冷凝式蒸汽干度仪和检测台的研究报告.doc

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冷凝式蒸汽干度仪和检测台的研究报告
1冷凝式干度仪
1.1、干度仪研究目的
含有气相水蒸气和液相水的混合物称作湿蒸气 ,其中气相干饱和蒸汽的质量与湿蒸气质量的比被定义为湿蒸气的干度。湿蒸气的干度是水蒸气的重要品质参数 ,在蒸汽轮机的末端几级叶片 ,蒸汽干度对汽轮机的叶片寿命和汽轮机效率影响很大，在化工、 食品加工、 制药等工业中的许多场合 ,蒸汽干度需要实时检测与控制 ,尤其是在用于石油开采过程的热力采油中 ,向油层注入的高温湿蒸气其干度对采油的经济性有着重要的影响。
由于水蒸气干度的实时测量与控制对热力采油的经济性有着重要的影响 ,而国内外现还没有具有实时测量、 准确度高、 寿命长、 造价低、 性能可靠的工程测量仪器,所以对水蒸气干度测量仪器的研究与研制有着现实的意义。
1.2、干度仪开发现状
（1）在西北工业大学科技成果中应用SST技术与先进流量信息技术综合，成功研制出了具有国际领先技术水平的SST 楼栋热能表、SST 湿蒸汽干度仪、SST 湿蒸汽质量流量仪、SST温动式质量流量仪。SST湿蒸汽干度仪，适用于饱和湿蒸汽两相流的干度测量并能准确测量湿蒸汽这种气液两相流的干度；
（2）一种新型实用蒸汽干度测量仪，是由李世武教授和其学生段小维发明的一种仪器。它包括蒸汽温度传感器、传热棒、温度传感器、散热器、隔热套管、外套管、靶式流量计和数显表。传热棒的两端分别为热端和冷端，并在两端分别嵌有热端温度传感器和冷端温度传感器；传热棒的冷端壁面与散热器底面固定连接，热端直接与蒸汽管道内的湿蒸汽接触；隔热套管套装在传热棒上，外套管套装在保温套管上。将外套管固定在蒸汽管道壁上的孔内，靶式流量计和数显表装在蒸汽管道上，采集蒸汽温度传感器、传热棒热端温度传感器和传热棒冷端温度传感器的温度以及流体冲击力，处理后得出待测的蒸汽干度，具有测量精度高、稳定可靠、结构简单、成本低的优点。
1.3、干度仪测量原理
能衡凝结式蒸汽干度仪如图 2 所示 ,测量原理为:将采样水蒸气与冷却水分别引入绝热换热器中 ,使水蒸气降温形成凝结水流出。通过测量冷却水在换热器的吸热量、 凝结水温和凝结水量 ,由绝热换热器的能量平衡方程:Q = [ m· X· hv + m· (1 - X)· hw ] - m· h1
解出采样水蒸气干度 X :X =[( Q/ m + h1) – hw]/(hv – hw)
式中: Q — 在一个测量周期内冷却水在绝热换热器中获得的热量; m — 在一个测量周期内凝结水的质量; h1 — 凝结水温 T1 下的焓;
hv 和 hw — 采样水蒸气在待测压力下的干饱和蒸汽焓和饱和水焓。
（ 测量的仪表的名称如下图中的标示）

1.4、干度仪设计结构

图1（上）
图2（下）

图3 凝结式蒸汽干度仪
1.5、干度仪性能评估
凝结式蒸汽干度仪的精度分析：凝结式蒸汽干度仪中涉及的测量参数有冷却水的吸热量 Q、 凝结水质量 m 和凝结水温 T1。这里分析由 Q、 m 和 T1 的测量误差所引起的蒸汽干度的测量误差。在凝结式蒸汽干度仪中 ,热量 Q 的测量采用的是高性能、 SST技术的海威茨热能表 ,经过校核补偿后其最大测量误差为± 0. 8 % ,质量 m 的测量采用的是容重 6 kg 最大测量误差为 ±0. 1 %的电子天平 ,温度 T1 的测量采用的是晶体管温度计 ,其最大测量误差为 ± 0. 5 %。
图4给出了当 Q、 m 和 T1 都有测量误差时,它们的叠加误差所引起的蒸汽干度测量误差。图中实线表示 m 和 T1 与 Q 为同比同向误差的情形 ,虚线表示 m 和 T1 与 Q 为同比反向误差的情形。

　　 图4 Q、m和T1对干度的叠加误差
由图4可见,当 m 和 T1 与 Q 为同比同向误差时 ,它们各自测量误差的叠加所引起的最大干度测量误差仅在1. 9 %之内 ,当 m 和T1 与 Q 为同比反向误差时 ,它们各自测量误差的叠加所引起了最大干度测量误差仅在 2. 45 %之内 ,这都达到了在工程允许的干度测量误差4 %之内。
1.6、干度仪研究结论
（1）凝结法是一种饱和蒸汽干度的热力学测量方法 ,测量原理简单 ,受待测饱和蒸汽参数影响小 ,干度测量范围宽。
（2）根据凝结法 ,设计了凝结式饱和蒸汽干度测量装置 ,该装置的测量精度受换热器及管道的绝热性能 、热量表的测量精度 、电子天平的测量精度 、凝结水温度计的测量精度影响。
（3）通过对换热器及管道的绝热处理及对热量表 、电子天平 、凝结水温度计的优化选型 ,凝结式饱和蒸汽干度测量装置的测量精度可达到 98%以上。
（4）凝结式饱和蒸汽干度测量装置具有稳定可靠 、精度高、造价低 、可在线实时测定饱和蒸汽干度的特点。
通过分析研究得出:在现有测量仪表的技术下 ，凝结式蒸汽干度仪的测量精度高;在加工和实用性方面 ,凝结式蒸汽干度仪要明显优于其他蒸汽干度仪;凝结式蒸汽干度仪具有稳定性、 准确性和实用性 ,能在实际工程中应用。
2、检测台　
2.1、检测台概述
湿蒸汽是气液两相流,受其流动机理的复杂性影响,其参数仅依靠理论分析和计算很难准确建模和描述, 还必须依赖试验修正。研制和生产湿蒸汽质量流量、 干度测量装置 (以下简称湿蒸汽参数测量装置) ,必须要有配套的检测台, 它不仅可对湿蒸汽的流态进行研究,还可进行湿蒸汽参数测量装置精度的校核和标定。由于湿蒸汽为气液两相流, 温度高、 压力高、 载热量大,可调控待测湿蒸汽质量流量与干度的检测台还不多见,国内也只有西安交通大学气液两相流国家重点实验室等少数几家实验室建有,有关湿蒸汽干度测量装置检测台国内外也鲜有报道。湿蒸汽质量流量、 干度测量装置的检测标准和检测台的空白或不完善, 制约了湿蒸汽参数测量装置的发展。
2.2检测台的设计原理
检测台可实现对湿蒸汽质量流量、 干度等参数的准确测量,以及调控待测湿蒸汽质量流量与干度,检测台的结构见图 5。检测台以冷凝式干度测量装置为核心,由电热蒸汽锅炉产生蒸汽,采用调节阀调节湿蒸汽流量,通过一级换热器(间壁式换热器)调控湿蒸汽干度,由二级换热器 (间壁式换热器 )将湿蒸汽冷凝为凝结水, 采用电子天平测量凝结水的质量,从而计算湿蒸汽的质量流量。结合热量表、 电子天平的测量结果,确定湿蒸汽的干度。检测台采用了冷凝式干度测量方法。待测湿蒸汽流经二级换热器,通过调整调节阀 15的相对开度控制冷却水的流量,使湿蒸汽全部凝结,在进行温度测量后流经电磁流量计, 最终由电子天平对凝结水质量进行测量。热量表对冷却水的吸热量进行计量。采用聚氨酯对换热器及管道进行绝热处理,使换热器对外界的散热量与换热器换热量之比小于1 %。可近似地由绝热换热器的能量平衡方程得到冷却水吸热量 Q的计算式为:

Q = mxhv + mhw ( 1- x ) -mh ( 1)
式中
：Q--- 在一个在一个测量期内冷却水经二级换热器的吸热量, J
m---- 在一个测量期内凝结水的质量, kg
x ---- 待测湿蒸汽干度
hv---- 采样湿蒸汽在待测温度下的干饱和蒸汽比焓, J/kg
hw ----采样湿蒸汽在待测压力下的干饱和水比焓, J /kg
h---- 凝结水比焓, J/kg
由式( 1)得到待测湿蒸汽干度 x的计算式为:



x =(Q/m + h – hw)/（hv – hw）
2.3检测台结构图

图5 检测台结构图

2.4检测台设计计算
（1）采集数据包括:温度计 2、 7、9的测量值; 压力表的测量值;电磁流量计的测量值; 电子天平的测量值; 热量表的测量值;待测湿蒸汽参数测量装置的测量值。温度传感器、 压力传感器、 电磁流量计均输出4~ 20mA的电流模拟信号; 热量表自带 RS485数据接口,无法与计算机直接连接,可通过接口转换模块与计算机连接;电子天平自带 RS232数据接口, 可与计算机直接连接。由于热量表、 电子天平已提供串口数据传输方式, 进一步考虑数据采集处理系统的容量、 采集精度及软件程序的编写难易程度,最终选用了 ADAM - 4117型分布式串口模拟量信号采集模块,采集温度计、 压力表、 待测湿蒸汽参数测量装置的模拟信号。
（2）数据采集处理系统的软件采用 VB编程。软件采用模块化设计,主要分为数据采集模块、 数据分析处理模块、 人机交互模块、 数据库管理与维护模块报表模块。数据分析处理模块留有数据接口, 对基于不同测量模型的待测湿蒸汽参数测量装置, 只需对程序进行简单调整,即可进行数据分析处理。软件可完成数据采集、 数据分析处理、 数据记录及数据库管理、 实时曲线显示、 历史数据与历史曲线的查询、 报表的查询打印等功能。
2.5检测台结论
（1）以冷凝式干度测量方法为核心, 研制了可调控待测湿蒸汽质量流量与干度的湿蒸汽质量流量、 干度测量装置的检测台,完成了检测台的数据采集处理系统的设计与建设。
（2）检测台对湿蒸汽质量流量的测量误差小于1 % ,对湿蒸汽干度的测量误差小于 2 %, 可用于检定湿蒸汽质量流量、 干度测量装置。
（3）检测台结构紧凑、 简单,待测湿蒸汽质量流量与干度可调,数据采集处理系统的软件界面友好、操作方便,系统造价低,特别适用于企业或实验室对湿蒸汽参数测量装置、 热能仪表的研制、 开发与检定,也可用于湿蒸汽流态对常规湿蒸汽流量计性能影响的研究。
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