CN102608275A - 一种湿蒸汽两相流湿度标定方法及其标定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种湿蒸汽两相流湿度标定方法及其标定装置，其中标定方法包括下列步骤：先冷却湿蒸汽两相流样品，待悬浮状态的微小液滴全部凝结后，加热液相区至湿蒸汽初始温度，利用湿蒸汽湿度定义，计算被测湿蒸汽湿度。标定装置包括依次连通的采样入口段、测量段和回收段，相邻段之间设有截止阀门；采样入口段设有第一温度采集装置和第一压力采集装置；测量段包括与采样入口段连通的湿蒸汽室和连通在该湿蒸汽室底部的存液管，所述的湿蒸汽室设有第二温度采集装置；回收段包括与所述的存液管连通的储存罐和通过真空管路与该储存罐连通的真空泵；所述的储存罐设有第二压力采集装置。本发明仅测量温度和液柱高度两个参数，即可得到湿度，提高了测量准确性。

Description

一种湿蒸汽两相流湿度标定方法及其标定装置

技术领域

本发明涉及流动湿蒸汽湿度测量领域，特别涉及一种湿蒸汽两相流湿度标定方法及其标定装置。

背景技术

大型火电厂凝汽式汽轮机中末几级处于湿蒸汽区域工作。在凝汽式汽轮机所发出的功率中，有10％～20％功率是在湿蒸汽区域转换的。由核能、太阳能、地热能以及钢铁、水泥、玻璃、化工等工业流程中伴生能源产生的蒸汽，往往是压力较低的饱和蒸汽，或过热度小的蒸汽。使用该类蒸汽做功的汽轮机几乎所有级均处于湿蒸汽区域工作。湿蒸汽区域的级效率明显低于过热蒸汽区域，通常认为：当湿度为10％时，级效率降低幅度在10％～15％之间。早在1998年，Guha研究显示：在英国，仅因汽轮机中湿度引起的效率降低而带来的经济损失每年达5000万英镑。所以，提高湿蒸汽区域的级效率，对提高整台汽轮机效率相当重要，对于利用核能以及地热能、太阳能、工业流程中伴生能源等加热产生的饱和(或过热度小的)蒸汽驱动发电的汽轮机尤为重要。

不仅如此，高速流动的汽液两相流中，汽相是连续的，液相是离散的，且后者的比重较前者大，因此受到较大的离心力，促使液滴有从叶轮中心向外周方向流动的趋势。这一趋势与工质的主流方向不同向，从而造成液滴对通道表面及叶片的冲蚀和磨损，降低使用寿命，甚至发生叶片断裂事故。

目前，适用于蒸汽透平流动湿蒸汽湿度测量的方法主要有热力学法和光学法。其中，热力学法可分为节流法、凝结法、加热法和蒸汽-空气混合法。各种方法的测量原理及不足之处简述如下：

节流法是将被抽取的湿蒸汽试样，在工作段中节流到某一较低的压力值，使得节流后的蒸汽状态点位于过热蒸汽区内。通过确定过热蒸汽区内的某一点处蒸汽压力和温度对应的焓值和取样处压力的饱和水焓值、汽化潜热，来计算出取样蒸汽湿度。但为保证节流后的蒸汽为过热蒸汽，被抽取的试样蒸汽应节流到足够低的压力，因此节流法不宜用来测量低压区及湿度大于8％的湿蒸汽(一般凝汽式汽轮机的排汽湿度在6％～12％范围)。再者，散热损失和湿蒸汽膨胀后汽相和液相间得不到充分均匀混合，亦会影响测量的准确性。

凝结法是将被抽取的湿蒸汽试样，在凝汽器中凝结成水。通过测量被抽取的蒸汽试样质量、冷却水质量以及冷却水进出口温度，来求出被抽取蒸汽的焓值，再确定蒸汽取样处某点压力的饱和水焓、汽化潜热，以求出蒸汽湿度。由于该方法需要测量出蒸汽试样质量、冷却水质量及进出口温度等多个参数，会带来测量误差的传递和积累问题，同时散热损失也会影响测量结果的精准性。

加热法是将被抽取的湿蒸汽试样，在工作段中加热到干饱和状态或过热状态。通过测量被加热后的蒸汽压力和温度来确定对应状态的焓值，同时测量被抽取蒸汽的质量、加热蒸汽的加热量，以及确定蒸汽取样处某点压力的饱和蒸汽焓值，从而求出取样蒸汽湿度。由于该方法需要测量出加热后蒸汽压力、温度、蒸汽试样质量、加热量等多个参数，会带来测量误差的传递和积累问题，同时散热损失也会影响测量结果的准确性。

蒸汽-空气混合法是将被抽取的湿蒸汽试样在一混合室中与外界引入足够多的热空气在绝热条件下混合。通过测量被抽取蒸汽的取样质量、热空气的质量，以及混合室进出口处空气的压力、温度、含水量、焓值和露点温度，来确定被抽取蒸汽的焓值，再确定出蒸汽取样处某点压力的饱和蒸汽焓值，从而求出蒸汽湿度。测量中，为保证混合后的空气中水分含量尚未达到饱和，送入的热空气量必须很大，因此要配置一台容量很大的真空泵，使现场应用受到限制。

由此可见，上述的各种热力学方法中，均需要对多个热力学参数进行测量，然后再求算出湿蒸汽湿度，其最大问题是测量误差的传递和积累，再加上散热损失的影响，最终导致测量结果的精度较低。

光学法是随着激光技术的发展而完善起来的测量方法，其克服了热力学法需要等动力抽汽取样和结构复杂等缺点，不但可以测量出蒸汽湿度，而且还能够测量水滴直径及其分布情况。光学测量法主要分为全息法、相关法、角散射法、全散射法、衍射法等，尤其以角散射法和全散射法研究为多。

角散射法是通过测量水滴对入射光的某一散射特性，然后按Mie理论对测量数据进行处理，以求得被测汽流中水滴直径和蒸汽湿度。全散射法是通过测量透过湿蒸汽时入射光向四周散射所引起的光能衰减，来确定水滴直径和蒸汽湿度的方法。

散射法虽能进行快速测量，但在工程实际应用中受到一些因素的制约，如多重散射、光学窗口洁净度等因素均会导致测量结果的偏差。

综上所述，现有的湿蒸汽湿度测量装置及其方法，都或多或少的存在不足。究其根本原因，在于测量步骤繁琐，且需多参数测量，造成测量误差的传递和积累，以致测量结果与实际情况产生一定的偏差。

因此，需要设计一种操作方便、参数测量少的湿蒸汽湿度标定方法及其装置，以得到可靠的湿蒸汽湿度数据，使汽轮机能够安全高效的运行。

发明内容

本发明提供了一种湿蒸汽两相流湿度标定方法及其标定装置，可避免因多参数测量所造成的测量误差的传递和积累，标定装置操作简单，结果可靠，适合在实际生产中应用。

一种湿蒸汽两相流湿度标定方法，包括下列步骤：先冷却湿蒸汽两相流样品，待悬浮状态的微小液滴全部凝结后，加热液相区至湿蒸汽初始温度，利用湿蒸汽湿度定义，计算被测湿蒸汽湿度。

由相平衡理论可知，经过无限长时间后，湿蒸汽两相流样品中的汽相和液相会发生分离，为了缩短测量时间，可以借助外界冷媒工质打破湿蒸汽中汽液相的亚平衡态，使悬浮状态的微小液滴全部凝结，汽液相发生相分离，一般通过观察，壁面没有雾汽，就认为液滴全部凝结，然后可以借助外界热媒工质对液相区进行加热，加热需缓慢均匀，保证液相缓慢均匀汽化，不会严重偏离汽液相平衡，待湿蒸汽温度与湿蒸汽初始温度(即采样前湿蒸汽两相流的温度)相同时，利用所得到的液相和气相体积，根据湿蒸汽湿度定义，即可计算被测湿蒸汽湿度。

一种湿蒸汽两相流湿度标定装置，包括依次连通的采样入口段、测量段和回收段，相邻段之间设有截止阀门；

所述的采样入口段设有第一温度采集装置和第一压力采集装置；

所述的测量段包括与采样入口段连通的湿蒸汽室和连通在该湿蒸汽室底部的存液管，所述的湿蒸汽室设有第二温度采集装置；

所述的回收段包括与所述的存液管连通的储存罐和通过真空管路与该储存罐连通的真空泵；所述的储存罐设有第二压力采集装置。

所述的第一压力采集装置用于测量采样入口段处湿蒸汽的压力，以确定后续抽真空时储存罐中所需达到的压力值，抽真空时储存罐中的压力值应略小于采样入口段处湿蒸汽的压力，湿蒸汽在压力差的作用下由采样入口段进入湿蒸汽标定装置。

所述的第一温度采集装置用于测量采样入口段处湿蒸汽进入标定装置时的初始温度。所述的第二温度采集装置用于测量湿蒸汽室中湿蒸汽的温度。由于温度测量的准确度对后续湿蒸汽湿度的计算至关重要，为避免引入不必要的误差，温度采集装置使用高精度的温度测量装置，以实现结果的精确性。

所述的第二压力采集装置用于测量储存罐中的压力，采样时需先对整个装置抽真空，当储存罐中的压力值略小于采样入口段处湿蒸汽的压力值时，湿蒸汽在压力差的作用下由采样入口段进入湿蒸汽标定装置。

所述的采样入口段、测量段和回收段通过连接管依次连通，且连接管的两侧均设有截止阀门。截止阀门用于控制湿蒸汽在湿蒸汽测量装置中的流动和截止状态。

所述的采样入口段和测量段设有可拆卸的隔热保温装置。采集湿蒸汽前，连通采样入口段和测量段后，必须在其外表面安装隔热保温装置，避免湿蒸汽因与外界发生热交换产生热量损失，从而导致湿蒸汽状态发生改变，采集完成后，除去隔热保温装置，使测量段中湿蒸汽可以与外界发生热量交换，缩短打破湿蒸汽中汽液相亚平衡态的时间，在较短时间内达到汽液相分离平衡。

所述的存液管在长度方向上至少有一部分为透明区域，且该透明区域处标有刻度，可以测量湿蒸汽汽液相亚平衡态被打破后生成的液体体积，存液管的长度应与湿蒸汽室的容积大小相配合，使得生成的液体体积在存液管刻度的范围内。液柱高度的测量准确性直接影响后续湿度计算结果的准确性，因此也可以采用高精度的高度测量装置对高度进行测量，以提高湿度计算结果的精准性。

所述的测量段安装有换热器，湿蒸汽采集完成后，通过换热器降低测量段温度，打破湿蒸汽汽液相亚平衡态，使悬浮状态的微小液滴全部凝结，汽液相发生相分离，达到平衡后，通过换热器加热存液管中液相区，使湿蒸汽室的温度达到湿蒸汽进入标定装置时的初始温度。

所述的真空管路中设有真空阀。通过真空阀控制真空泵与储存罐的连接，从而控制储存罐内部空间处于较低的压力状态，以保证储存罐内部空间压力略低于湿蒸汽入口处压力，湿蒸汽在压力差的作用下进入储存罐。

所述的储存罐底部设有带放空阀的排放管。采样后打开放空阀，排去储存罐内的水。

为了保证湿蒸汽标定过程中，湿蒸汽总体积为恒定值，因此，装置中所用到的管道及湿蒸汽室应具有一定的机械强度，保证在测量过程中不会发生变形，避免导致测量结果出现偏差。

所述的湿蒸汽为水蒸汽或有机工质蒸汽。

一种利用所述的湿蒸汽两相流湿度标定装置标定湿蒸汽湿度的方法，包括以下步骤：

a、利用真空泵对湿蒸汽两相流湿度标定装置抽真空，使回收段内的压力至少低于湿蒸汽的压力；

b、从采样入口段通入湿蒸汽对测量段进行吹扫；

c、完成吹扫后，待采样入口段和湿蒸汽室内温度相同时，利用截止阀门封闭测量段的两端；

d、冷却测量段至悬浮状态的微小液滴全部凝结后，对存液管加热至湿蒸汽初始温度；

e、测量液相体积，运用湿度定义计算湿蒸汽湿度。

利用真空泵对湿蒸汽两相流湿度标定装置抽真空时，通过储存罐上的第二压力采集装置，控制回收段压力略低于湿蒸汽进入装置时的初始压力，并维持回收段压力恒定。

湿蒸汽在压差(湿蒸汽入口压力略高于储存罐内部空间压力)作用下，由采样入口段进入测量段湿蒸汽室，通过连通的测量段与回收段间管道进入储存罐，对湿度标定装置管路吹扫2～3分钟后，即可认为湿度标定装置管路内杂质气体已排除干净，此时关闭测量段与回收段间的截止阀门，湿蒸汽被湿蒸汽室收集，待第二采集温度与第一采集温度相同时，即湿蒸汽室内的温度与待测湿蒸汽进入湿蒸汽湿度标定装置前的温度相同时，关闭采样入口段与测量段间的截止阀门。

湿蒸汽样本采样完毕后，将采样入口段、测量段以及回收段在连接管处分离，并除去测量段外壁的保温隔热装置。

测量段两端的截止阀门始终紧闭，即湿蒸汽的总体积为一定值，其中的湿蒸汽处于液滴悬浮的亚平衡态。由相平衡理论可知，经过无限长时间后，湿蒸汽中的汽相和液相将分离，在与湿蒸汽室连通的存液管内部下端会形成一段液柱。为了缩短实验时间，可以借助外界冷媒工质打破湿蒸汽中汽液相的亚平衡态，以保证悬浮状态的微小液滴全部凝结为大液滴后，融入存液管内部下端的液相区，一般通过观察，壁面没有雾汽，就认为液滴全部凝结。后借助外界热媒工质对液相区进行加热，并时刻注意第二温度采集装置温度的变化，加热需缓慢均匀，保证液相缓慢均匀汽化，不会严重偏离汽液相平衡。当第二采集温度与第一采集温度相同时，停止加热。此时，根据液柱高度，可以算出液相的体积V_l，用已知的测量段的体积扣除V_l，可得到汽相的体积V_g，根据相应密度，求算出汽相和液相的质量M_g和M_l。

由此，根据湿蒸汽的湿度定义，即可标定出被测湿蒸汽的湿度y：

$y=\frac{M_1}{M_1+M_g}$

式中：M_g为被测样本汽相质量；M_l为被测样本液相质量。

本发明装置基于相平衡原理，根据湿蒸汽湿度的定义，通过测量湿蒸汽中液相和汽相的体积，计算得到相应的质量，从而得到湿蒸汽的湿度，减少了所需测量的参数，有效避免了测量误差的传递和积累，提高了测量结果的精准性。

附图说明

图1为本发明一种湿蒸汽两相流湿度标定装置简图；

图2为本发明采样后湿蒸汽充满测量段整个内部空间的示意图；

图3为本发明测量段内部空间中的湿蒸汽汽液相分离后的示意图。

图中，1为入口直管，2为90°弯管，3为安装有截止阀A的直管，4为连接管，5为安装有截止阀B的直管，6为湿蒸汽室，7为存液管，8为连接管，9为储存罐，10为真空泵，100为湿蒸汽，101为汽相区，102为液相区。

具体实施方式

本发明一种湿蒸汽两相流湿度标定装置如图1所示，包括采样入口段、测量段和回收段。

采样入口段与测量段通过连接管4连接，测量段与回收段通过连接管8连接。

真空泵10用于维持储存罐9内部空间处于较低的压力状态，以保证储存罐9内部空间压力P₂略低于湿蒸汽入口处压力P₀。

箭头表示湿蒸汽进入方向。

湿蒸汽为水蒸汽或有机工质蒸汽。

使用所述的湿蒸汽两相流湿度标定装置标定湿度的方法步骤如下：

a、采样前，将采样入口段与测量段入口端通过连接管4连接，测量段出口端与回收段通过连接管8连接(如图1所示)，采样入口段和测量段外壁设置保温隔热装置，然后开启真空阀F，并启动真空泵10，使压力表P₂指示值略低于压力表P₀，并维持压力表P₂指示值恒定；

b、开启截止阀D、截止阀C、截止阀B和截止阀A，湿蒸汽在压差(湿蒸汽入口压力略高于储存罐9内部空间压力)作用下，进入湿蒸汽室6后，排入储存罐9，湿蒸汽对湿度标定装置管路吹扫2～3分钟后，认为湿度标定装置管路内杂质气体已排除干净，此时关闭截止阀D和截止阀C，关闭真空泵10及真空阀F，打开放空阀E，回收储存罐9中的液体；

c、待第二温度采集装置T₁和第一温度采集装置T₀温度指示值相等时，依次关闭截止阀B和截止阀A，湿蒸汽样本采样完毕后，将采样入口段与测量段在连接管4处分离，测量段与回收段在连接管8处分离，并去除测量段外壁的保温隔热装置；

d、测量段截止阀B和截止阀C始终紧闭，即湿蒸汽100的总体积为定值，其中的湿蒸汽100处于液滴悬浮的亚平衡态，如图2所示。借助外界冷媒工质，打破湿蒸汽100中汽液相的亚平衡态，保证处于悬浮状态的微小液滴全部凝结为大液滴后，融入存液管7内部下端的液相区102，如图3所示。然后，借助外界热媒工质，对液相区102进行缓慢均匀加热，使其汽化融入汽相区101，并时刻注意第二温度采集装置T₁温度指示值的变化。当第二温度采集装置T₁的温度指示值与采样时第一温度采集装置T₀的指示值一致时，停止加热。

e、测量液柱高度，根据液柱高度可以算出液相的体积V_l，用已知的测量段的体积减去V_l，可得到汽相的体积V_g，根据相应密度，求算出汽相和液相的质量M_g和M_l。

由此，根据湿蒸汽的湿度定义，即可标定出被测湿蒸汽的湿度y：

$y=\frac{M_1}{M_1+M_g}$

式中：M_g为被测样本汽相质量；M_l为被测样本液相质量。

Claims (9)

1.一种湿蒸汽两相流湿度标定方法，其特征在于，包括下列步骤：先冷却湿蒸汽两相流样品，待悬浮状态的微小液滴全部凝结后，加热液相区至湿蒸汽初始温度，利用湿蒸汽湿度定义，计算被测湿蒸汽湿度。

2.一种湿蒸汽两相流湿度标定装置，其特征在于，包括依次连通的采样入口段、测量段和回收段，相邻段之间设有截止阀门；

所述的采样入口段设有第一温度采集装置和第一压力采集装置；

所述的测量段包括与采样入口段连通的湿蒸汽室和连通在该湿蒸汽室底部的存液管，所述的湿蒸汽室设有第二温度采集装置；

所述的回收段包括与所述的存液管连通的储存罐和通过真空管路与该储存罐连通的真空泵；所述的储存罐设有第二压力采集装置。

3.如权利要求2所述的湿蒸汽两相流湿度标定装置，其特征在于，所述的采样入口段、测量段和回收段通过连接管依次连通，且连接管的两侧均设有截止阀门。

4.如权利要求2所述的湿蒸汽两相流湿度标定装置，其特征在于，所述的采样入口段和测量段设有可拆卸的隔热保温装置。

5.如权利要求2所述的湿蒸汽两相流湿度标定装置，其特征在于，所述的存液管在长度方向上至少有一部分为透明区域，且该透明区域处标有刻度。

6.如权利要求2所述的湿蒸汽两相流湿度标定装置，其特征在于，所述的测量段安装有换热器。

7.如权利要求2所述的湿蒸汽两相流湿度标定装置，其特征在于，所述的真空管路中设有真空阀。

8.如权利要求2所述的湿蒸汽两相流湿度标定装置，其特征在于，所述的储存罐底部设有带放空阀的排放管。

9.一种使用权利要求2～8所述的湿蒸汽两相流湿度标定装置标定湿蒸汽湿度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、利用真空泵对湿蒸汽两相流湿度标定装置抽真空，使回收段内的压力至少低于湿蒸汽的压力；

b、从采样入口段通入湿蒸汽对测量段进行吹扫；

c、完成吹扫后，待采样入口段和湿蒸汽室内温度相同时，利用截止阀门封闭测量段的两端；

d、冷却测量段至悬浮状态的微小液滴全部凝结后，对存液管加热至湿蒸汽初始温度；

e、测量液相体积，运用湿度定义计算湿蒸汽湿度。

Images