一种湿蒸汽干度流量双参数测量方法与流程

本发明属于蒸汽测量技术领域，涉及一种联合式湿蒸汽干度、流量测量装置及双参数测量方法。

背景技术：

湿蒸汽是一种以汽相为连续相、液相为离散相且一定工况下具有稳定流动结构的汽液两相混合物。湿蒸汽的干度和质量流量是设备安全运行、热工实验研究的重要参数，也关系到蒸汽能源的保护与充分利用。例如，在热力采油中，向油井注入的高温高压湿蒸汽的干度和流量，对采油效率和能耗有重要影响；对蒸汽透平和核电站的汽轮机末端叶片，蒸汽的干度严重影响做功效率和叶片寿命；在低温自然循环核供热堆中，湿蒸汽的干度和流量对反应堆运行安全影响较大；在化工、制药、食品加工等工业中，对蒸汽干度和流量的控制与产品质量有重要关系。

为实现对湿蒸汽的科学管理和生产过程控制，需要同时对蒸汽干度和流量进行测量。传统的单相流量计，如差压式、超声、涡轮、科式力流量计等，在湿蒸汽的流量计量中存在差压偏高、仪表系数改变等问题，且这些均为单参数测量方法，无法满足干度、流量双参数测量的要求。在蒸汽系统中，由于蒸汽性质、两相相变以及工况流型非常复杂，使得干度测量成为国际上一个没有很好解决的难题，而蒸汽流量又与干度相互耦合，给测量带来困难。

基于组合式仪表的双参数测量方法，为湿蒸汽的干度和流量测量提供了新的思路。双参数测量中发明较多的是双差压式组合：通过联立两个差压流量计的流量公式进行求解。然而，这种测量方法因两者流量模型和差压特性过于相近，会导致测量误差较大，甚至联立方程不可求解。

技术实现要素：

为在工业应用中实现对湿蒸汽的实时测量，克服湿蒸汽的干度、流量计量精度较差的不足，本发明提出一种联合式湿蒸汽干度、流量测量装置和双参数测量方法。本发明的技术方案如下：

一种湿蒸汽干度流量双参数测量方法，采用的湿蒸汽测量装置包括涡街流量计、V锥流量计和压力传感器；涡街流量计和V锥流量计串联连接在待测蒸汽管道中，前者位于上游，后者位于下游，测量方法包括：

第一步：采集涡街流量计测得涡街频率f和V锥流量计测得湿蒸汽的差压Δp_TP；采集压力变送器测得蒸汽压力p，并计算饱和蒸汽密度ρ_g；

第二步：对V锥仪表系数K₁和涡街流量计仪表系数K₂进行标定：

结合涡街频率f，得涡街测得的湿蒸汽中的汽相质量流量

其中，旋涡发生体两侧弓形面积与蒸汽管道内横截面的面积之比m为

其中，Sr为涡街的斯特劳哈儿数，d_A为涡街流量计的旋涡发生体迎流面宽度，D为蒸汽管道内直径，π为圆周率。

过读的汽相质量流量为

真实的汽相质量流量为

其中，V锥的等效直径比β为

Δp_G为湿蒸汽中的汽相引起的压降，d_B为V锥流量计中V形椎体的最大横截面直径，C为V锥流量计的流出系数，ε为蒸汽的可膨胀系数。

认为涡街流量计和V锥流量计两者测得的蒸汽相的质量流量相等，即

W_mG＝Q_mG (6)

第三步：计算V锥差压的过读因子

建立V锥的过读因子与L-M参数和蒸汽-液相密度比之间的关联式

其中m_g为蒸汽质量，m_l为液滴质量，ρ_l为液滴密度，系数a、b通过湿蒸汽实验数据进行标定。

第四步：计算干度

根据(1)式和(9)式，计算湿蒸汽质量流量

本发明基于两种不同原理的流量计组合提出的湿蒸汽测量装置和测量方法，能够同时测量出湿蒸汽的干度和质量流量，具有测量精度高、稳定可靠、结构简单、制造成本低的优点，可以满足湿蒸汽双参数测量的要求。

附图说明

图1：涡街、V锥在湿蒸汽管路的安装示意图，其中：

1、涡街流量计 2、压力传感器 3、V锥流量计 4、蒸汽管道

5、涡街发生体 6、V锥椎体

图2：基于涡街和V锥的湿蒸汽双参数测量原理示意图，其中：

7、压力变送器 8、差压变送器 9、信号调理电路 10、计频器

11、中央处理器 12、显示器

具体实施方式：

现结合附图1和附图2对本发明作进一步描述：

为克服双差压式组合测量中联立方程不可求解的问题，本发明采用两种不同原理的流量计组合：涡街流量计和V锥流量计作为测量装置，并选用内置有湿蒸汽流量处理程序的中央处理器。将涡街流量计和V锥流量计串联连接在蒸汽管道中。基于涡街对前直管段要求较高，且V锥具有具备抗上游强扰动、自清洁能力强等特点，沿蒸汽来流方向，采用涡街在前、V锥在后的连接方式。压力传感器安装在涡街和V锥之间的蒸汽管道中。中央处理器安装在仪表箱内，显示器嵌入仪表箱，仪表箱的支撑杆焊接在蒸汽管道的外壁面上；中央处理器内置有蒸汽干度、流量数学模型和IAPWS-IF97公式计算模块。

本发明由经标定的涡街和V锥作为一次测量元件，涡街信号经信号调理电路转化为方波信号，由计频器输出涡街频率；差压变送器和压力变送器转换并传输4-20mA标准信号，并经I/V转换为1-5V电压信号。涡街频率和V锥差压、蒸汽管道压力信号进入高速数据采集卡，最后在中央处理器中，根据压力信号调用饱和蒸汽和水的IAPWS-IF97公式模块计算饱和蒸汽和饱和水的密度，结合测得差压和涡街频率，计算待测湿蒸汽的干度、质量流量。

本实施例是一种湿蒸汽测量装置和测量方法的应用，测量蒸汽管道内的湿蒸汽干度和质量流量。湿蒸汽压力为4.3-8.6Mpa，湿蒸汽流量为4-14t/h，蒸汽干度为60％-95％，蒸汽管道内径为50mm。

本实施例包括涡街流量计1、压力传感器2、V锥流量计3、压力变送器7、差压变送器8、涡街信号调理电路9、计频器10、中央处理器11和显示器12。涡街流量计1和V锥流量计3串联连接在待测蒸汽管道4中，两者连接顺序为涡街在前、V锥在后，压力传感器2安装在两者之间的蒸汽管道4中。中央处理器11安装在仪表箱内，显示器嵌入仪表箱，仪表箱的支撑杆焊接在蒸汽管道的外壁面上；中央处理器11内置有蒸汽干度、流量数学模型和IAPWS-IF97公式计算模块。

压力和差压信号分别由压力变送器7和差压变送器8转换并传输4-20mA标准信号，并经I/V转换为1-5V电压信号。涡街信号经信号调理电路9转化为方波信号，由计频器10输出涡街频率。涡街频率和V锥差压、蒸汽管道压力信号进入高速数据采集卡，最后在中央处理器11中，根据压力信号调用饱和蒸汽和水的IAPWS-IF97公式模块计算饱和蒸汽和饱和水的密度，结合测得差压和涡街频率，计算待测湿蒸汽的干度、质量流量，并进行显示和存储。

本实施例还提出了一种湿蒸汽质量流量和干度的测量方法，其具体步骤是：

第一步：采集涡街流量计1测得涡街频率f和V锥流量计3测得湿蒸汽的差压Δp_TP，采集压力变送器7测得蒸汽压力p，并根据IAPWS-IF97公式，计算得饱和蒸汽密度ρ_g；

第二步：对V锥仪表系数K₁和涡街流量计仪表系数K₂进行标定。结合计频器10输出的涡街频率f，得涡街测得的湿蒸汽中的汽相质量流量

其中，旋涡发生体两侧弓形面积与蒸汽管道内横截面的面积之比m为

K₂为涡街仪表系数，f为涡街流量计的旋涡发生频率，ρ_g为饱和蒸汽密度，Sr为涡街的斯特劳哈儿数，d_A为涡街流量计的旋涡发生体迎流面宽度，D为蒸汽管道内直径，π为圆周率。

在湿蒸汽两相流中，V锥所测的两相压降Δp_TP比汽相引起的压降Δp_G要大。因此，如果直接用两相压降计算汽相质量流量，会存在“过读”，过读的汽相质量流量为

真实的汽相质量流量为

其中，V锥的等效直径比β为

K₁为V锥仪表系数，Δp_TP为湿蒸汽两相流测得的蒸汽差压，Δp_G为湿蒸汽中的汽相引起的压降，d_B为V锥流量计中V形椎体的最大横截面直径，C为V锥流量计的流出系数，ε为蒸汽的可膨胀系数。

由于涡街流量计1和V锥流量计3距离很近，可认为两者测得的蒸汽相的质量流量相等，即

W_mG＝Q_mG (6)

第三步：利用(6)式的质量流量相等，计算V锥差压的过读因子

根据两相流中的差压“过读”理论，建立V锥的过读因子与L-M参数(Lockhart Martinelli)和蒸汽-液相密度比之间的关联式

其中m_g为蒸汽质量，m_l为液滴质量，ρ_l为液滴密度。通过180组湿蒸汽实验数据的标定结果为a＝3.3,b＝22.5。

第四步：根据第三步中的过读因子关联式(8)，计算干度

根据(1)式和(9)式，计算湿蒸汽质量流量

第五步：对待测湿蒸汽的干度和质量流量进行显示和存储。

对除了标定数据之外的500组实验数据进行验证，95％的实验数据质量流量相对误差在±6％以内，干度相对误差在±3％以内。