专利名称：能恒混合式水蒸气干度的测量方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能恒混合式水蒸气干度的测量方法及装置，用于测量水蒸汽干度。
背景技术：
水蒸气干度是水蒸气的重要品质参数，含有气相水蒸汽和液相水的混合物流体称作湿水蒸汽，也叫作饱和蒸汽，其中气相水蒸汽的质量与水蒸汽质量的比被定义为水蒸气的干度。在用于石油开采过程的热力采油技术，向油层注入的高温水蒸汽干度对采油的经济性有着重要的影响。在蒸汽轮机的末端几级叶片，水蒸气干度对蒸汽轮机的叶片寿命和蒸汽轮机的效率影响也很大。在化工、食品加工、制药等工业中，水蒸气干度同样是不可忽视的重要因素，而且需要连续地检测与控制水蒸汽干度。
目前测量水蒸气干度的方法一类为光学探针法、电导探针法、电容法、热线法等。这类方法的局限性主要包括以下两个方面首先，在工程的实际应用中，由于是气液两相的混合物，其物理特性在时间和空间上都存在着不均匀性；其次，气液两相流的截面含气率与容积含气率并不相等，他们之间的差异取决于气液间的滑动比。而滑动比却是一个未知数，它的大小与两相流量、含气率、工质物性等许多因素有关，因而影响了测量的准确性和适用范围(叶强、陈听宽、罗梳珊，利用双节流元件测量两相流干度，热能动力工程，第16卷第3期，2001年)。另外，按照这类方法所制造的仪器，一般来说，造价较高、受使用场合限制较多，测量精度和使用寿命都不是十分理想。
另一类水蒸气干度的测量方法是热力学方法，主要有节流法、凝结法、蒸汽空气混合法、加热法等。这类方法均属于抽汽取样法，其特点是需要从待测干度的水蒸汽中抽取部分试样，然后引向测量装置。节流法是将抽取的水蒸汽试样节流到较低的压力，使节流后的蒸汽处于过热状态，根据绝热节流前后焓值不变条件，求出水蒸汽的干度。但由于节流后，压力低限的限制以及为保证节流后的蒸汽为过热状态，节流法不适宜用来测量低压水蒸气干度，并对水蒸气干度的测量范围有一定的限制。蒸汽空气混合法是将抽取的水蒸汽试样在混合室中与外界引入的干空气在绝热条件下混合，并保证混合后的空气中水分含量尚未达到饱和状态，由质量守恒及能量守恒原理，求出水蒸气的干度。虽然蒸汽空气混合法，无需对抽取的水蒸汽试样流量和热空气流量进行测量，使测量装置得到了简化，但为了保证混合室出口处空气中的水分含量未达到饱和，必须送入大量的热空气，这限制了该方法的实际应用场合。加热法是将抽取的水蒸汽试样加热到干饱和状态或过热状态，测量出水蒸汽试样的质量、所加入的热量以及加热前后的试样热力参数的变化，计算出水蒸汽的干度。由于加热法需要测量水蒸汽试样的流量，而水蒸汽属于气体，气体流量仪表的精度要低于同类液体流量仪表的精度，所以自然影响了测量的精度。
凝结法是将抽取的水蒸汽试样在冷凝器中凝结成水，根据冷凝器中的冷却水所吸收的蒸汽凝结热量来计算出水蒸汽的干度。在工程应用中，凝结法应是一种测量水蒸汽干度的实用和较好的方法。如中国发明专利申请01118995.9所公开的一种蒸汽干度自动测量和控制方法及装置，就是一个具有工程实用性和测量精度都较好的方法，该测量方法为(1)测量待测干度的水蒸汽温度，由热力学表查得该温度下的饱和水的比焓h′、汽化潜热r和饱和水的比热C；(2)将待测干度的水蒸汽引入管壳式换热器中，蒸汽走管程，冷却水走壳程，测量冷却水进换热器前的流量L1和温度T1，测量冷却水出换热器的温度T2，蒸汽出换热器后的温度T3和流量L2；(3)用公式hX＝[L1·C·(T2-T1)+L2·C·T3]/L2和公式X＝(hx-h′)/r计算出待测干度的水蒸汽干度X；(4)冷却水出换热器的温度t2控制在不超过70℃。
(5)蒸汽出换热器后的温度t3控制在不小于60℃。
这种蒸汽干度自动测量和控制方法及装置，存在着以下技术上的缺陷，具体表现为[1]测量装置过大，不易保证该装置与外界环境的绝热效果该测量方法是依据流体通过管壳式换热器进行绝热冷凝的质量守恒与能量守恒原理形成的。由于管壳式换热器属于间壁式换热器，待测干度的水蒸汽与冷却水进行非混合的换热，并使水蒸汽的温度降低、发生相变而冷却为未饱和水，就需要换热器有较大的体积。在工程上实现较大体积的换热器具有充分的保温以达到绝热效果是较为困难的。
确定水蒸汽干度的计算公式不准确或有误在计算水蒸汽干度的公式中，涉及到饱和水的比热C。由于饱和水或者未饱和水的比热不仅与温度有关，而且还与压力有关，只不过温度对比热的影响程度要大于压力。但是，由于T1、T2和T3完全不相等，更不用说还有所对应点的压力也不相同，因此，公式hX＝[L1·C·(T2-T1)+L2·C·T3]/L2中所出现的两个比热C应该是完全不同的，也就是说该公式是错误的。正确的公式应当是这样的，即hX=[L1·C‾1-2·(T2-T1)+L2·C‾0-3·T3]/L2,]]>其中 为温度在T1与T2之间的未饱和水的平均比热， 为温度在0℃(基准温度)与T3之间的未饱和水的平均比热。例如，作为压力为15MPa的待测干度的水蒸汽，通过换热器冷凝后，温度T3为70℃，那么压力为15MPa温度从70℃到0℃之间的未饱和水平均比热 是5.29kJ/(kg·℃)，而作为冷却水，在压力0.5MPa下通过换热器后温度T1从20℃提高到温度T2为70℃，则压力0.5MPa下温度20℃到70℃之间的未饱和水平均比热 是4.18kJ/(kg·℃)。由此可见，两者之间的相对误差为2·(5.29-4.18)/(5.29+4.18)＝23％，显然，比热C的取值是重要的，它直接关系到测量水蒸汽干度的精度。
未突出影响测量精度的关键因素以及保证措施用公式hX＝[L1·C·(T2-T1)+L2·C·T3]/L2和X＝(hX-h′)/r计算出待测干度的水蒸汽干度X，其测量精度主要依赖于冷却水进换热器前的流量L1和蒸汽出换热器后的流量L2，这一关键因素并没有给予强调。如果流量L1和流量L2的测量精度不高，将导致由这一方法所测量的水蒸汽干度误差较大。
未突出实现测量装置准确测量的必要条件以及实现措施由该方法所提出的测量装置必须与外界环境有充分的保温以达到绝热的效果，否则将导致由这一方法所测量的水蒸汽干度误差较大，对这一实现测量装置准确测量的必要条件也没有给予强调。
工程实用性受到测量装置造价的影响当待测干度的水蒸汽压力较高时，如压力为15MPa，则该方法所涉及的管壳式换热器就需要耐高压，而耐高压的管壳式换热器造价较大，这将导致由该方法所提出的测量装置造价较大而影响在工程上的应用。
发明内容
为避免现有技术中的不足之处，本发明提出了一种能恒混合式水蒸汽干度的测量方法及装置，可以弥补现有凝结法测量水蒸汽干度的技术缺陷，具有测量准确度很高、水蒸汽干度测量范围宽、测量装置体积小、造价低、实用性强的优点。
本发明的技术特征在于将待测干度的水蒸汽与冷却水分别引入绝热混合器内混合，使水蒸汽降温、形成从气相变为液相的未饱和水流出绝热混合器。通过测量入口冷却水的流量、温度和压力，测量入口待测干度的水蒸汽温度，测量出口未饱和水的流量、温度和压力，依据能量守恒和质量守恒原理来确定待测的水蒸汽干度X为X=G1·(C0-3·T3-C0-1·T1)+G2·(C0-2·T2-C0-3·T3)(G2-G1)·r]]>其中G1、T1和P1为进入绝热混合器的冷却水流量、温度和压力，T3为进入绝热混合器的待测干度的水蒸汽温度，G2、T2和P2为离开绝热混合器的未饱和水的流量、温度和压力，C0-1为T1、P1与0℃之间的平均比热，C0-2为T2、P2与0℃之间的平均比热，C0-3为T3与0℃之间的平均比热，r为温度T3下的汽化潜热。
C0-1、C0-2、C0-3和r的取得，可以查水与水蒸汽热物性图表中的液态区域，或通过水与水蒸汽热物性模型计算出C0-1、C0-2、C0-3和r。
一种实现权利要求1所述的能恒混合式水蒸汽干度的测量方法的装置，其特征在于待测干度的水蒸汽入口管道与绝热混合器相连，在待测干度的水蒸汽入口管道上，前部安装了温度表T3、中部安装了节流调节阀F2、后部安装压力表P3；冷却水入口管道与绝热混合器相连，在冷却水入口管道上，前部安装了液体流量表G1、压力表P1和温度表T1、后部安装了节流调节阀F1；未饱和水出口管道与绝热混合器相连，在未饱和水出口管道上，安装了温度表T2、压力表P2和液体流量表G2。
所述的绝热混合器是一个圆形容器或其它形状的容器，内部设置了一个水蒸汽混流器和两个折流板，水蒸汽混流器的上部与待测干度的水蒸汽入口管道相接，而下部封闭，在水蒸汽混流器外壁上开有多排水蒸汽出流孔。
安装在待测干度的水蒸汽入口管道上的节流阀F2，其功能是调节待测干度的水蒸汽流量G3和压力P3，使流量G3在保证测量精度的条件下尽可能的小，并满足压力关系P3＜P1。
在冷却水入口管道上的节流阀F1，其功能是调节冷却水入口流量G1，使流量G1在保证测量精度的条件下尽可能的小，并使未饱和水出口温度T2小于压力P2下的饱和温度。冷却水入口管道上的入水以及未饱和水出水管道上的出水均为未饱和水，并且在待测干度的水蒸汽温度T3、未饱和水温度T2和冷却水温度T1之间，具有T3＞T2＞T1的关系。
所述的测量冷却水的液体流量表G1和测量未饱和水的液体流量表G2，为了保证获得较高的测量水蒸汽干度的精度，应采用高精度的流量表，同时应调整流量G1和G2，使1.03＜G2/G1＜1.20。
各测量仪表与数据处理计算机之间建立通讯连接，并由该计算机完成数据处理并确定待测的水蒸汽干度。
在待测干度的水蒸汽入口管道、冷却水入口管道、未饱和水出口管道、两个节流阀和绝热混合器的外壁面上均铺设保温材料。
本发明提出的测量方法和测量装置，弥补了现有凝结法测量水蒸汽干度的技术缺陷(即测量装置较大，不易保证该装置与外界环境的绝热效果；确定水蒸汽干度的计算公式不准确或有误；未突出影响测量精度的关键因素以及保证措施；未突出实现测量装置准确测量的必要条件以及实现措施；工程实用性受到测量装置造价的影响)。本发明所提出的能恒混合式水蒸汽干度的测量方法及装置，具有测量准确度很高、水蒸汽干度测量范围宽、测量装置体积小、造价低、实用性强的优点。
图1能恒混合式水蒸汽干度的测量装置图2绝热混合器
具体实施例方式现结合附图对本发明作进一步描述能恒混合式水蒸汽干度的测量方法及装置的实施例如图1所示，取出能恒混合式水蒸汽干度的测量装置(以下简称装置)，先将装置的节流调节阀F1和节流调节阀F2关闭，然后将装置的水蒸汽入口管道插入并安装在待测干度的水蒸汽管道上，将装置的冷却水入口管道与当地的冷却水源相接，将装置的未饱和水出水管道与当地的蓄水池管道相接。
较小地开启节流调节阀F1的开度使冷却水通过装置，然后稍许开启节流调节阀F2的开度使待测干度的水蒸汽进入装置。
观察装置上的压力表P1、压力表P3、流量表G1和流量表G2，或者观察数据处理计算机上的数据处理显示，缓慢地调整节流调节阀F1和节流调节阀F2的开度，使满足压力关系P3＜P1、满足流量关系1.03＜G2/G1＜1.20。
观察数据处理计算机上的数据处理显示，使进入装置的冷却水和离开装置的未饱和水均处在未饱和状态。
此时，装置安装并调节完毕。温度表T3、压力表P3、液体流量表G1、压力表P1、温度表T1、温度表T2、压力表P2和液体流量表G2将测量到的参数通过网络连线传输到数据处理计算机，该计算机按照所存储的水与水蒸汽热物性图表或者水与水蒸汽热物性模型，确定T1、P1与0℃之间的平均比热C0-1，T2、P2与0℃之间的平均比热C0-2，T3与0℃之间的平均比热C0-3，以及温度T3下的汽化潜热r，由公式X=G1·(C0-3·T3-C0-1·T1)+G2·(C0-2·T2-C0-3·T3)(G2-G1)·r]]>确定出待测的水蒸汽干度，在该计算机上显示和记录，并连续实时地工作。该计算机始终对传输到的参数作判断，当出现P3＞P1的情况，或者出现不满足流量关系1.03＜G2/G1＜1.20的情况，或者出现进入装置的冷却水或离开装置的未饱和水不处在未饱和状态，此时，该计算机就报警，并指示需要对节流调节阀F1和节流调节阀F2的开度进行人工调整。
权利要求
1.一种能恒混合式水蒸汽干度的测量方法，其特征在于将待测干度的水蒸汽与冷却水分别引入绝热混合器内混合，形成从气相变为液相的未饱和水流出绝热混合器，待测的水蒸汽干度X为X=G1·(C0-3·T3-C0-1·T1)+G2·(C0-2·T2-C0-3·T3)(G2-G1)·r]]>其中G1、T1和P1为进入绝热混合器的冷却水流量、温度和压力，T3为进入绝热混合器的待测干度的水蒸汽温度，G2、T2和P2为离开绝热混合器的未饱和水的流量、温度和压力，C0-1为T1、P1与0℃之间的平均比热，C0-2为T2、P2与0℃之间的平均比热，C0-3为T3与0℃之间的平均比热，r为温度T3下的汽化潜热。
2.根据权利要求1所述的能恒混合式水蒸汽干度的测量方法，其特征在于可以通过水与水蒸汽热物性模型计算出C0-1、C0-2、C0-3和r。
3.一种实现权利要求1所述的能恒混合式水蒸汽干度的测量方法的装置，其特征在于待测干度的水蒸汽入口管道与绝热混合器相连，在待测干度的水蒸汽入口管道上，前部安装了温度表T3、中部安装了节流调节阀F2、后部安装压力表P3；冷却水入口管道与绝热混合器相连，在冷却水入口管道上，前部安装了液体流量表G1、压力表P1和温度表P1、后部安装了节流调节阀F1；未饱和水出口管道与绝热混合器相连，在未饱和水出口管道上，安装了温度表T2、压力表P2和液体流量表G2。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述的绝热混合器是一个圆形容器或其它形状的容器，内部设置了一个水蒸汽混流器和两个折流板，水蒸汽混流器的上部与待测干度的水蒸汽入口管道相接，而下部封闭，在水蒸汽混流器外壁上开有多排水蒸汽出流孔。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于调节节流阀F2，使流量G3在保证测量精度的条件下尽可能的小，并满足压力关系P3＜P1。
6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于调节节流阀F1，使流量G1在保证测量精度的条件下尽可能的小，并使未饱和水出口温度T2小于压力P2下的饱和温度，并且在待测干度的水蒸汽温度T3、未饱和水温度T2和冷却水温度T1之间，具有T3＞T2＞T1的关系。
7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于调节测量冷却水的液体流量表G1和测量未饱和水的液体流量表G2，使1.03＜G2/G1＜1.20。
8.根据权利要求3所述的装置，其特征在于各测量仪表与数据处理计算机之间建立通讯连接，并由该计算机完成数据处理并确定待测的水蒸汽干度。
9.根据权利要求3所述的装置，其特征在于在待测干度的水蒸汽入口管道、冷却水入口管道、未饱和水出口管道、两个节流阀和绝热混合器的外壁面上均铺设保温材料。
全文摘要
本发明涉及一种能恒混合式水蒸汽干度的测量方法及装置，用于测量水蒸汽干度。本发明的技术特征在于将待测干度的水蒸汽与冷却水分别引入绝热混合器内混合，使水蒸汽降温、形成从气相变为液相的未饱和水流出绝热混合器。通过测量入口冷却水的流量、温度和压力，测量入口待测干度的水蒸汽温度，测量出口未饱和水的流量、温度和压力，依据能量守恒和质量守恒原理来确定待测的水蒸汽干度。本发明弥补了现有凝结法测量水蒸汽干度的技术缺陷，具有测量准确度很高、水蒸汽干度测量范围宽、测量装置体积小、造价低、实用性强的优点。
文档编号G01N25/60GK1690700SQ200410026050
公开日2005年11月2日 申请日期2004年4月19日 优先权日2004年4月19日
发明者李世武, 宋昌奇 申请人:西北工业大学