本發(fā)明屬于蒸汽測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種聯(lián)合式濕蒸汽干度、流量測量裝置及雙參數(shù)測量方法。

背景技術(shù)：

濕蒸汽是一種以汽相為連續(xù)相、液相為離散相且一定工況下具有穩(wěn)定流動(dòng)結(jié)構(gòu)的汽液兩相混合物。濕蒸汽的干度和質(zhì)量流量是設(shè)備安全運(yùn)行、熱工實(shí)驗(yàn)研究的重要參數(shù)，也關(guān)系到蒸汽能源的保護(hù)與充分利用。例如，在熱力采油中，向油井注入的高溫高壓濕蒸汽的干度和流量，對(duì)采油效率和能耗有重要影響；對(duì)蒸汽透平和核電站的汽輪機(jī)末端葉片，蒸汽的干度嚴(yán)重影響做功效率和葉片壽命；在低溫自然循環(huán)核供熱堆中，濕蒸汽的干度和流量對(duì)反應(yīng)堆運(yùn)行安全影響較大；在化工、制藥、食品加工等工業(yè)中，對(duì)蒸汽干度和流量的控制與產(chǎn)品質(zhì)量有重要關(guān)系。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)濕蒸汽的科學(xué)管理和生產(chǎn)過程控制，需要同時(shí)對(duì)蒸汽干度和流量進(jìn)行測量。傳統(tǒng)的單相流量計(jì)，如差壓式、超聲、渦輪、科式力流量計(jì)等，在濕蒸汽的流量計(jì)量中存在差壓偏高、儀表系數(shù)改變等問題，且這些均為單參數(shù)測量方法，無法滿足干度、流量雙參數(shù)測量的要求。在蒸汽系統(tǒng)中，由于蒸汽性質(zhì)、兩相相變以及工況流型非常復(fù)雜，使得干度測量成為國際上一個(gè)沒有很好解決的難題，而蒸汽流量又與干度相互耦合，給測量帶來困難。

基于組合式儀表的雙參數(shù)測量方法，為濕蒸汽的干度和流量測量提供了新的思路。雙參數(shù)測量中發(fā)明較多的是雙差壓式組合：通過聯(lián)立兩個(gè)差壓流量計(jì)的流量公式進(jìn)行求解。然而，這種測量方法因兩者流量模型和差壓特性過于相近，會(huì)導(dǎo)致測量誤差較大，甚至聯(lián)立方程不可求解。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為在工業(yè)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)對(duì)濕蒸汽的實(shí)時(shí)測量，克服濕蒸汽的干度、流量計(jì)量精度較差的不足，本發(fā)明提出一種聯(lián)合式濕蒸汽干度、流量測量裝置和雙參數(shù)測量方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種濕蒸汽干度流量雙參數(shù)測量方法，采用的濕蒸汽測量裝置包括渦街流量計(jì)、V錐流量計(jì)和壓力傳感器；渦街流量計(jì)和V錐流量計(jì)串聯(lián)連接在待測蒸汽管道中，前者位于上游，后者位于下游，測量方法包括：

第一步：采集渦街流量計(jì)測得渦街頻率f和V錐流量計(jì)測得濕蒸汽的差壓Δp_TP；采集壓力變送器測得蒸汽壓力p，并計(jì)算飽和蒸汽密度ρ_g；

第二步：對(duì)V錐儀表系數(shù)K₁和渦街流量計(jì)儀表系數(shù)K₂進(jìn)行標(biāo)定：

結(jié)合渦街頻率f，得渦街測得的濕蒸汽中的汽相質(zhì)量流量

其中，旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與蒸汽管道內(nèi)橫截面的面積之比m為

其中，Sr為渦街的斯特勞哈兒數(shù)，d_A為渦街流量計(jì)的旋渦發(fā)生體迎流面寬度，D為蒸汽管道內(nèi)直徑，π為圓周率。

過讀的汽相質(zhì)量流量為

真實(shí)的汽相質(zhì)量流量為

其中，V錐的等效直徑比β為

Δp_G為濕蒸汽中的汽相引起的壓降，d_B為V錐流量計(jì)中V形椎體的最大橫截面直徑，C為V錐流量計(jì)的流出系數(shù)，ε為蒸汽的可膨脹系數(shù)。

認(rèn)為渦街流量計(jì)和V錐流量計(jì)兩者測得的蒸汽相的質(zhì)量流量相等，即

W_mG＝Q_mG (6)

第三步：計(jì)算V錐差壓的過讀因子

建立V錐的過讀因子與L-M參數(shù)和蒸汽-液相密度比之間的關(guān)聯(lián)式

其中m_g為蒸汽質(zhì)量，m_l為液滴質(zhì)量，ρ_l為液滴密度，系數(shù)a、b通過濕蒸汽實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定。

第四步：計(jì)算干度

根據(jù)(1)式和(9)式，計(jì)算濕蒸汽質(zhì)量流量

本發(fā)明基于兩種不同原理的流量計(jì)組合提出的濕蒸汽測量裝置和測量方法，能夠同時(shí)測量出濕蒸汽的干度和質(zhì)量流量，具有測量精度高、穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低的優(yōu)點(diǎn)，可以滿足濕蒸汽雙參數(shù)測量的要求。

附圖說明

圖1：渦街、V錐在濕蒸汽管路的安裝示意圖，其中：

1、渦街流量計(jì) 2、壓力傳感器 3、V錐流量計(jì) 4、蒸汽管道

5、渦街發(fā)生體 6、V錐椎體

圖2：基于渦街和V錐的濕蒸汽雙參數(shù)測量原理示意圖，其中：

7、壓力變送器 8、差壓變送器 9、信號(hào)調(diào)理電路 10、計(jì)頻器

11、中央處理器 12、顯示器

具體實(shí)施方式：

現(xiàn)結(jié)合附圖1和附圖2對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

為克服雙差壓式組合測量中聯(lián)立方程不可求解的問題，本發(fā)明采用兩種不同原理的流量計(jì)組合：渦街流量計(jì)和V錐流量計(jì)作為測量裝置，并選用內(nèi)置有濕蒸汽流量處理程序的中央處理器。將渦街流量計(jì)和V錐流量計(jì)串聯(lián)連接在蒸汽管道中?；跍u街對(duì)前直管段要求較高，且V錐具有具備抗上游強(qiáng)擾動(dòng)、自清潔能力強(qiáng)等特點(diǎn)，沿蒸汽來流方向，采用渦街在前、V錐在后的連接方式。壓力傳感器安裝在渦街和V錐之間的蒸汽管道中。中央處理器安裝在儀表箱內(nèi)，顯示器嵌入儀表箱，儀表箱的支撐桿焊接在蒸汽管道的外壁面上；中央處理器內(nèi)置有蒸汽干度、流量數(shù)學(xué)模型和IAPWS-IF97公式計(jì)算模塊。

本發(fā)明由經(jīng)標(biāo)定的渦街和V錐作為一次測量元件，渦街信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)化為方波信號(hào)，由計(jì)頻器輸出渦街頻率；差壓變送器和壓力變送器轉(zhuǎn)換并傳輸4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，并經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換為1-5V電壓信號(hào)。渦街頻率和V錐差壓、蒸汽管道壓力信號(hào)進(jìn)入高速數(shù)據(jù)采集卡，最后在中央處理器中，根據(jù)壓力信號(hào)調(diào)用飽和蒸汽和水的IAPWS-IF97公式模塊計(jì)算飽和蒸汽和飽和水的密度，結(jié)合測得差壓和渦街頻率，計(jì)算待測濕蒸汽的干度、質(zhì)量流量。

本實(shí)施例是一種濕蒸汽測量裝置和測量方法的應(yīng)用，測量蒸汽管道內(nèi)的濕蒸汽干度和質(zhì)量流量。濕蒸汽壓力為4.3-8.6Mpa，濕蒸汽流量為4-14t/h，蒸汽干度為60％-95％，蒸汽管道內(nèi)徑為50mm。

本實(shí)施例包括渦街流量計(jì)1、壓力傳感器2、V錐流量計(jì)3、壓力變送器7、差壓變送器8、渦街信號(hào)調(diào)理電路9、計(jì)頻器10、中央處理器11和顯示器12。渦街流量計(jì)1和V錐流量計(jì)3串聯(lián)連接在待測蒸汽管道4中，兩者連接順序?yàn)闇u街在前、V錐在后，壓力傳感器2安裝在兩者之間的蒸汽管道4中。中央處理器11安裝在儀表箱內(nèi)，顯示器嵌入儀表箱，儀表箱的支撐桿焊接在蒸汽管道的外壁面上；中央處理器11內(nèi)置有蒸汽干度、流量數(shù)學(xué)模型和IAPWS-IF97公式計(jì)算模塊。

壓力和差壓信號(hào)分別由壓力變送器7和差壓變送器8轉(zhuǎn)換并傳輸4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，并經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換為1-5V電壓信號(hào)。渦街信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路9轉(zhuǎn)化為方波信號(hào)，由計(jì)頻器10輸出渦街頻率。渦街頻率和V錐差壓、蒸汽管道壓力信號(hào)進(jìn)入高速數(shù)據(jù)采集卡，最后在中央處理器11中，根據(jù)壓力信號(hào)調(diào)用飽和蒸汽和水的IAPWS-IF97公式模塊計(jì)算飽和蒸汽和飽和水的密度，結(jié)合測得差壓和渦街頻率，計(jì)算待測濕蒸汽的干度、質(zhì)量流量，并進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。

本實(shí)施例還提出了一種濕蒸汽質(zhì)量流量和干度的測量方法，其具體步驟是：

第一步：采集渦街流量計(jì)1測得渦街頻率f和V錐流量計(jì)3測得濕蒸汽的差壓Δp_TP，采集壓力變送器7測得蒸汽壓力p，并根據(jù)IAPWS-IF97公式，計(jì)算得飽和蒸汽密度ρ_g；

第二步：對(duì)V錐儀表系數(shù)K₁和渦街流量計(jì)儀表系數(shù)K₂進(jìn)行標(biāo)定。結(jié)合計(jì)頻器10輸出的渦街頻率f，得渦街測得的濕蒸汽中的汽相質(zhì)量流量

其中，旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與蒸汽管道內(nèi)橫截面的面積之比m為

K₂為渦街儀表系數(shù)，f為渦街流量計(jì)的旋渦發(fā)生頻率，ρ_g為飽和蒸汽密度，Sr為渦街的斯特勞哈兒數(shù)，d_A為渦街流量計(jì)的旋渦發(fā)生體迎流面寬度，D為蒸汽管道內(nèi)直徑，π為圓周率。

在濕蒸汽兩相流中，V錐所測的兩相壓降Δp_TP比汽相引起的壓降Δp_G要大。因此，如果直接用兩相壓降計(jì)算汽相質(zhì)量流量，會(huì)存在“過讀”，過讀的汽相質(zhì)量流量為

真實(shí)的汽相質(zhì)量流量為

其中，V錐的等效直徑比β為

K₁為V錐儀表系數(shù)，Δp_TP為濕蒸汽兩相流測得的蒸汽差壓，Δp_G為濕蒸汽中的汽相引起的壓降，d_B為V錐流量計(jì)中V形椎體的最大橫截面直徑，C為V錐流量計(jì)的流出系數(shù)，ε為蒸汽的可膨脹系數(shù)。

由于渦街流量計(jì)1和V錐流量計(jì)3距離很近，可認(rèn)為兩者測得的蒸汽相的質(zhì)量流量相等，即

W_mG＝Q_mG (6)

第三步：利用(6)式的質(zhì)量流量相等，計(jì)算V錐差壓的過讀因子

根據(jù)兩相流中的差壓“過讀”理論，建立V錐的過讀因子與L-M參數(shù)(Lockhart Martinelli)和蒸汽-液相密度比之間的關(guān)聯(lián)式

其中m_g為蒸汽質(zhì)量，m_l為液滴質(zhì)量，ρ_l為液滴密度。通過180組濕蒸汽實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)定結(jié)果為a＝3.3,b＝22.5。

第四步：根據(jù)第三步中的過讀因子關(guān)聯(lián)式(8)，計(jì)算干度

根據(jù)(1)式和(9)式，計(jì)算濕蒸汽質(zhì)量流量

第五步：對(duì)待測濕蒸汽的干度和質(zhì)量流量進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。

對(duì)除了標(biāo)定數(shù)據(jù)之外的500組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，95％的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量流量相對(duì)誤差在±6％以內(nèi)，干度相對(duì)誤差在±3％以內(nèi)。