對(duì)冷凝式蒸汽干度儀和檢測(cè)臺(tái)的研究報(bào)告

1、對(duì)冷凝式蒸汽干度儀和檢測(cè)臺(tái)的研究報(bào)告陳群飛 劉一雄 馬宜春 馬朝華 吉衛(wèi)（西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，陜西 西安 710072 ）摘要 ： 根據(jù)濕蒸汽在冷卻水中進(jìn)行熱量交換后會(huì)變?yōu)槔淠@一基本現(xiàn)象和能量守恒原理。 我們研究并設(shè)計(jì)冷凝式蒸汽干度儀及其檢測(cè)臺(tái)， 并詳細(xì)闡述了干度儀及檢測(cè)臺(tái)的工作原理。 通過(guò)理論計(jì)算得出了干度儀的各種工作性能指標(biāo)。之后對(duì)這些性能指標(biāo)進(jìn)行了精度的分析。最后對(duì)這種冷凝式蒸汽干度儀和檢測(cè)臺(tái)的工程造價(jià)進(jìn)行了預(yù)算，與國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品比較后可證明其可行性是極高的。關(guān)鍵字：冷凝式，干度，能量守恒，濕蒸汽，熱量表。引言濕蒸汽指飽和液體和飽和蒸汽的混合物， 干度的定義為單位質(zhì)量的混合蒸

2、汽中干飽和蒸汽的比例 1 。 給井注入高溫高壓蒸汽， 是稠油的主要開采方法2 。濕蒸汽干度也是稠油開采中的一項(xiàng)重要指標(biāo)，為確保稠油開采的效果以及注氣鍋爐的安全運(yùn)行， 實(shí)時(shí)、 準(zhǔn)確的測(cè)量鍋爐出口濕蒸汽的干度成為當(dāng)今兩相流學(xué)界研究的熱點(diǎn)課題之一3 。在化工， 工業(yè)等很多領(lǐng)域都需要對(duì)蒸汽干度的檢測(cè)和控制， 但國(guó)內(nèi)外沒有實(shí)際的干度儀投入市場(chǎng)。 故對(duì)濕蒸汽干度的研究有重大意義， 本文將對(duì)此進(jìn)行研究和解決。一設(shè)計(jì)背景：1.目前國(guó)內(nèi)外研究狀況: 國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的研究包括一些物理方面的方法,其中有：.在兩相流中，由于水汽兩相流在光學(xué)界面上折射率不同而進(jìn)行折射率調(diào)制的光纖傳感方法。 .由于蒸汽和液態(tài)水的物性不同

3、而采用蒸汽和液態(tài)水分離,測(cè)量出兩者質(zhì)量從而進(jìn)行計(jì)算的方法。 流動(dòng)噪音測(cè)量法, 根據(jù)液態(tài)水與水蒸汽流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的噪音不同，利用測(cè)量?jī)x器測(cè)量計(jì)算得出。 電導(dǎo)式飽和蒸汽干度在線測(cè)量裝置，屬于多相流測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于，它含有：具有雙電極接口和計(jì)算功能的在線電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x， 一對(duì)相同特性的電導(dǎo)率測(cè)量電極。 利用水蒸氣和液態(tài)水導(dǎo)電性能不同而進(jìn)行測(cè)量,再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集而計(jì)算出的干度. 濕蒸汽的熱流量測(cè)量法，該方法是以蒸汽質(zhì)量流量測(cè)量為基礎(chǔ)的， 質(zhì)量流量乘以蒸汽熱焓而得到的。 蒸汽質(zhì)量流量的測(cè)量是通過(guò)測(cè)量節(jié)流元件不同部位引出的壓差或通過(guò)測(cè)量蒸汽的流速， 以及間接求得蒸汽密度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 這些方法在工程應(yīng)用中目前

4、還存在著較大的局限與不足， 而且一般來(lái)說(shuō)， 按這類方法制造的儀器， 造價(jià)高、受使用場(chǎng)合限制多、 測(cè)量精度和使用壽命都不是十分理想。 聯(lián)合式濕蒸汽流量、干度測(cè)量裝置 由經(jīng)過(guò)標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)孔板、經(jīng)典文丘里管作為一次測(cè)量元件， 高精度壓力傳感器、 智能型差壓變送器轉(zhuǎn)換并傳輸標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)， 進(jìn)入高速數(shù)據(jù)采集， 最后在中央處理器中根據(jù)壓力信號(hào)調(diào)用汽、 水性質(zhì)的 iapws-if97 計(jì)算公式模塊計(jì)算出飽和水、 飽和蒸 汽的密度及比焓、汽化潛熱，從而算出濕蒸汽的干度。二調(diào)研及可行性分析：1. 市場(chǎng)需求分析：蒸汽干度是一個(gè)表征注汽鍋爐安全運(yùn)行的重要參數(shù)， 同時(shí)也是注汽鍋爐控制系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸。目前的注汽鍋爐自動(dòng)化改造

5、主要就集中在對(duì)蒸汽干度控制方法的嘗試和探索上。 同時(shí)， 濕蒸汽兩相流體通過(guò)節(jié)流元件的壓差決定于流量，蒸汽干度及壓力。該儀表除適用于稠油開采工藝外，亦可廣泛用于化工，動(dòng)力，冶金等其它工業(yè)領(lǐng)域。也可以用于直流鍋爐產(chǎn)汽參數(shù)的計(jì)量。其適用于工作壓力為常壓21mpa ，工作介質(zhì)為汽水兩相流，干度范圍為 0 100% ，管道尺寸為工業(yè)常用高、中、低壓蒸汽管道的場(chǎng)合，其測(cè)量精度高，采用單片計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)智能化。具有在線測(cè)量的特點(diǎn)。并具有數(shù)字顯示及定時(shí)打印鍋爐產(chǎn)汽干度流量及壓力等參數(shù)的功能。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，與同等產(chǎn)品相比成本低。市場(chǎng)情景廣闊。我國(guó)既有城市采暖住宅和公共采暖建筑為 70 億平方米，每年新建城市

6、采暖住宅和公共采暖建筑為 6 億平方米。 如果運(yùn)用干度儀對(duì)供暖蒸汽進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量， 從而監(jiān)測(cè)蒸汽的品質(zhì)達(dá)到更大效率的利用能量資源。 我國(guó)以后會(huì)加大集中供熱的力度， 采用這種干度儀有對(duì)國(guó)家整體能源的最優(yōu)化利用，對(duì)節(jié)能事業(yè)、社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步起到促進(jìn)作用。本課題針對(duì)國(guó)家基礎(chǔ)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的一些簡(jiǎn)單的且一直以來(lái)沒有得到很好的解決的測(cè)量問題， 成為我國(guó)在國(guó)際上相對(duì)先進(jìn)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)， 突破了在熱工測(cè)量中的有一個(gè)瓶頸， 從而為工業(yè)發(fā)展打好了又 一個(gè)基礎(chǔ)。2. 技術(shù)可行性分析：本課題運(yùn)用了熱力學(xué)第一定律- 能量守恒原理，通過(guò)熱量交換計(jì)算出濕蒸汽的干度，計(jì)算簡(jiǎn)單。1 ) 采用熱管換熱器交換熱量：熱管換熱器屬于冷、熱流

7、量互不接觸的表面式換熱器。一般情況下，熱管換熱器以有一個(gè)矩形的外殼，在矩形外殼中布滿了帶肋片的熱管。熱管的布置可以是錯(cuò)列三角形排列，也可以是直列正方形排列。在矩形殼體的內(nèi)部的中央有一塊隔板把殼體分成兩個(gè)部分，一部分與熱流體通道相連，為熱管的蒸發(fā)段；另一部分與冷流體相連，為熱管的冷凝段。冷、熱流體均在熱管外部橫向流過(guò)，通過(guò)熱管軸向傳輸熱量，將熱量從熱流體傳給冷流體。2 ) 采用單片機(jī)處理數(shù)據(jù)： 單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實(shí)現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長(zhǎng)度、硬度、元素、壓力等

8、物理量的測(cè)量。采用單片機(jī)控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強(qiáng)大。 例如精密的測(cè)量設(shè)備(功率計(jì)，示波器，各種分析儀) 。單片機(jī)可以利用內(nèi)部設(shè)定的程序處理傳感器采集的壓力、 溫度，實(shí)現(xiàn)了干度計(jì)算的自動(dòng)化。用戶可直接從顯示屏中讀取干度數(shù)值。3) 水和水蒸氣狀態(tài)參數(shù)計(jì)算程序編制： iapws-if97 作為一項(xiàng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)具有計(jì)算速度快，精度高等優(yōu)點(diǎn)。軟件的基本功能是計(jì)算水和水蒸氣的壓力、溫度、比容、比熵、比焓、干度并判斷水和水蒸氣的性質(zhì)和狀態(tài)。此外，該軟件還兼顧了邊界區(qū)域的連續(xù)性，迭代間隔和精確度的一致性，如何平衡計(jì)算速度與精度的矛盾和提高程序可移植性等關(guān)鍵問題。i

9、apws-if97 公式將有效范圍分成了 5 個(gè)分區(qū)。在1 區(qū)、 2區(qū)和 5 區(qū)內(nèi)使用吉布斯自由能函數(shù)g(p,t) ，在 3 區(qū)內(nèi)使用赫爾姆霍茨自由能f(r,t) ，在 4 區(qū)內(nèi)使用飽和壓力公式。 2 區(qū) 3區(qū)的邊界線由公式給出。 iapws -if97 公式的分區(qū)及公式水和水蒸氣的性質(zhì)參數(shù)不是互相獨(dú)立的。如果取壓力 p 和溫度t 為自變量，那么比容v 、比焓 h 和比熵 s 可以利用下面的正則函數(shù)的偏微分得到：g=g( p,t)式中g(shù)吉布斯自由能函數(shù)；如果取密度r 和溫度 t 為自變量，那么壓力 p 、比焓h 和比熵 s 可以利用下面的正則函數(shù)的偏微分得到 : f =f(r,t)式中 f 赫

10、爾姆霍茨自由能。 除基本公式， 1 區(qū)、 2 區(qū)和 4區(qū)還給出了導(dǎo)出方程， 即用于 1 區(qū)和 2區(qū)的方程 t(p,h)、t(p,s)以及用于 4 區(qū)的方程 ( ) s t p 。應(yīng)用導(dǎo)出方程可減少迭代求解的復(fù)雜性。如：求 t(p,h)和h(p,s)就可以使用導(dǎo)出方程而不需要迭代求解。對(duì)h(p,s)等應(yīng)用，可通過(guò)關(guān)聯(lián)式h(p,t( p,s)求得【8】4) 水的熱力學(xué)性質(zhì)：飽和濕蒸汽由飽和液體和飽和蒸汽組成，當(dāng)溫度降低時(shí)，由于飽和蒸汽的分子間大，因此比體 積較大，導(dǎo)致冷凝過(guò)程中飽和蒸汽的比體積一直在減小直 至氣體全部液化為液體，這時(shí)冷凝水已不含有蒸汽。水蒸氣h-s表:制和水和飽和水蒸氣表（節(jié)錄）聯(lián)

11、昧p mpd i匚# m“旗；h 口，依：/（依*）（依胤度界例）tptfrhrrioo0k6tl20.mi0如 ziofi.tjj-0”.2360 31的。力-0.(10029j5u配01,0ov6h7dm0mi206ji：0.m»003$15k 5s* moms配ml147 mm31 03sj09,ti2uij90£3«150 001t0530.0010009477.?ic也野2s2id?”019 220$77取打4j0j1m7ekqoimjmn.i«2104,77254 i*m4i js js70us64154 00*1110.q*曄0$j博146

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13、，而33em0。心 1 g 11：1jo力33”202.2qa221r u”doos>3 17930 0410053旭】"137j：2500 55t0.4741r m3。q.q1ft q«i»|o)|4>«7jhi 32 1 i2 u0加2k uhl0.05sljjbb匕加心99v40914(1 5zfi43 31?3m 3t 09 1 27 592sqi4*634d ml(mjlim4jij7 !2也門72hl r.i wht”滸« $mlr&7d mtmhfl 17416640 ”?14s 59幻m上l 一此 |0t q

14、ijlo1曲林q oflilltik2.u7(|m x141mmj58 仆so163.mfl on 1 2s2。2mhi1si 22793 m9 51 f2«|5 972422必3738ll qch“mg。必“20k5.92q15.j?0.01.40v24三.設(shè)計(jì)原理1.冷凝式蒸汽干度儀的測(cè)量原理:單片機(jī)一定壓力的濕蒸汽經(jīng)過(guò)管道進(jìn)入換熱器。該濕蒸汽的質(zhì)量流量為g.,由壓力表測(cè)量出濕蒸汽的壓力值 p。同時(shí)冷卻裝置中會(huì)有冷卻水 進(jìn)入換熱器。兩者在換熱器中發(fā)生熱量交換。進(jìn)行完熱交換后，冷卻 水溫度升高，從換熱器另一端流出。在冷卻水的冷卻過(guò)程中會(huì)有熱量 表測(cè)量在熱交換過(guò)程中冷卻水獲得的熱量

15、ql。同時(shí)濕蒸汽溫度降低, 完全變?yōu)椴伙柡退?。也從管道流出，在管道中?huì)有溫度計(jì)來(lái)測(cè)量這部 分冷凝水的溫度由能量守恒原理可知：冷卻裝置中冷卻水的吸熱量 ql應(yīng)該等于濕蒸汽的放熱量 qh。，在這整個(gè)過(guò)程中，通過(guò)干度儀中內(nèi) 置的單片機(jī)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，并通過(guò)計(jì)算系統(tǒng)將數(shù)據(jù)整合并計(jì)算結(jié)果， 在顯示屏上顯示干度。qh =g hi -g h2, qh g h2hi =xhv (1 - x)hwq, =qh l hqhh2 - hwx xhv - hw式中g(shù)為濕蒸汽與冷凝水的質(zhì)量流量。qh為濕蒸汽在換熱過(guò)程中的 放熱量，hi為在給定壓力下濕蒸汽的始值，hv與hw為此狀態(tài)下濕蒸 汽中飽和蒸汽給與飽和水始。h2為在

16、溫度t下冷凝水中的不飽和水 始。2、干度儀性能的計(jì)算:本干度儀中的儀表精度問題，導(dǎo)致最后干度測(cè)量結(jié)果存在誤差。誤差主要來(lái)源于：快鉗電阻溫差計(jì)，測(cè)量時(shí)帶來(lái)誤差為士 0.2%;*耐溫壓力表，精度為1.6,帶來(lái)誤差為與.6 %經(jīng)過(guò)分析可知綜合考慮測(cè)量換熱量，冷凝水流量和凝結(jié)水溫度時(shí)所帶來(lái)的干度測(cè)量誤差小于2 %3 .冷凝式蒸汽干度儀檢測(cè)臺(tái)原理:蓄水帶調(diào)節(jié)閥熱汽爐就恭輛水泵介冷卻水再利用冷卻水出冷卻溫度表卻出 4-利卻進(jìn)檢測(cè)臺(tái)原理圖為了檢測(cè)和分析冷凝式蒸汽干度測(cè)量裝置的精度， 需要有一個(gè)對(duì) 比的標(biāo)準(zhǔn)。為此我們采用：1）和壓力表放置在一起的溫度計(jì)可檢測(cè) 并得出冷凝水管的溫度計(jì)精度。2）濕蒸汽流量計(jì)作為標(biāo)

17、準(zhǔn)來(lái)檢測(cè)并 得出冷凝水流量計(jì)的精度。3）蓄水箱所連接的水泵線路上的調(diào)節(jié)閥 可調(diào)控進(jìn)入管道的液態(tài)水量，從而得出多組數(shù)據(jù)來(lái)檢測(cè)、得出冷凝水 流量計(jì)的精度。4）用于進(jìn)行熱交換的冷卻水流出后具有一定的溫度， 我們將其再利用使之流入蓄水箱中，提高蓄水箱里面水的溫度。節(jié)約 電熱蒸汽爐的耗能。其測(cè)量原理是：在一個(gè)隔熱性能良好的蓄水箱中 存儲(chǔ)足夠的冷水，然后經(jīng)由調(diào)節(jié)閥 1電熱蒸汽爐供水，形成干度為100%的蒸汽。調(diào)節(jié)閥2和水泵及調(diào)節(jié)閥3控制通過(guò)的冷水模擬形成工作環(huán)境下的蒸汽干度x。換熱器提供更加安全的工作環(huán)境蒸汽干度 調(diào)節(jié)。濕蒸汽以此通過(guò)濕蒸汽流量表和待測(cè)冷凝式蒸汽干度測(cè)量?jī)x。分別得出濕蒸汽干度 x1和x2,

18、通過(guò)多次模擬不同環(huán)境蒸汽干度，對(duì)比得出待測(cè)裝置的精度并標(biāo)定該裝置。4 .干度儀檢測(cè)臺(tái)組成 a.熱量表采用 熱量表（大口徑）（北京添瑞祥儀器儀表有限公司）價(jià)格大約800元。b.流量計(jì)為sst的機(jī)械流量計(jì)。價(jià)格大約 600元。c.溫差計(jì)為鉗電阻溫差計(jì)，經(jīng)過(guò)核補(bǔ)償后其最大測(cè)量誤差分別為士0.2 %;價(jià)格大約400元。d.測(cè)量凝結(jié)水溫 t的溫度計(jì)是晶體管溫度計(jì)，最大測(cè)量誤差為士 0 . 1 c ,在2 05 0c的凝結(jié)水溫范圍內(nèi)其折算的最大測(cè)量誤差為士 0.5%。價(jià)格大約50元。e.壓力表采用耐溫壓力表，精度為1.6價(jià)格大約600元。f.電熱蒸汽爐mini ldr小型電熱蒸汽鍋爐 （蒸汽發(fā)生器）鍋爐水

19、容量及小，無(wú)需當(dāng)?shù)乇O(jiān)督部門辦理安裝使 用手續(xù)，可直接投入使用； 鍋爐水容量小，工作壓力高，蒸汽溫度高，有效 地解決了許多用戶對(duì)于小蒸發(fā)量高壓力蒸汽的需 求。 電熱元件采用經(jīng)技監(jiān)部門檢測(cè)合格的產(chǎn)品，確保產(chǎn)品的安全及使用 壽命； 電器元件采用經(jīng)ccc及ce認(rèn)證的產(chǎn)品，保證產(chǎn)品質(zhì)量及顧客利益 鍋爐結(jié)構(gòu)緊湊體積小，機(jī)內(nèi)設(shè)自動(dòng)補(bǔ)水泵，并設(shè)全自動(dòng)水位控制、 壓力控制，可連續(xù)不間斷工作。 蒸汽輸出閥門既可直接與硬管相連又可以與耐高溫蒸汽膠管連接， 靈活機(jī)動(dòng)，有效地節(jié)約了使用空間。 整機(jī)占地面積小，移動(dòng)、安裝、使用都十分方便。價(jià)格大約2000元。g.微型水泵-小流量中壓力 asp 系列h.換熱器性能與特點(diǎn) 內(nèi)置多組浮動(dòng)盤管，獨(dú)一無(wú)二的"寶塔型"結(jié)構(gòu) 動(dòng)態(tài) 傳熱，換熱效率極高 具有防垢、除垢雙重功能 絕無(wú)死水區(qū)，水質(zhì)潔 凈 無(wú)論使用頻繁與否，均保量恒溫供水 安裝方便，多臺(tái)組合時(shí)為模 塊式拼