專利名稱：能恒混合式水蒸氣干度的測量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能恒混合式水蒸氣干度的測量方法及裝置，用于測量水蒸汽干度。
背景技術(shù)：
水蒸氣干度是水蒸氣的重要品質(zhì)參數(shù)，含有氣相水蒸汽和液相水的混合物流體稱作濕水蒸汽，也叫作飽和蒸汽，其中氣相水蒸汽的質(zhì)量與水蒸汽質(zhì)量的比被定義為水蒸氣的干度。在用于石油開采過程的熱力采油技術(shù)，向油層注入的高溫水蒸汽干度對采油的經(jīng)濟性有著重要的影響。在蒸汽輪機的末端幾級葉片，水蒸氣干度對蒸汽輪機的葉片壽命和蒸汽輪機的效率影響也很大。在化工、食品加工、制藥等工業(yè)中，水蒸氣干度同樣是不可忽視的重要因素，而且需要連續(xù)地檢測與控制水蒸汽干度。
目前測量水蒸氣干度的方法一類為光學(xué)探針法、電導(dǎo)探針法、電容法、熱線法等。這類方法的局限性主要包括以下兩個方面首先，在工程的實際應(yīng)用中，由于是氣液兩相的混合物，其物理特性在時間和空間上都存在著不均勻性；其次，氣液兩相流的截面含氣率與容積含氣率并不相等，他們之間的差異取決于氣液間的滑動比。而滑動比卻是一個未知數(shù)，它的大小與兩相流量、含氣率、工質(zhì)物性等許多因素有關(guān)，因而影響了測量的準(zhǔn)確性和適用范圍(葉強、陳聽寬、羅梳珊，利用雙節(jié)流元件測量兩相流干度，熱能動力工程，第16卷第3期，2001年)。另外，按照這類方法所制造的儀器，一般來說，造價較高、受使用場合限制較多，測量精度和使用壽命都不是十分理想。
另一類水蒸氣干度的測量方法是熱力學(xué)方法，主要有節(jié)流法、凝結(jié)法、蒸汽空氣混合法、加熱法等。這類方法均屬于抽汽取樣法，其特點是需要從待測干度的水蒸汽中抽取部分試樣，然后引向測量裝置。節(jié)流法是將抽取的水蒸汽試樣節(jié)流到較低的壓力，使節(jié)流后的蒸汽處于過熱狀態(tài)，根據(jù)絕熱節(jié)流前后焓值不變條件，求出水蒸汽的干度。但由于節(jié)流后，壓力低限的限制以及為保證節(jié)流后的蒸汽為過熱狀態(tài)，節(jié)流法不適宜用來測量低壓水蒸氣干度，并對水蒸氣干度的測量范圍有一定的限制。蒸汽空氣混合法是將抽取的水蒸汽試樣在混合室中與外界引入的干空氣在絕熱條件下混合，并保證混合后的空氣中水分含量尚未達到飽和狀態(tài)，由質(zhì)量守恒及能量守恒原理，求出水蒸氣的干度。雖然蒸汽空氣混合法，無需對抽取的水蒸汽試樣流量和熱空氣流量進行測量，使測量裝置得到了簡化，但為了保證混合室出口處空氣中的水分含量未達到飽和，必須送入大量的熱空氣，這限制了該方法的實際應(yīng)用場合。加熱法是將抽取的水蒸汽試樣加熱到干飽和狀態(tài)或過熱狀態(tài)，測量出水蒸汽試樣的質(zhì)量、所加入的熱量以及加熱前后的試樣熱力參數(shù)的變化，計算出水蒸汽的干度。由于加熱法需要測量水蒸汽試樣的流量，而水蒸汽屬于氣體，氣體流量儀表的精度要低于同類液體流量儀表的精度，所以自然影響了測量的精度。
凝結(jié)法是將抽取的水蒸汽試樣在冷凝器中凝結(jié)成水，根據(jù)冷凝器中的冷卻水所吸收的蒸汽凝結(jié)熱量來計算出水蒸汽的干度。在工程應(yīng)用中，凝結(jié)法應(yīng)是一種測量水蒸汽干度的實用和較好的方法。如中國發(fā)明專利申請01118995.9所公開的一種蒸汽干度自動測量和控制方法及裝置，就是一個具有工程實用性和測量精度都較好的方法，該測量方法為(1)測量待測干度的水蒸汽溫度，由熱力學(xué)表查得該溫度下的飽和水的比焓h′、汽化潛熱r和飽和水的比熱C；(2)將待測干度的水蒸汽引入管殼式換熱器中，蒸汽走管程，冷卻水走殼程，測量冷卻水進換熱器前的流量L1和溫度T1，測量冷卻水出換熱器的溫度T2，蒸汽出換熱器后的溫度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計算出待測干度的水蒸汽干度X；(4)冷卻水出換熱器的溫度t2控制在不超過70℃。
(5)蒸汽出換熱器后的溫度t3控制在不小于60℃。
這種蒸汽干度自動測量和控制方法及裝置，存在著以下技術(shù)上的缺陷，具體表現(xiàn)為[1]測量裝置過大，不易保證該裝置與外界環(huán)境的絕熱效果該測量方法是依據(jù)流體通過管殼式換熱器進行絕熱冷凝的質(zhì)量守恒與能量守恒原理形成的。由于管殼式換熱器屬于間壁式換熱器，待測干度的水蒸汽與冷卻水進行非混合的換熱，并使水蒸汽的溫度降低、發(fā)生相變而冷卻為未飽和水，就需要換熱器有較大的體積。在工程上實現(xiàn)較大體積的換熱器具有充分的保溫以達到絕熱效果是較為困難的。
確定水蒸汽干度的計算公式不準(zhǔn)確或有誤在計算水蒸汽干度的公式中，涉及到飽和水的比熱C。由于飽和水或者未飽和水的比熱不僅與溫度有關(guān)，而且還與壓力有關(guān)，只不過溫度對比熱的影響程度要大于壓力。但是，由于T1、T2和T3完全不相等，更不用說還有所對應(yīng)點的壓力也不相同，因此，公式hX＝[L1·C·(T2-T1)+L2·C·T3]/L2中所出現(xiàn)的兩個比熱C應(yīng)該是完全不同的，也就是說該公式是錯誤的。正確的公式應(yīng)當(dāng)是這樣的，即hX=[L1·C‾1-2·(T2-T1)+L2·C‾0-3·T3]/L2,]]>其中 為溫度在T1與T2之間的未飽和水的平均比熱， 為溫度在0℃(基準(zhǔn)溫度)與T3之間的未飽和水的平均比熱。例如，作為壓力為15MPa的待測干度的水蒸汽，通過換熱器冷凝后，溫度T3為70℃，那么壓力為15MPa溫度從70℃到0℃之間的未飽和水平均比熱 是5.29kJ/(kg·℃)，而作為冷卻水，在壓力0.5MPa下通過換熱器后溫度T1從20℃提高到溫度T2為70℃，則壓力0.5MPa下溫度20℃到70℃之間的未飽和水平均比熱 是4.18kJ/(kg·℃)。由此可見，兩者之間的相對誤差為2·(5.29-4.18)/(5.29+4.18)＝23％，顯然，比熱C的取值是重要的，它直接關(guān)系到測量水蒸汽干度的精度。
未突出影響測量精度的關(guān)鍵因素以及保證措施用公式hX＝[L1·C·(T2-T1)+L2·C·T3]/L2和X＝(hX-h′)/r計算出待測干度的水蒸汽干度X，其測量精度主要依賴于冷卻水進換熱器前的流量L1和蒸汽出換熱器后的流量L2，這一關(guān)鍵因素并沒有給予強調(diào)。如果流量L1和流量L2的測量精度不高，將導(dǎo)致由這一方法所測量的水蒸汽干度誤差較大。
未突出實現(xiàn)測量裝置準(zhǔn)確測量的必要條件以及實現(xiàn)措施由該方法所提出的測量裝置必須與外界環(huán)境有充分的保溫以達到絕熱的效果，否則將導(dǎo)致由這一方法所測量的水蒸汽干度誤差較大，對這一實現(xiàn)測量裝置準(zhǔn)確測量的必要條件也沒有給予強調(diào)。
工程實用性受到測量裝置造價的影響當(dāng)待測干度的水蒸汽壓力較高時，如壓力為15MPa，則該方法所涉及的管殼式換熱器就需要耐高壓，而耐高壓的管殼式換熱器造價較大，這將導(dǎo)致由該方法所提出的測量裝置造價較大而影響在工程上的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
為避免現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，本發(fā)明提出了一種能恒混合式水蒸汽干度的測量方法及裝置，可以彌補現(xiàn)有凝結(jié)法測量水蒸汽干度的技術(shù)缺陷，具有測量準(zhǔn)確度很高、水蒸汽干度測量范圍寬、測量裝置體積小、造價低、實用性強的優(yōu)點。
本發(fā)明的技術(shù)特征在于將待測干度的水蒸汽與冷卻水分別引入絕熱混合器內(nèi)混合，使水蒸汽降溫、形成從氣相變?yōu)橐合嗟奈达柡退鞒鼋^熱混合器。通過測量入口冷卻水的流量、溫度和壓力，測量入口待測干度的水蒸汽溫度，測量出口未飽和水的流量、溫度和壓力，依據(jù)能量守恒和質(zhì)量守恒原理來確定待測的水蒸汽干度X為X=G1·(C0-3·T3-C0-1·T1)+G2·(C0-2·T2-C0-3·T3)(G2-G1)·r]]>其中G1、T1和P1為進入絕熱混合器的冷卻水流量、溫度和壓力，T3為進入絕熱混合器的待測干度的水蒸汽溫度，G2、T2和P2為離開絕熱混合器的未飽和水的流量、溫度和壓力，C0-1為T1、P1與0℃之間的平均比熱，C0-2為T2、P2與0℃之間的平均比熱，C0-3為T3與0℃之間的平均比熱，r為溫度T3下的汽化潛熱。
C0-1、C0-2、C0-3和r的取得，可以查水與水蒸汽熱物性圖表中的液態(tài)區(qū)域，或通過水與水蒸汽熱物性模型計算出C0-1、C0-2、C0-3和r。
一種實現(xiàn)權(quán)利要求1所述的能恒混合式水蒸汽干度的測量方法的裝置，其特征在于待測干度的水蒸汽入口管道與絕熱混合器相連，在待測干度的水蒸汽入口管道上，前部安裝了溫度表T3、中部安裝了節(jié)流調(diào)節(jié)閥F2、后部安裝壓力表P3；冷卻水入口管道與絕熱混合器相連，在冷卻水入口管道上，前部安裝了液體流量表G1、壓力表P1和溫度表T1、后部安裝了節(jié)流調(diào)節(jié)閥F1；未飽和水出口管道與絕熱混合器相連，在未飽和水出口管道上，安裝了溫度表T2、壓力表P2和液體流量表G2。
所述的絕熱混合器是一個圓形容器或其它形狀的容器，內(nèi)部設(shè)置了一個水蒸汽混流器和兩個折流板，水蒸汽混流器的上部與待測干度的水蒸汽入口管道相接，而下部封閉，在水蒸汽混流器外壁上開有多排水蒸汽出流孔。
安裝在待測干度的水蒸汽入口管道上的節(jié)流閥F2，其功能是調(diào)節(jié)待測干度的水蒸汽流量G3和壓力P3，使流量G3在保證測量精度的條件下盡可能的小，并滿足壓力關(guān)系P3＜P1。
在冷卻水入口管道上的節(jié)流閥F1，其功能是調(diào)節(jié)冷卻水入口流量G1，使流量G1在保證測量精度的條件下盡可能的小，并使未飽和水出口溫度T2小于壓力P2下的飽和溫度。冷卻水入口管道上的入水以及未飽和水出水管道上的出水均為未飽和水，并且在待測干度的水蒸汽溫度T3、未飽和水溫度T2和冷卻水溫度T1之間，具有T3＞T2＞T1的關(guān)系。
所述的測量冷卻水的液體流量表G1和測量未飽和水的液體流量表G2，為了保證獲得較高的測量水蒸汽干度的精度，應(yīng)采用高精度的流量表，同時應(yīng)調(diào)整流量G1和G2，使1.03＜G2/G1＜1.20。
各測量儀表與數(shù)據(jù)處理計算機之間建立通訊連接，并由該計算機完成數(shù)據(jù)處理并確定待測的水蒸汽干度。
在待測干度的水蒸汽入口管道、冷卻水入口管道、未飽和水出口管道、兩個節(jié)流閥和絕熱混合器的外壁面上均鋪設(shè)保溫材料。
本發(fā)明提出的測量方法和測量裝置，彌補了現(xiàn)有凝結(jié)法測量水蒸汽干度的技術(shù)缺陷(即測量裝置較大，不易保證該裝置與外界環(huán)境的絕熱效果；確定水蒸汽干度的計算公式不準(zhǔn)確或有誤；未突出影響測量精度的關(guān)鍵因素以及保證措施；未突出實現(xiàn)測量裝置準(zhǔn)確測量的必要條件以及實現(xiàn)措施；工程實用性受到測量裝置造價的影響)。本發(fā)明所提出的能恒混合式水蒸汽干度的測量方法及裝置，具有測量準(zhǔn)確度很高、水蒸汽干度測量范圍寬、測量裝置體積小、造價低、實用性強的優(yōu)點。


圖1能恒混合式水蒸汽干度的測量裝置圖2絕熱混合器
具體實施例方式現(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述能恒混合式水蒸汽干度的測量方法及裝置的實施例如圖1所示，取出能恒混合式水蒸汽干度的測量裝置(以下簡稱裝置)，先將裝置的節(jié)流調(diào)節(jié)閥F1和節(jié)流調(diào)節(jié)閥F2關(guān)閉，然后將裝置的水蒸汽入口管道插入并安裝在待測干度的水蒸汽管道上，將裝置的冷卻水入口管道與當(dāng)?shù)氐睦鋮s水源相接，將裝置的未飽和水出水管道與當(dāng)?shù)氐男钏毓艿老嘟印?br> 較小地開啟節(jié)流調(diào)節(jié)閥F1的開度使冷卻水通過裝置，然后稍許開啟節(jié)流調(diào)節(jié)閥F2的開度使待測干度的水蒸汽進入裝置。
觀察裝置上的壓力表P1、壓力表P3、流量表G1和流量表G2，或者觀察數(shù)據(jù)處理計算機上的數(shù)據(jù)處理顯示，緩慢地調(diào)整節(jié)流調(diào)節(jié)閥F1和節(jié)流調(diào)節(jié)閥F2的開度，使?jié)M足壓力關(guān)系P3＜P1、滿足流量關(guān)系1.03＜G2/G1＜1.20。
觀察數(shù)據(jù)處理計算機上的數(shù)據(jù)處理顯示，使進入裝置的冷卻水和離開裝置的未飽和水均處在未飽和狀態(tài)。
此時，裝置安裝并調(diào)節(jié)完畢。溫度表T3、壓力表P3、液體流量表G1、壓力表P1、溫度表T1、溫度表T2、壓力表P2和液體流量表G2將測量到的參數(shù)通過網(wǎng)絡(luò)連線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理計算機，該計算機按照所存儲的水與水蒸汽熱物性圖表或者水與水蒸汽熱物性模型，確定T1、P1與0℃之間的平均比熱C0-1，T2、P2與0℃之間的平均比熱C0-2，T3與0℃之間的平均比熱C0-3，以及溫度T3下的汽化潛熱r，由公式X=G1·(C0-3·T3-C0-1·T1)+G2·(C0-2·T2-C0-3·T3)(G2-G1)·r]]>確定出待測的水蒸汽干度，在該計算機上顯示和記錄，并連續(xù)實時地工作。該計算機始終對傳輸?shù)降膮?shù)作判斷，當(dāng)出現(xiàn)P3＞P1的情況，或者出現(xiàn)不滿足流量關(guān)系1.03＜G2/G1＜1.20的情況，或者出現(xiàn)進入裝置的冷卻水或離開裝置的未飽和水不處在未飽和狀態(tài)，此時，該計算機就報警，并指示需要對節(jié)流調(diào)節(jié)閥F1和節(jié)流調(diào)節(jié)閥F2的開度進行人工調(diào)整。
權(quán)利要求
1.一種能恒混合式水蒸汽干度的測量方法，其特征在于將待測干度的水蒸汽與冷卻水分別引入絕熱混合器內(nèi)混合，形成從氣相變?yōu)橐合嗟奈达柡退鞒鼋^熱混合器，待測的水蒸汽干度X為X=G1·(C0-3·T3-C0-1·T1)+G2·(C0-2·T2-C0-3·T3)(G2-G1)·r]]>其中G1、T1和P1為進入絕熱混合器的冷卻水流量、溫度和壓力，T3為進入絕熱混合器的待測干度的水蒸汽溫度，G2、T2和P2為離開絕熱混合器的未飽和水的流量、溫度和壓力，C0-1為T1、P1與0℃之間的平均比熱，C0-2為T2、P2與0℃之間的平均比熱，C0-3為T3與0℃之間的平均比熱，r為溫度T3下的汽化潛熱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能恒混合式水蒸汽干度的測量方法，其特征在于可以通過水與水蒸汽熱物性模型計算出C0-1、C0-2、C0-3和r。
3.一種實現(xiàn)權(quán)利要求1所述的能恒混合式水蒸汽干度的測量方法的裝置，其特征在于待測干度的水蒸汽入口管道與絕熱混合器相連，在待測干度的水蒸汽入口管道上，前部安裝了溫度表T3、中部安裝了節(jié)流調(diào)節(jié)閥F2、后部安裝壓力表P3；冷卻水入口管道與絕熱混合器相連，在冷卻水入口管道上，前部安裝了液體流量表G1、壓力表P1和溫度表P1、后部安裝了節(jié)流調(diào)節(jié)閥F1；未飽和水出口管道與絕熱混合器相連，在未飽和水出口管道上，安裝了溫度表T2、壓力表P2和液體流量表G2。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于所述的絕熱混合器是一個圓形容器或其它形狀的容器，內(nèi)部設(shè)置了一個水蒸汽混流器和兩個折流板，水蒸汽混流器的上部與待測干度的水蒸汽入口管道相接，而下部封閉，在水蒸汽混流器外壁上開有多排水蒸汽出流孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于調(diào)節(jié)節(jié)流閥F2，使流量G3在保證測量精度的條件下盡可能的小，并滿足壓力關(guān)系P3＜P1。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于調(diào)節(jié)節(jié)流閥F1，使流量G1在保證測量精度的條件下盡可能的小，并使未飽和水出口溫度T2小于壓力P2下的飽和溫度，并且在待測干度的水蒸汽溫度T3、未飽和水溫度T2和冷卻水溫度T1之間，具有T3＞T2＞T1的關(guān)系。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于調(diào)節(jié)測量冷卻水的液體流量表G1和測量未飽和水的液體流量表G2，使1.03＜G2/G1＜1.20。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于各測量儀表與數(shù)據(jù)處理計算機之間建立通訊連接，并由該計算機完成數(shù)據(jù)處理并確定待測的水蒸汽干度。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于在待測干度的水蒸汽入口管道、冷卻水入口管道、未飽和水出口管道、兩個節(jié)流閥和絕熱混合器的外壁面上均鋪設(shè)保溫材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種能恒混合式水蒸汽干度的測量方法及裝置，用于測量水蒸汽干度。本發(fā)明的技術(shù)特征在于將待測干度的水蒸汽與冷卻水分別引入絕熱混合器內(nèi)混合，使水蒸汽降溫、形成從氣相變?yōu)橐合嗟奈达柡退鞒鼋^熱混合器。通過測量入口冷卻水的流量、溫度和壓力，測量入口待測干度的水蒸汽溫度，測量出口未飽和水的流量、溫度和壓力，依據(jù)能量守恒和質(zhì)量守恒原理來確定待測的水蒸汽干度。本發(fā)明彌補了現(xiàn)有凝結(jié)法測量水蒸汽干度的技術(shù)缺陷，具有測量準(zhǔn)確度很高、水蒸汽干度測量范圍寬、測量裝置體積小、造價低、實用性強的優(yōu)點。
文檔編號G01N25/60GK1690700SQ200410026050
公開日2005年11月2日 申請日期2004年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月19日
發(fā)明者李世武, 宋昌奇 申請人:西北工業(yè)大學(xué)