CN103207210A

CN103207210A - 一种湿蒸汽干度在线测量仪

Info

Publication number: CN103207210A
Application number: CN2013100866993A
Authority: CN
Inventors: 何灿阳; 黄军; 闫晓; 熊万玉; 刘锦; 袁德文; 王鸿韬; 李勇
Original assignee: Nuclear Power Institute of China
Current assignee: Nuclear Power Institute of China
Priority date: 2013-03-19
Filing date: 2013-03-19
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2033-03-19
Also published as: CN103207210B

Abstract

一种湿蒸汽干度在线测量仪，包括取样器、热交换器、水箱、离心器、冷却器，及将上述部件连接的第一取样支路、第二取样支路、第一冷却支路、第二冷却支路和第三冷却支路；所述湿蒸汽干度在线测量仪还包括测量热交换器介质出口处焓值的第一焓值测量装置，测量热交换器冷却水入口和冷却水出口处焓值的第二焓值测量装置；安装在第二取样支路的第一流量测量装置和安装在所述第二次级支路的第二流量测量装置；以及与第一焓值测量装置、第二焓值测量装置、第一流量测量装置、第二流量测量装置连接的数据处理模块。本发明实时测量取样侧和冷却侧的压力并进行运算，可以提供湿蒸汽干度值实时值。

Description

一种湿蒸汽干度在线测量仪

技术领域

本发明属于热工测量仪表领域，涉及一种湿蒸汽干度在线测量仪。

背景技术

湿蒸汽是一种汽相为连续相、液相为弥散相且具有稳定流动结构的汽液两相混合物，其中汽相的质量与湿汽总质量之比被定义为湿蒸汽的干度。湿蒸汽的干度是热工实验研究和设备运行的重要参数；比如，干度对低温低干度自然循环的供热堆的运行安全影响较大；核电站的汽轮机末端几级叶片，蒸汽干度直接影响汽轮机的叶片寿命和汽轮机效率；在化工、食品加工、制药等工业中，蒸汽干度的控制与产品的质量有着重要关系；在石油热采中，向油层注入的高温高压湿蒸汽的干度对采油的经济性有着重要影响。

目前的工业应用中主要采用化学试剂滴定法或者示踪剂法来测量湿蒸汽干度。化学试剂滴定法的测量精度取决于湿蒸汽中氢氧根或氯根的分布均匀性以及操作者的熟练程度。示踪剂法也要求示踪剂在整个蒸汽供应***中分布均匀，同时对示踪剂的测量分析设备要求非常高。这两种常用的方法都只能离线测量，不能实时地显示湿蒸汽干度的变化值。由于湿蒸汽干度在线测量难度很大，至今还没有能够实时测量、准确度高、寿命长、性能可靠且经济性较好的湿蒸汽测量仪器。

发明内容

为克服现有技术只能离线测量，不能实时显示湿蒸汽干度值的技术缺陷，本发明提供一种湿蒸汽干度在线测量仪。

本发明所述一种湿蒸汽干度在线测量仪，包括取样器、热交换器、水箱、离心器、冷却器、第一取样支路、第二取样支路、第一冷却支路、第二冷却支路和第三冷却支路；取样器与热交换器介质入口管路连接；第一取样支路连接热交换器介质出口和冷却器介质入口；第二取样支路连接冷取器介质出口；第一冷却支路连接热交换器冷却水出口和水箱，第一冷却支路还包括连接冷却器冷却水出口的第一次级支路；第二冷却支路连接水箱和离心器；第三冷却支路连接离心器和冷却器冷却水入口，第三冷却支路还包括连接热交换器冷却水入口的第二次级支路；所述湿蒸汽干度在线测量仪还包括测量热交换器介质出口处焓值的第一焓值测量装置，测量热交换器冷却水入口和冷却水出口处焓值的第二焓值测量装置,安装在第二取样支路的第一流量测量装置和安装在所述第二次级支路的第二流量测量装置；以及与第一焓值测量装置、第二焓值测量装置、第一流量测量装置、第二流量测量装置信号连接的数据处理模块。

具体的，所述第一焓值测量装置包括安装在热交换器介质出口处的温度测量装置和第一压力测量装置。

进一步的，所述第一焓值测量装置还包括安装在第二取样支路的温度测量装置。

具体的，所述第二焓值测量装置包括安装在热交换器冷却水入口的温度测量装置、第二压力测量装置和安装在热交换器冷却水出口的温度测量装置。

优选的，所述温度测量装置为迎流布置的铂电阻。

优选的，所述第一取样支路上还串联有减压装置。

优选的，所述减压装置为多级减压孔板。

优选的，所述水箱包括冷却装置。

优选的，所述第二冷却支路和/或第二次级支路上还串联有流量调节装置。

优选的，所述取样器与热交换器的连接管路上串联有高温高压球阀。

采用本发明所述的湿蒸汽干度在线测量仪，通过取样，把湿蒸汽引入热交换器中换热成单相水，实时测量取样侧和冷却侧的压力并进行运算，可以提供湿蒸汽干度值实时值，随时显示湿蒸汽干度值的变化，方便控制人员对蒸汽干度进行跟踪控制。本发明结构简单，体积较小，方便携带，测量精度高，干度测量误差小于±5%。

附图说明

图1示出本发明的一种具体实施方式的各支路和热交换器、冷却器各口的连接关系示意图；

图2示出本发明的一种具体实施方式的连接框图；

图3示出本发明所述的数据处理模块的一种具体实施方式的流程图；

各图中附图标记名称为：1.取样器 2.热交换器 3.水箱 4.离心器 5.冷却器6.蒸汽管道 7.多级减压孔板8.第一流量调节装置 9.第二流量调节装置 10.第一流量测量装置 11.第二流量测量装置 12.第三温度测量装置 13.第一温度测量装置 14.第二温度测量装置 15.第四温度测量装置 16.第二压力测量装置 17.第一压力测量装置 18.高温高压球阀 31.第一取样支路 32.第二取样支路 33.第一冷却支路 34.第二冷却支路 35.第三冷却支路 36.第一次级支路 37.第二次级支路 41.热交换器冷却水出口 42.热交换器介质入口 43.热交换器冷却水入口 44.热交换器介质出口 45.冷却器冷却水出口46.冷取器介质入口47.冷却器冷却水入口48.冷取器介质出口。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明涉及一种湿蒸汽干度在线测量仪，包括取样器1、热交换器2、水箱3、离心器4、冷却器5、第一取样支路31、第二取样支路32、第一冷却支路33、第二冷却支路34和第三冷却支路35；取样器1与热交换器介质入口42管路连接；第一取样支路31连接热交换器介质出口44和冷却器介质入口46；第二取样支路32连接冷取器介质出口48；第一冷却支路33连接热交换器冷却水出口41和水箱3，第一冷却支路33还包括连接冷却器冷却水出口45的第一次级支路36；第二冷却支路34连接水箱3和离心器4；第三冷却支路35连接离心器4和冷却器冷却水入口47，第三冷却支路35还包括连接热交换器冷却水入口43的第二次级支路37；所述湿蒸汽干度在线测量仪还包括测量热交换器介质出口44处焓值的第一焓值测量装置，测量热交换器冷却水入口43和冷却水出口41处焓值的第二焓值测量装置,安装在第二取样支路32的第一流量测量装置11和安装在所述第二次级支路的第二流量测量装置10；以及与第一焓值测量装置、第二焓值测量装置、第一流量测量装置、第二流量测量装置信号连接的数据处理模块。

具体实施时，取样器从蒸汽管道6对被测热蒸汽进行取样，经热交换器2把湿蒸汽冷却成单相水，再经冷却器进行二次冷却成单相低温水排出；水箱中的水通过离心器把水抽送至热交换器和冷却器，然后经混合后回流至水箱实现循环冷却使用。水箱上设计了风冷散热器和水冷散热器，对于取样性质的干度测量采用风冷散热，便于野外作业，对于实时干度监测位置，要求使用水冷方式散热，自来水从水箱下方进入从上方引出。取样器尺寸根据蒸汽管道6的大小决定，所述热交换器可以是常用的管壳式热交换器。冷却水和湿蒸汽的流量比控制在3:1至5:1之间，热交换器冷却水入口温度控制在25℃左右，压力控制在1MPa以上，能有效地保证干度测量的分辨率和***的稳定性。对热交换器冷却水入口温度和压力的控制，可以通过外设的温度调节装置和压力调节装置实现。

优选的，所述第一取样支路31上还串联有减压装置，将通过热交换器的由蒸汽转化成的水减为常压再进入冷却器，所述减压装置可以为多级减压孔板7。减压后的常压水可以直接排放，不会对人体造成伤害。

上述采用热交换器、冷却器和多级减压孔板的设计，取样后的湿蒸汽最终冷却成常温常压单相水，能直接排放，不会对操作人员造成伤害。冷却回路设计成闭式，通过水箱进行稳压和散热，冷却回路同时给热交换器和冷却器提供冷却水，采用这种设计方式，能有效保证冷却水流量的稳定性，防止外界对测量的干扰。

优选的，所述水箱3包括冷却装置，例如风冷和水冷散热装置对水箱3内的水进行冷却。

优选的，所述第二冷却支路34和/或第二次级支路37上还串联有流量调节装置。如图2所示，第一流量调节装置8和第二流量调节装置9分别对所处的第二次级支路和第二取样支路进行流量调节。流量调节装置应该设置在所处支路的流量测量装置后端，以免流量测量装置因流量过大导致导致测量误差增大；所述流量调节装置可以是调节阀，所述流量测量装置可以是电磁流量计或质量流量计。

优选的，所述取样器1与热交换器2的连接管路上串联有高温高压球阀18，末端通过活接头与热交换器相连，便于湿蒸汽干度在线测量仪检定和维修时不影响主管道的正常工作。

第一焓值测量装置测量取样器取样的蒸汽经过热交换器的焓值

Figure 2013100866993100002DEST_PATH_IMAGE002

、第二焓值测量装置测量热交换器冷却水入口处的焓值

Figure 2013100866993100002DEST_PATH_IMAGE004

和冷却水出口处的焓值

Figure 2013100866993100002DEST_PATH_IMAGE006

、第一流量测量装置测量第二取样支路的水流量

Figure 2013100866993100002DEST_PATH_IMAGE008

。由于第一取样支路和第二取样支路为密闭的串联结构，第二取样支路实际与第一取样支路水流量相同，都为被测蒸汽转化成水后的水流量，因此第一流量测量装置测量值表征了被测水蒸汽的流量、第二流量测量装置测量流过热交换器的冷却水流量

，表征了用于与被测水蒸汽进行热交换的冷却水流量。通过测量上述焓值和流量值，将数据输入所述数据处理模块，可以得出被测水蒸汽的干度。

具体的，所述第一焓值测量装置包括安装在热交换器介质出口处44的温度测量装置和第一压力测量装置17。通过测量热交换器介质出口处44的温度和压力，结合第一流量测量装置测得的水流量

，可以得出取样蒸汽经过热交换器后的焓值

。

进一步的，所述第一焓值测量装置还包括安装在第二取样支路32的温度测量装置。通过测量冷却器出口温度，可以对上述测量的

进行修正，测量结果更精确。

具体的，所述第二焓值测量装置包括安装在热交换器冷却水入口43的温度测量装置、第二压力测量装置16和安装在热交换器冷却水出口41的温度测量装置。通过测量热交换器冷却水出口41和热交换器冷却水入口43处的温度和压力，结合第二流量测量装置测量流过热交换器的冷却水流量

，可以得出热交换器冷却水入口处的焓和出口处的焓

。

上述各温度测量装置优选为迎流布置的铂电阻，即铂电阻的测量端头指向与水流方向相反，测量温度更加准确。

通过IAPWS-IF97标准，通过压力和温度可以得到对应水的焓值。在1997年德国Erlangen召开的水和水蒸汽性质国际联合会（IAPWS）通过并发表了由德、俄、英、加等7国12位科学家组成的联合研究小组提出的一个全新的水和水蒸汽计算模型，即IAPWS-IF97公式，根据该公式，通过测量水的压力和温度可以得到对应的焓值。

得到各个焓值后，根据能量守恒定理，有：

①

且蒸汽干度与焓值符合下式：

②

其中为***的换热效率，

为蒸汽管道6焓值，

为饱和水焓，

为饱和蒸汽焓，x为蒸汽干度，结合式①和式②可得：

③

由③式可知，通过测量流量

、

和焓值

、

，可以得出蒸汽干度。

上述计算步骤可以通过预先编写软件程序，输入所述数据处理模块实现。

为更好说明本发明，下面给出以图2至3所示的本发明一种具体实施方式：

将取样器与蒸汽管道6连接并从蒸汽管道对蒸汽取样，取样后的蒸汽输入热交换器2。

第一焓测量装置包括安装在热交换器介质出口处44的第一温度测量装置13、第一压力测量装置17和安装在第二取样支路32的第二温度测量装置14。

第二焓值测量装置包括安装在热交换器冷却水入口43的第三温度测量装置12、第二压力测量装置16和安装在热交换器冷却水出口41的第四温度测量装置15。

各个温度测量装置为迎流布置的铂电阻，压力测量装置为压力变送器，所述的第一流量测量装置8和第二流量测量装置9为电磁流量计。

上述各测量装置测得的数据实时地输入数据转换模块。

所述数据转换模块包括配电转换模块、采集单元、处理单元和显示单元。

第一温度测量装置13测得的取样入口温度T1、第二温度测量装置14测得的取样出口温度T2、第三温度测量测量装置12测得的冷却入口温度T3、第四温度测量装置15测得的冷却出口温度T4输入所述配电转换模块，第一压力测量装置17测得的取样侧流量P0，第二压力测量装置16测得的冷却侧流量P1，第一流量测量装置8测得的流量W0，第二流量测量装置9测得的流量W1与配电转换模块输出的数据一起输入到采集单元，采集单元将数据发送到处理单元，处理单元同时接收产品标定出的***换热效率参数，通过前述的公式①、②和③计算得出被测蒸汽的干度，通过显示单元实时显示湿蒸汽干度值。

上述数据转换模块的采集单元、处理单元和显示单元可以采用中央处理器、存储装置和液晶显示器连接实现。

本发明中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种湿蒸汽干度在线测量仪，包括取样器（1）、热交换器（2）、水箱（3）、离心器（4）、冷却器（5）、第一取样支路（31）、第二取样支路（32）、第一冷却支路（33）、第二冷却支路（34）和第三冷却支路（35）；取样器（1）与热交换器介质入口（42）管路连接；第一取样支路（31）连接热交换器介质出口（44）和冷却器介质入口（46）；第二取样支路（32）连接冷取器介质出口（48）；第一冷却支路（33）连接热交换器冷却水出口（41）和水箱（3），第一冷却支路（33）还包括连接冷却器冷却水出口（45）的第一次级支路（36）；第二冷却支路（34）连接水箱（3）和离心器（4）；第三冷却支路（35）连接离心器（4）和冷却器冷却水入口（47），第三冷却支路（35）还包括连接热交换器冷却水入口（43）的第二次级支路（37）；所述湿蒸汽干度在线测量仪还包括测量热交换器介质出口（44）处焓值的第一焓值测量装置，测量热交换器冷却水入口（43）和冷却水出口（41）处焓值的第二焓值测量装置,安装在第二取样支路（32）的第一流量测量装置（11）和安装在所述第二次级支路的第二流量测量装置（10）；以及与第一焓值测量装置、第二焓值测量装置、第一流量测量装置、第二流量测量装置信号连接的数据处理模块。

2. 如权利要求1所述湿蒸汽干度在线测量仪，其特征在于：所述第一焓值测量装置包括安装在热交换器介质出口处（44）的温度测量装置和第一压力测量装置（17）。

3. 如权利要求2所述湿蒸汽干度在线测量仪，其特征在于：所述第一焓值测量装置还包括安装在第二取样支路（32）的温度测量装置。

4. 如权利要求1所述湿蒸汽干度在线测量仪，其特征在于：所述第二焓值测量装置包括安装在热交换器冷却水入口（43）的温度测量装置、第二压力测量装置（16）和安装在热交换器冷却水出口（41）的温度测量装置。

5.如权利要求2至4任意一项所述湿蒸汽干度在线测量仪，其特征在于：所述温度测量装置为迎流布置的铂电阻。

6. 如权利要求1所述湿蒸汽干度在线测量仪，其特征在于：所述第一取样支路（31）上还串联有减压装置。

7.如权利要求6所述湿蒸汽干度在线测量仪，其特征在于：所述减压装置为多级减压孔板（7）。

8. 如权利要求1所述湿蒸汽干度在线测量仪，其特征在于：所述水箱（3）包括冷却装置。

9.如权利要求1所述湿蒸汽干度在线测量仪，其特征在于：所述第二冷却支路（34）和/或第二次级支路（37）上还串联有流量调节装置。

10.如权利要求1所述湿蒸汽干度在线测量仪，其特征在于：所述取样器（1）与热交换器（2）的连接管路上串联有高温高压球阀（18）。