流速测量方法以及流速测量系统的制作方法
【专利摘要】本发明的一方式的流速测量方法，包括：在配管表面的规定部分进行热交换；测量在规定部分进行热交换的配管的管轴方向上的表面的温度分布；基于测量到的温度分布，求出配管内部流动的热流体的流速。
【专利说明】
流速测量方法以及流速测量系统
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种流速测量方法以及流速测量系统。
[0002]本申请基于2014年2月6日在日本申请的申请号为第2014-021298号的申请要求优先权，并将上述内容引入本申请。
【背景技术】
[0003]以往，作为测量配管内流动的流体的流量的方法，公开了使用设置在配管表面的上游及下游的两个温度传感器，检测出配管内流动的流体的温度变化，基于此时的时间差求出配管内流动的流体的流速等的技术(例如，参照专利文献I)。
[0004]在应用上述以往技术测量蒸汽流速时，会有不能精确地测量的情况。这是因为蒸汽与水相比热传导率低很多，所以配管内流动的蒸汽的热量无法传导至配管表面，由温度传感器不能很好地检测出温度。于是，期待提供一种新技术，能够从配管的外部精确地地测量在内部流动的蒸汽的流速。
[0005]现有技术文献
[0006]专利文献
[0007]专利文献I:日本专利特开2010-261826号公报
【发明内容】
[0008]本发明的一方式提供一种流速测量方法以及流速测量系统，能够从外部精确地测量配管内流动的蒸汽的流速。
[0009]解决问题的手段
[0010]本发明的第一方式的流速测量方法优选为，包括:在配管表面的规定部分上进行热交换的步骤;测量在所述规定部分上进行热交换的所述配管的管轴方向上的所述表面的温度分布的步骤;基于测量到的所述温度分布，求出所述配管内部流动的热流体的流速的步骤。
[0011]上述第一方式中优选为，进行所述热交换的步骤包括:加热所述规定部分的步骤。
[0012]上述第一方式中优选为，测量所述温度分布的步骤包括:在所述规定部分、所述规定部分的上游侧以及所述规定部分的下游侧测量所述配管表面的温度的步骤。
[0013]上述第一方式中优选为，测量所述温度分布的步骤包括:测量所述配管的周向上的多个位置的温度的步骤。
[0014]上述第一方式中优选为测量所述温度分布的步骤还包括:测量所述多个位置的温度的平均值的步骤。
[0015]上述第一方式中优选为，进行所述热交换的步骤包括:使用环形的加热器，在所述配管表面的规定部分进行热交换的步骤。
[0016]上述第一方式中优选为，作为所述配管，使用所述规定部分、所述规定部分的上游侧以及所述规定部分的下游侧中至少任一部分被保温材料覆盖的配管。
[0017]上述第一方式中优选为，求出所述热流体的流速的步骤包括:求出蒸汽即热流体的流速的步骤。
[0018]本发明的第二方式的流速测量系统优选为，包括:热交换器，其与配管表面的规定部分进行热交换;温度测量部，其测量在所述规定部分与所述热交换器进行热交换的所述配管的管轴方向上的所述表面的温度分布;计算部，基于测量到的所述温度分布，计算出所述配管内部流动的热流体的流速。
[0019]上述第二方式中优选为，所述热交换器为加热装置。更优选为，所述加热装置为环形的加热器。
[0020]上述第二方式中优选为，所述温度测量部在所述规定部分、所述规定部分的上游侧以及所述规定部分的下游侧测量所述配管表面的温度。
[0021]上述第二方式中优选为，所述温度测量部测量所述配管的周向上的多个位置的温度。
[0022]上述第二方式中优选为，所述流速计算部计算出蒸汽即所述热流体的流速。
[0023]根据上述流速测量方法以及流速测量装置，能够从外部高精度地测量配管内流动的蒸汽的流速。
【附图说明】
[0024]图1是表示本实施方式的流速测量系统的概略结构图。
[0025]图2A是表示本实施方式的流速测量系统的主要部分结构图。
[0026]图2B是表示本实施方式的流速测量系统的主要部分结构图。
[0027]图2C是表示本实施方式的流速测量系统的主要部分结构图。
[0028]图3是表示本实施方式的控制单元的示意图。
[0029]图4是表示通过计算求出本实施方式的配管内部中热传导率的结果的表格。
[0030]图5是表示根据本实施方式的温度测量部的测量结果所获得的温度分布图。
[0031]图6是表示通过本实施方式的计算模拟，求出的蒸汽的流速以及温度分布的关系图。
【具体实施方式】
[0032]下面，将参照附图对本发明的几个实施方式进行说明。本实施方式的流速测量系统例如是能够测量在锅炉等蒸汽制造装置与负荷设备之间配置的配管内流动的热流体(例如，蒸汽)的流速。
[0033]图1是表示本实施方式的流速测量系统的概略结构图。图2A至图2C是表示本实施方式的流速测量系统的主要部分结构图。
[0034]如图1所示，本实施方式的流速测量系统100包括:加热部(热交换器)2、温度测量部3、控制单元(流速计算部)4。在图1中，配管10配置于蒸汽制造装置20(锅炉等)与负荷设备30之间。来自蒸汽制造装置20的蒸汽流过配管10，并向负荷设备30输送。在负荷设备30中使用蒸汽或蒸汽的热量。从负荷设备30排出的蒸汽以排水方式被回收，汇集于回水槽(未图示)后再次向蒸汽制造装置20供水。
[0035]加热部2通过与配管10表面1a进行热交换而对规定部分进行加热。在本实施方式中，加热部2可以由例如环形的加热器构成，如图2B所示，加热部2在配管10表面1a的规定位置，沿整个周向配置。由此，在配管10的规定部分(上述加热部2的设置部分11)上，加热部2能够对上述配管10表面1a均匀地加热。加热部2电连接于控制单元4，并控制加热部2的运转。
[0036]温度传感器组3A在配管10表面1a配置于加热部2的设置部分11的两侧(上游侧和下游侧)。各温度传感器组3A根据离上述设置部分11的距离，来确定设置位置。例如，以设置部分11的上游侧为例，各温度传感器组3A设置在离设置部分11的端面的距离为0mm、6mm、1 4mm、24mm、、??Οπιπι、、84mm、1 04mm、1 、1 ??Οπιπι、176mm的位置。在此，“离设置部分11的端面的距离为0mm”是指，温度传感器组3A沿着加热部2的端面配置。在图2B中，作为配管10的截面结构，图示了设置部分11下游侧端面附近(A-A向视剖面)，在图2C中，图示了离设置部分11下游侧端面的距离为24_的附近(B-B向视剖面)。
[0037]如图2A所示，温度传感器组3A配置为随着远离设置部分11，相邻的温度传感器组3A之间的距离每增大2mm。因此，温度传感器组3A越接近设置部分11(加热部2)，传感器的配置越为密集。由此，在设置部分11的附近，能够精确地检测出配管10表面1a的温度。
[0038]温度测量部3由多个(在本实施方式中，例如为十二个)温度传感器组3A构成。各温度传感器组3A在配管10表面1a上，沿上述配管10的管轴方向配置。各温度传感器组3A包括多个温度传感器3a，以分别测量配管10表面1a的温度。在本实施方式中，各温度传感器组3A由四个温度传感器3a构成。四个温度传感器3a在配管10表面1a上沿着周向均等地配置。SP，四个温度传感器3a在配管10的周向上，每隔90度配置。各温度传感器组3A将四个温度传感器3a的测量值的平均值作为测量值输出。这样，温度传感器组3A通过将对配管10表面1a的多个位置进行测量的值的平均作为测量值，能够输出可靠性高的测量结果(温度)。
[0039]根据这种结构，温度测量部3能够从各温度传感器组3A的测量结果得出配管10的沿管轴方向的表面1a的温度分布。由温度测量部3测量出的温度分布向控制单元4发送。
[0040]在配管10中，保温材料12覆盖表面1a的至少一部分。在本实施方式中，保温材料12以覆盖在配管10表面设置的加热部2以及温度测量部3(各温度传感器3a)的方式在整个管轴方向上设置。
[0041]图3是表示控制单元4的示意图。在图3中，计算装置50例如是计算机系统。控制单元4除计算装置50外还包括输入装置60和显示装置(输出装置)64。计算装置50具有A/D转换器等转换器61、CPU(运算处理装置)62、存储器63等。从流速测量系统100的温度测量部3传送的测量数据(温度分布)根据需要经由转换器61等进行转换，并被引入CPU62。另外，原始设定值及临时数据等经由输入装置60等被引入计算装置50。显示装置64能够显示与输入的数据相关的信息、与计算相关的信息等。
[0042]CPU62基于测量数据以及存储在存储器63的信息，能够计算出在配管10内部流动的蒸汽的流速。CPU62利用例如温度测量部3的测量结果(配管10的温度分布)，并且如后述那样，从存储在存储器63中的信息计算出配管10内部流动的蒸汽的流速。即，控制单元4构成计算出配管1内部流动的蒸汽的流速的流速计算部。
[0043]流速测量系统100及其测量方法着眼于如下几点:管内热传导随着在配管内流动的流体的流速而发生变化；以及根据管内热传导的变化，对配管表面施加的热量生成温度分布O
[0044]首先，说明管内热传导随着在配管内流动的流体(下面，也有称为管内流体的情况)的流速而发生变化的这一点。
[0045]下面的公式(I)是迪图斯-贝尔特(Dittus-Boelter)公式。下面的公式(2)是表示努塞尔数(Nusselt number)的公式。下面的公式(3)是表示普朗特数(Prandtl number)的公式。下面的公式(4)是表示雷诺数(Reynoldsnumber)的公式。
[0046]Nu = 0.023 X Re0.8 X Pr0.4 (I)
[0047]Nu = QiXdiA (2)
[0048]Pr = vXpXCp/A (3)
[0049]Re = uXdi/v (4)
[0050]其中，
[0051]d1:配管的内径(m)
[0052]λ:热传导率(W/m/K)
[0053]V:动力粘滞系数(m2/s)
[0054]P:流体的密度(kg/m3)
[0055]Cp:比热(KJ/Kg/K)
[0056]u:管内流体的流速(m/s)
[0057]a1:配管内部的热传导率(w/m2.K)
[0058]在图4中示出的是，管内流体(在配管内流动的流体)分别为蒸汽和水的情况下，通过上述公式(I)至(4)，计算出配管内部的热传导率ai的结果。在该计算中，管内流体是压力为800kPa的饱和蒸汽，上述di(配管的内径)为0.lm。
[0059]如图4所示，蒸汽的热传导率ai约为191，水的热传导率ai约为39604。即，假设蒸汽的热传导率ai为I的情况下，相对于蒸汽，水的热传导率ai为207.28。可知，蒸汽与水相比其热传导率非常小。由此可知，非常难以测量蒸汽流速发生变化时内部蒸汽的热传导方式变化所引起的配管外侧(表面)温度的变化。
[0060]根据上述公式(I)至(4)可知，配管内部中的热传导率ai与管内流体的流速u的0.8次方成正比。
[0061]在此，配管内部中的热传导率ai可以被视为，管内流体从配管的径向内侧向外侧传导热量的容易程度(下面，也有称为管内热传导的情况)。
[0062]g卩，管内流体的流速快时，管内流体的管内热传导变得较大，管内流体的流速慢时，管内流体的管内热传导变得较小。
[0063]如上所述，可以确认的是，管内的热传导随着管内流体的流速变化而发生变化。
[0064]接下来，说明根据管内热传导的变化，对配管表面施加的热量生成温度分布的这一点。
[0065]就作为配管的构成材料通常使用的钢材而言，与流体的管内热传导相比，管轴方向的热传导非常大。在蒸汽的情况下尤其明显。因此，例如，在配管表面上施加热量时，所施加的热量不是向内侧(半径方向)传导，而是主要沿着配管表面的方向(管轴方向)传导。
[0066]—方面，在配管表面上施加的热量中有不少向配管的内侧传导。向配管内侧进行热传导的热量影响上述管内热传导的大小。
[0067]S卩，在管内热传导比较大的情况下(管内流体的流速快的情况下)，热量在配管内侧的传导变得容易，因此，在配管表面上施加的热量向配管的内侧传导。所以，可以得出配管表面上的温度分布不会在管轴方向上扩散的结论。
[0068]另外，在管内热传导比较小的情况下(管内流体的流速慢的情况下)，热量在配管内侧的传导变得困难，因此，在配管表面上施加的热量比起配管的内侧，更容易沿表面传导。所以，可以得出配管表面上的温度分布向管轴方向扩散的结论。
[0069]本
【发明人】们基于上述结论发现了，从外部加热配管时，基于在管轴方向上生成的温度分布，能够推算出配管内流动的流体的流速的现象，从而完成了本发明的一方式的流速测量系统以及流速测量方法。
[0070]接下来，说明根据本实施方式的流速测量系统100的流速测量方法。
[0071]首先，控制单元4驱动加热部2，并使配管10表面1a处于被加热的状态(第一工序)。
[0072]接下来，控制单元4开始从蒸汽制造装置20经由配管10向负荷设备30供给蒸汽。在配管10中，因蒸汽流动而在径向上，管内的热传导率发生变化。
[0073]温度测量部3测量配管10的管轴方向上的温度。具体而言，温度测量部3由各温度传感器组3A测量配管1的管轴方向的表面I Oa的温度分布(第二工序)。
[0074]在测量配管10的温度分布时，例如可以考虑控制加热部2的初始温度为恒定温度的方法和将加热部2的热量输入设为恒定的方法。根据将加热部2的热量输入设为恒定的方法能够使温度差(温度分布)变大，从而能够使测量灵敏度提升。
[0075]控制单元4例如从温度测量部3的测量结果，获得如图5的实线所示那样配管10表面1a的温度分布在管轴方向上相对不扩散的数据。在此，“温度分布在管轴方向上不扩散的情况”取决于，由于蒸汽的流速快而管内的热传导变高，并且由加热部2施加的热量向配管10的内侧传导的情况。
[0076]另外，控制单元4获得如图5的虚线所示那样，配管10表面1a的温度分布在管轴方向上相对扩散的数据。在此，“温度分布会在管轴方向上扩散的情况”取决于，由于蒸汽的流速慢而管内的热传导变低，并且由加热部2施加的热量向配管10的外侧传导的情况。
[0077]通过温度测量部3的测量结果(温度分布数据)向控制单元4传送。控制单元4利用配管10的温度分布的测量数据，从存储在存储器63(参照图3)中的信息计算出配管10内部流动的蒸汽的流速(第三工序)。
[0078]存储器63中存储有例如预先通过实验或模拟等求出的蒸汽的流速和温度分布相关的信息。控制单元4读取存储器63中存储的上述信息，通过比较配管10的温度分布的测量值，能够计算出与实际测量的温度分布(温度测量部3的测量结果)相对应的蒸汽的流速。
[0079]下面，说明通过计算模拟求出存储于存储器63中的信息(蒸汽的流速以及温度分布的关系)的例子。
[0080]该计算模拟的条件为:在管内径为100mm、管外径为I1mm的配管内，使0.SMPa的饱和蒸汽以lOm/s的流速流动，作为配管的构成材料的钢材的热传导率为50W/m/K。另外，网眼(mesh)尺寸在管轴方向及管厚度方向上均为5_。然后，以使进入网眼的热量和出来的热量相同的方式进行收敛计算。
[0081]具体而言，在该计算中，对网眼的热量输入按照以下方式进行:对最初的网眼的热量输入由加热部2进行，对下一个网眼的热量输入从相邻的网眼的钢材通过热传导来进行。另外，就从网眼的热量输出而言，各网眼都利用配管内的蒸汽的流动通过热传导来进行热量输出。
[0082]以各网眼为热量平衡、来自加热部2的供热作为向蒸汽传导的输出热量，而通过收敛计算而求出温度分布。
[0083]作为温度分布的计算条件，在蒸汽流速为lOm/s和蒸汽流速为5m/s的情况下的初始温度均设为50°C。此时，在蒸汽流速为10m/s的情况下，单个网眼(unit cell)的热量输入为118.9W，在蒸汽流速为5m/s的情况下每单位单元热量输入为88.4W。
[0084]根据如上所述的计算模拟，能够获得例如图6的曲线所示的数据(表示蒸汽流速与温度分布关系的数据)。存储器63中存储有通过适当变更上述计算模拟的条件(流速、配管的厚度、蒸汽压力、配管的材质、内径、外形等)而获得的各种数据。
[0085]控制单元4将如图5所示的温度测量部3的测量结果(温度分布)与存储于存储器63中的如图6所示的多个数据相比较，求出与温度分布相对应的流速并作为配管10内部流动的蒸汽的流速。
[0086]如上所述，根据本实施方式，无需使用不能直接测量的内部流体即蒸汽的温度，就能够基于配管10表面1a上生成的温度分布求出蒸汽的流速。所以，能够从配管10的外部简便且精确地求出蒸汽的流速。
[0087]以上是对本发明的一实施方式进行了说明，但不限于上述实施方式，在不脱离发明的主旨范围内可以适当变更。例如，在上述实施方式的配管10中，加热部2和温度测量部3(各温度传感器3a)被保温材料12覆盖，但不限与此。例如，考虑到配管10表面1a的散热，控制单元4只要能够对从温度测量部3传送的测量数据(温度分布)进行补正，就可以不使用保温材料12覆盖配管10表面10a。或者，也可以构成为，保温材料12只覆盖表面1a的一部分(温度测量部3的设置部分)。
[0088]另外，在上述实施方式中，举例说明了测量热流体即在配管内流动的蒸汽的流速的情况，但本发明不限于此，也能够适用于测量在配管内流动的热水的流速的情况。另外，在配管内流动的流体也可以是碳氟化合物、氨水、液化天然气(LNG:Liquefied NaturalGas)等，本发明也可以适用于对这些流体流速的测量。
[0089]另外，在上述实施方式中，以加热部2例子说明了与配管10进行热交换的热交换器，但本发明不限于此。例如，作为热交换器，可以使用冷却配管10表面1a的冷却器，此时，通过冷却，基于配管10的管轴方向上生成的温度分布测量配管10内流动的蒸汽的流速。但在这种情况下，蒸汽为饱和蒸汽或者接近饱和的过热蒸汽时，有可能会产生冷凝，因此，在计算热传导率时需要考虑这个因素。
[0090]附图标记说明
[0091]2 加热部(热交换器、加热装置)
[0092]3 温度测量部
[0093]4 控制单元(流速计算部)
[0094]10 配管
[0095]1a 表面
[0096]11 设置部分(规定部分)
[0097]12 保温材料
[0098] 100流速测量系统。
【主权项】
1.一种流速测量方法，其中，包括: 在配管表面的规定部分上进行热交换的步骤； 测量在所述规定部分上进行热交换的所述配管的管轴方向上的所述表面的温度分布的步骤； 基于测量到的所述温度分布，求出所述配管内部流动的热流体的流速的步骤。2.如权利要求1所述的流速测量方法，其中， 进行所述热交换的步骤包括:加热所述规定部分的步骤。3.如权利要求1或2所述的流速测量方法，其中， 测量所述温度分布的步骤包括:在所述规定部分、所述规定部分的上游侧以及所述规定部分的下游侧测量所述配管表面的温度的步骤。4.如权利要求1至3中任一项所述的流速测量方法，其中， 测量所述温度分布的步骤包括:测量所述配管的周向上的多个位置的温度的步骤。5.如权利要求4所述的流速测量方法，其中， 测量所述温度分布的步骤还包括:测量所述多个位置的温度的平均值的步骤。6.如权利要求1至5中任一项所述的流速测量方法，其中， 进行所述热交换的步骤包括:使用环形的加热器，在所述配管表面的规定部分进行热交换的步骤。7.如权利要求1至6中任一项所述的流速测量方法，其中， 作为所述配管，使用所述规定部分、所述规定部分的上游侧以及所述规定部分的下游侧中至少任一部分被保温材料覆盖的配管。8.如权利要求1至7中任一项所述的流速测量方法，其中， 求出所述热流体的流速的步骤包括:求出蒸汽即热流体的流速的步骤。9.一种流速测量系统，其中，包括: 热交换器，其与配管表面的规定部分进行热交换； 温度测量部，其测量在所述规定部分与所述热交换器进行热交换的所述配管的管轴方向上的所述表面的温度分布； 计算部，基于测量到的所述温度分布，计算出所述配管内部流动的热流体的流速。10.如权利要求9所述的流速测量系统，其中， 所述热交换器为加热装置。11.如权利要求10所述的流速测量系统，其中， 所述加热装置为环形的加热器。12.如权利要求9至11中任一项所述的流速测量系统，其中， 所述温度测量部在所述规定部分、所述规定部分的上游侧以及所述规定部分的下游侧测量所述配管表面的温度。13.如权利要求9至12中任一项所述的流速测量系统，其中， 所述温度测量部测量所述配管的周向上的多个位置的温度。14.如权利要求9至13中任一项所述的流速测量系统，其中， 所述流速计算部计算出蒸汽即所述热流体的流速。
【文档编号】G01F1/684GK105960577SQ201580006985
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2015年2月4日
【发明人】梅沢修, 梅沢修一, 田中胜彦, 横坂雅树, 宫内亮二
【申请人】东京电力控股株式会社