 和冷却水在冷却器进出口的温差 ΔT 来实现的 , 所以 Q 为 G 与 ΔT 的函数 , 即 Q =Q (G,ΔT)。在凝结式蒸汽干度测量装置中, 热量表采用SS T 技术的机械式热量表 (H N-HM M S-25-20 型 ,青岛海威茨仪表有限企业), 其中流量计为 SS T 技术的机械式流量计, 温差计为铂电阻温差计 , 经过校核补偿后其***大测量误差分别为 ±0. 4 %和 ±0. 2 %;测量凝结水质量 M 的质量计是电子天平(JJ-3000 型高精度电子天平, 美国双杰集团有限企业/常熟市双杰测试仪器), 其***大测量误差为±0. 1 %;测量凝结水温 T 的温度计是晶体管温度计, ***大测量误差为 ±0. 1 ℃, 在 20 ~ 50 ℃的凝结水温范围内其折算的***大测量误差为±0. 5 %。
  当吸热量 Q、 凝结水质量 M 和凝结水温 T 单独有测量误差时 , 它们各自所引起的***大干度测量误差在 1. 9 %之内 。当 M 和 T 与 Q 为同比同向误差时 , 它们测量的叠加误差所引起的***大干度测量误差仅在 1. 64 %之内 ;当 M 和 T 与Q 为同比反向误差时, 它们测量的叠加误差引起的***大干度测量误差也仅在 2. 17 %之内, 都达到了小于工程允许的干度测量误差 4 %。值得注意的是, 同比同向误差所引起的干度测量误差要小于同比反向误差 , 这为凝结式蒸汽干度测量装置中热量计 、 质量计和温度计的选择匹配提供了依据 。
  为了验证凝结式蒸汽干度测量装置的准确性,需要有一个对比的标准 , 为此基于能量守恒原理提出了静态混合式蒸汽干度实验室测量方法 , 并研制了静态混合式蒸汽干度测量装置 。该干度测量装置具有测量精度高的优点 , 可作为其他蒸汽干度测量装置的标定装置, 其测量原理为 :在一个具有优良外隔热的混合水箱中放入一定质量的冷水并使其达到热平衡状态, 然后向混合水箱冷水中注入一定质量的待测干度湿蒸汽, 快速搅拌混合使其达到热平衡状态 , 用电子天平测量混合水箱质量、 混合水箱冷水质量和待测干度湿蒸汽质量 , 用铂电阻温度计测量混合水箱冷水在与待测干度湿蒸汽混合前后的热平衡温度 , 由能量平衡方程确定待测的湿蒸汽干度 X2 。对静态混合式蒸汽干度测量装置进行测量精度分析可知, 其测量误差小于 1 %, 可作为蒸汽干度测量装置的标定装置。
  在凝结式蒸汽干度测量装置和静态混合式蒸汽干度测量装置实验台上 , 对两种蒸汽干度测量装置进行了恒定湿蒸汽工况的测量实验 , 实验数据见表 1 。
表 1  两种蒸汽干度测量装置的实验数据
表 1  两种蒸汽干度测量装置的实验数据

  由表 1 可知, 两种蒸汽干度测量装置的***大相对误差为 1. 34 %, 表明两种装置的测量精度很接近 , 由此也证实了凝结式蒸汽干度测量装置具有很高的测量精度。

4、干度测量装置现场安装方案与应用实验:
 某油田采用向油井下注高温高压湿蒸汽的热力采油技术进行采油 , 注汽过程为连续过程 , 持续时间一般为 7 ~ 15 d , 注汽炉所产湿蒸汽的压力 、 温度和干度分别为 17 M Pa 、 353. 3 ℃和 0. 85 , 在注汽过程中需要对所产蒸汽进行干度的实时检测, 以此进行干度的控制调节。对于如此高压高温下的实时在线检测, 并在注汽运行期间在注汽炉内安装凝结式蒸汽干度测量装置, 需要制定现场安装方案 。
 在研究干度测量装置的现场安装方案中 , 注意到在注汽炉车间内, 注汽炉的注汽管道上设置有蒸汽采样管接口, 在该接口上设置有高压针型阀, 针型阀上连接有化验用蒸汽采样管, 用来采集蒸汽并采取化验的方法确定蒸汽干度 , 作为注汽炉蒸汽干度的控制调节依据。现利用原有蒸汽采样管接口和该接口上的针型阀, 在线加装一个高压分流三通 ,分别将原有的化验用蒸汽采样管和凝结式蒸汽干度测量装置的蒸汽采样管与高压分流三通的两个出口相连接, 由此形成了凝结式蒸汽干度测量装置的现场安装图 , 如图 2 所示。
 凝结式蒸汽干度测量装置现场安装完成并经过一次调节后, 就可在线长期运行。经过多次在线实验, 并与蒸汽干度化验方法的检测结果比较 , 表明:在稳定工况下两种方法的蒸汽干度检测误差在3. 6 %之内 , 尤其是凝结式蒸汽干度测量装置多次数小时连续在线实时检测 , 验证了它的稳定性、 实时性和实用性。
图 2  凝结式蒸汽干度测量装置的现场安装图
图 2  凝结式蒸汽干度测量装置的现场安装图

5 、结论:
  (1) 凝结式蒸汽干度测量方法具有测量原理简单、 受待测蒸汽参数影响小、 干度测量范围宽的点 , 并能在工程实时测量中应用 。
  (2) 为提高凝结式蒸汽干度测量装置的测量精度 , 热量计中的流量计与温度计应选择为同比反向误差的匹配 , 而测量质量的电子天平 、 温度计与热量计之间应选择同比同向误差的匹配 。

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