CN109459533A - 一种蒸汽湿度测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蒸汽湿度测量装置及其方法，包括采样管、测量管、调节阀、冷却装置、计量罐，采样管的进口处设有铂电阻，采样管出口与测量管的进口连接，测量管的出口与冷却装置通过调节阀相连，测量管中从进口到出口依次设有孔板、压力温度传感器、加热器和温度传感器，冷却装置的出口设有三通阀，三通阀的两个出口分别连接排水管和滴水管，计量罐位于滴水管的下方，计量罐的底部设有放水阀，计量罐下设有力传感器。本发明可在线测量锅筒蒸汽湿度，测量装置相对简单，整体准确度高。

Description

一种蒸汽湿度测量装置及其方法

技术领域

本发明属于蒸汽湿度测量技术领域，具体涉及一种蒸汽湿度测量装置及其方法。

背景技术

在蒸汽锅炉、蒸汽供热***中，蒸汽湿度测量与控制，对于保障设备安全与经济运行、保证产品质量意义重大。

目前蒸汽湿度测量原理与方法较多，有氯根法、节流法、光学法、示踪剂法、超声波法、微波法、电容法等。氯根法目前使用较多，但测量复杂、误差较大；节流法原理简单，复现性好，但不太准确；光学法可在线测量，但价格较贵，测量结果随意性大，使用条件苛刻；示踪剂法测量较准，但不能在线，价格昂贵，操作复杂；超声波、微波、电容法尚处于研究、发展阶段，而且不太适合较高温度情况下的蒸汽湿度测量。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明依据热力学原理、质量守恒原理，提出了一种蒸汽湿度测量装置及其方法，可在线测量蒸汽湿度。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种蒸汽湿度测量装置，包括采样管、测量管、调节阀、冷却装置、计量罐，所述采样管的进口处设有铂电阻，所述采样管出口与所述测量管的进口连接，所述测量管的出口与所述冷却装置通过调节阀相连，所述测量管中从进口到出口依次设有孔板、压力温度传感器、加热器和温度传感器，所述冷却装置的出口设有三通阀，所述三通阀的两个出口分别连接排水管和滴水管，所述计量罐位于所述滴水管的下方，所述计量罐的底部设有放水阀，所述计量罐下设有力传感器。

作为优选，还包括湿度显示仪，所述湿度显示仪内设有控制器，所述铂电阻、压力温度传感器、温度传感器、调节阀、三通阀、加热器、放水阀、力传感器均与所述控制器连接，所述湿度显示仪上还设有显示器，所述显示器与所述控制器连接。

作为优选，所述采样管的外壁上设有螺纹，所述螺纹的后方设有密封挡板，所述密封挡板前还设有耐高温密封垫片。

作为优选，所述采样管进口处的管壁上设有凹槽，所述铂电阻位于所述凹槽中，所述采样管进口还设有通流旋帽，所述通流旋帽旋紧后盖住所述凹槽。

作为优选，所述测量管外侧设有保温层，所述保温层外还设有不锈钢护管。

作为优选，所述测量管中在压力温度传感器前设有两个孔板。

作为优选，所述调节阀和冷却装置外均设有隔热层。

作为优选，所述计量罐下设有四只力传感器，四只力传感器沿计量罐底面圆周均匀、对称布置。

一种蒸汽湿度测量方法，包括以下步骤：(1)启动蒸汽湿度测量装置，通过铂电阻测得锅筒内部蒸汽温度t₁，蒸汽流过孔板后的压力p₂，温度t₂，由压力温度传感器测得，蒸汽进一步流过加热器后，压力基本不变，p₃≈p₂，温度t₃，由温度传感器测得，依据稳定流动能量方程和能量平衡关系可以算出蒸汽质量流量m和蒸汽湿度W；(2)蒸汽湿度测量装置稳定工作一段时间后，湿度显示仪控制三通阀向外排水、同时放水阀也向外排水；计量罐排空后，此时显示器显示计量罐空罐质量，然后三通阀向下排水、同时放水阀关闭，计量罐开始存水；存水后，用计量罐测出的蒸汽质量流量m_zq代替加热器测出的采样蒸汽质量流量m。

作为优选，蒸汽质量流量m和蒸汽湿度W的具体计算方法为：

依据稳定流动能量方程式，有如下关系：

式中，q为热量损失，h₁为采样管进口处蒸汽的焓，h₂为测量管中加热器前的蒸汽的焓，c₁为采样管进口处蒸汽的流速，c₂为测量管中加热器前的蒸汽的流速，g为重力常数，z₁为采样管进口处的高度；z₂为测量管中加热器前的高度；

c₁≈0，q≈0，z₂＝z₁，简化方程可得：

依据能量平衡关系，可得：

N＝f(h₃-h₂)m

式中，N为加热器的电热功率，f为测量系数；h₂为测量管中加热器前的蒸汽的焓，h₃为测量管中加热器后的蒸汽的焓，m为加热器段蒸汽测试质量流量；

蒸汽在加热器前的压力p₂、温度t₂由压力温度传感器测得，蒸汽流过加热器后，压力基本不变，p₃≈p₂，温度t₃由温度传感器测得，根据压力p₂、温度t₂，利用过热蒸汽表可查得焓h₂、密度ρ₂；根据压力p₃、温度t₃，利用过热蒸汽表可查得焓h₃；

起始赋值f＝1，加热器段蒸汽测试质量流量m可利用下式求得：

m又可以用下式计算：

经公式变换得：

式中，m为加热器段蒸汽测试质量流量，d为测量管内径，c₂为测量管中加热器前的蒸汽的流速，ρ₂为测量管中加热器前的蒸汽的密度；

铂电阻测得采样管进口处温度t₁，根据温度排序的饱和蒸汽表，可查得对应的饱和水焓h′以及饱和蒸汽焓h″。焓h₁的表达式如下：

h₁＝h′W+h″(1-W)

式中，h₁为采样管进口处蒸汽的焓，h′为采样管进口处温度t₁对应的饱和水焓，h″为采样管进口处温度t₁对应的饱和蒸汽焓，W为蒸汽湿度；

标定时，利用计量罐准确测得蒸汽质量流量m_zq，则测量系数f＝m/m_zq＝A。f赋值从1改为A，重新计算m。

本发明的有益效果是：

1.可在线测量锅筒蒸汽湿度，测量装置相对简单，整体准确度高。

2.可测量蒸汽湿度范围大，能满足较高温度水平的蒸汽湿度测量需要。

3.选用高精度传感器，测试环节较少，而且有效控制了误差形成因素。

4.利用高精度的力传感器标定对应的测算数据，最后结果更准确。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

附图标记列表：

1-铂电阻；2-采样管；3-螺纹；4-密封挡板；5-压力温度传感器；6-温度传感器；7-保温层；8-测量管；9-调节阀；10-冷却装置；11-计量罐；12-放水阀；13-通流旋帽；14-孔板；15-加热器；16-放水按钮；17-存水按钮；18-三通阀；19-电源按钮；20-标定按钮；21-湿度显示仪；22-显示器；23-信号输入输出端子；24-力传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

如图1所示，一种蒸汽湿度测量装置，包括采样管2、测量管8、调节阀9、冷却装置10、计量罐11，采样管2的进口处设有铂电阻1，采样管2出口与测量管8的进口连接，测量管8的出口与冷却装置10通过调节阀9相连，测量管8中从进口到出口依次设有孔板14、压力温度传感器5、加热器15和温度传感器6，冷却装置10的出口设有三通阀18，三通阀18的两个出口分别连接排水管和滴水管，计量罐11位于滴水管的下方，计量罐11的底部设有放水阀12，计量罐11下设有力传感器24。

蒸汽湿度测量装置还包括湿度显示仪21，湿度显示仪21内设有控制器，铂电阻1、压力温度传感器5、温度传感器6、调节阀9、三通阀18、加热器15、放水阀12、力传感器24均与控制器连接，湿度显示仪21上还设有显示器22，显示器22与控制器连接。

本例中的湿度显示仪21上还设有放水按钮16、存水按钮17、电源按钮19、标定按钮20、信号输入输出端子23。湿度显示仪21用于检测信号、处理数据、控制过程、显示测量参数。信号输入输出端子23接收来自铂电阻1、压力温度传感器5、加热器15、温度传感器6，力传感器24的信号，输出控制三通阀18、放水阀12开闭的信号。显示器22为液晶显示屏，显示器22显示锅筒蒸汽湿度W、温度t₁，加热器15蒸汽压力p₂、温升Δt，取样蒸汽质量流量m、计量罐11总质量G。

采样管2的外壁上设有螺纹3，螺纹3的后方设有密封挡板4。螺纹3用于安装采样管2，本例中采样管2伸入锅筒蒸汽空间，通过螺纹3与锅筒固定，采样管2安装好后密封挡板4紧贴锅筒外壁，起到密封的作用，为了增强密封效果，锅筒和密封挡板4之间还设有耐高温密封垫片。

采样管2进口处的管壁上设有凹槽，铂电阻1位于凹槽中，采样管2进口还设有通流旋帽13，通流旋帽13旋紧后盖住凹槽。采样管2前后外径不变。铂电阻1用于测量锅筒内蒸汽温度，本例中铂电阻1采用上海双旭薄膜型铂电阻，型号MWFT1，测量范围-79～400℃，允许误差±0.3+0.005︱t︱℃。

采样管2与测量管8组合，形成L型测试元件，采样管2与测量管8的主体材料为不锈钢，测量管8后端旋入调节阀9。测量管8从左到右布置两块孔板14、压力温度传感器5、加热器15、温度传感器6，测量管8为L形，后部90°转向；孔板14的作用是强化节流效果；测量管8外包覆保温层7，材料为超细玻璃纤维，最高使用温度450℃；保温层7外装有不锈钢护管。

本例中，压力温度传感器5选用山象PT131，压力量程0～1MPa～200MPa，温度量程0～200～400℃，精度0.35级；温度传感器6采用上海自动化仪表三厂生产的铠装铂电阻，型号WZPK2-265SA，测量范围-200～500℃，允许误差±0.15+0.002︱t︱℃。加热器15的电热功率测量采用三友自动化仪表有限公司生产的DP3-W200数显功率表，量程0～200W，测量误差±0.5％FS±0.2字。

冷却装置10采用水冷方式，负责把取样的蒸汽冷却为水(水温控制在50度以下，冷却装置10底部设普通直读式温度计，精度1.5级)，其上接调节阀9、下接三通阀18；冷却装置10表面需适当隔热、防止烫伤；调节阀9也需要适当隔热。因此调节阀9和冷却装置10外均设有隔热层。

计量罐11下设有四只力传感器24，四只力传感器24沿计量罐11底面圆周均匀、对称布置。配合时间参数，计量罐11可精确计量水的质量流量，本例中所用的力传感器24为上海产圆板式、型号N10A-50，称重量程0～50kg，精度0.2级，计量罐11总质量即四力代数和；计量罐11进水全部由取样蒸汽冷却而来，水的质量流量数值上就是取样蒸汽质量流量。计量罐11底部设有放水阀12，空罐质量G_g，蒸汽质量流量m_zq，G＝G_g+m_zq，总质量G不得超过180kg。

利用上述装置的蒸汽湿度测量方法，包括以下步骤：

(1)在蒸汽湿度测量装置启动后，通过铂电阻1测得锅筒内部蒸汽温度t₁，蒸汽流过孔板14后的压力p₂，温度t₂，由压力温度传感器5测得，蒸汽进一步流过加热器15后，压力基本不变，p₃≈p₂，温度t₃，由温度传感器6测得，依据稳定流动能量方程和能量平衡关系可以算出蒸汽质量流量m和蒸汽湿度W。

(2)蒸汽湿度测量装置稳定工作一段时间后，按下电源按钮19，湿度显示仪21通电工作；按下放水按钮16，三通阀18向外排水、同时放水阀12也向外排水；计量罐11排空后，此时显示器22显示计量罐11空罐质量，按下存水按钮17，三通阀18向下排水、同时放水阀12关闭，计量罐11开始存水；较长时间存水后，按下标定按钮20，此时用计量罐11测出的蒸汽质量流量m_zq代替加热器15测出的采样蒸汽质量流量m，显示器22显示更新后的蒸汽湿度、取样蒸汽质量流量，测出的蒸汽湿度更加准确；若计量罐11水量太多，可再次按下放水按钮16，重复相关操作。

锅筒内部蒸汽温度t₁，焓h₁，湿度W，流速c₁≈0，铂电阻1可测得t₁；蒸汽流过孔板14(二块)后，压力p₂，温度t₂，由压力温度传感器5测得，焓h₂，流速c₂；蒸汽进一步流过加热器15后，压力基本不变，p₃≈p₂，温度t₃，由温度传感器6测得，焓h₃，温升Δt＝t₃-t₂；通过计量罐11，可准确测量采样蒸汽的质量流量m_zq。

蒸汽质量流量m和蒸汽湿度W的具体计算方法为：

依据稳定流动能量方程式，有如下关系：

式中，q为热量损失，h₁为采样管2进口处蒸汽的焓，h₂为测量管8中加热器15前的蒸汽的焓，c₁为采样管2进口处蒸汽的流速，c₂为测量管8中加热器15前的蒸汽的流速，g为重力常数，z₁为采样管2进口处的高度；z₂为测量管8中加热器15前的高度；

在锅筒蒸汽与压力温度传感器5处的蒸汽之间，锅筒内部测试元件无散热、外部测试元件良好保温，故q≈0；测试元件水平放置，z₂＝z₁，简化方程可得：

依据能量平衡关系，可得：

N＝f(h₃-h₂)m

式中，N为加热器15的电热功率，f为测量系数；h₂为测量管8中加热器15前的蒸汽的焓，h₃为测量管8中加热器15后的蒸汽的焓，m为加热器15段蒸汽测试质量流量；

蒸汽在加热器15前的压力p₂、温度t₂由压力温度传感器5测得，蒸汽流过加热器15后，压力基本不变，p₃≈p₂，温度t₃由温度传感器6测得，根据压力p₂、温度t₂，利用过热蒸汽表可查得焓h₂、密度ρ₂；根据压力p₃、温度t₃，利用过热蒸汽表可查得焓h₃；

由于压力温度传感器5、温度传感器6仅测量管轴中心有关参数，故加热器15段能量平衡方程式用测量系数f适当修正，起始赋值f＝1，加热器15段蒸汽测试质量流量m可利用下式求得：

m又可以用下式计算：

经公式变换得：

式中，m为加热器15段蒸汽测试质量流量，d为测量管8内径，c₂为测量管8中加热器15前的蒸汽的流速，ρ₂为测量管8中加热器15前的蒸汽的密度；

铂电阻1测得采样管2进口处温度t₁，根据温度排序的饱和蒸汽表，可查得对应的饱和水焓h′以及饱和蒸汽焓h″。焓h₁的表达式如下：

h₁＝h′W+h″(1-W)

式中，h₁为采样管2进口处蒸汽的焓，h′为采样管2进口处温度t₁对应的饱和水焓，h″为采样管2进口处温度t₁对应的饱和蒸汽焓，W为蒸汽湿度；

标定时，利用计量罐11准确测得蒸汽质量流量m_zq，则测量系数f＝m/m_zq＝A。f赋值从1改为A，重新计算m，此时m更准确，调整电热功率N基本无影响，加热器15段散热影响更小。有关公式再计算一遍，最后得到的蒸汽湿度W更准确。

本蒸汽湿度测量装置及其方法，采用了高精度传感器，考虑了测试元件内部流速影响，考虑了相关表面保温，同时能经常对重要参数标定，因而湿度测量范围更大、测量精度明显提高。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种蒸汽湿度测量装置，其特征在于，包括采样管、测量管、调节阀、冷却装置、计量罐，所述采样管的进口处设有铂电阻，所述采样管出口与所述测量管的进口连接，所述测量管的出口与所述冷却装置通过调节阀相连，所述测量管中从进口到出口依次设有孔板、压力温度传感器、加热器和温度传感器，所述冷却装置的出口设有三通阀，所述三通阀的两个出口分别连接排水管和滴水管，所述计量罐位于所述滴水管的下方，所述计量罐的底部设有放水阀，所述计量罐下设有力传感器。

2.如权利要求1所述的蒸汽湿度测量装置，其特征在于，还包括湿度显示仪，所述湿度显示仪内设有控制器，所述铂电阻、压力温度传感器、温度传感器、调节阀、三通阀、加热器、放水阀、力传感器均与所述控制器连接，所述湿度显示仪上还设有显示器，所述显示器与所述控制器连接。

3.如权利要求1所述的蒸汽湿度测量装置，其特征在于，所述采样管的外壁上设有螺纹，所述螺纹的后方设有密封挡板，所述密封挡板前还设有耐高温密封垫片。

4.如权利要求1所述的蒸汽湿度测量装置，其特征在于，所述采样管进口处的管壁上设有凹槽，所述铂电阻位于所述凹槽中，所述采样管进口还设有通流旋帽，所述通流旋帽旋紧后盖住所述凹槽。

5.如权利要求1所述的蒸汽湿度测量装置，其特征在于，所述测量管外侧设有保温层，所述保温层外还设有不锈钢护管。

6.如权利要求1所述的蒸汽湿度测量装置，其特征在于，所述测量管中在压力温度传感器前设有两个孔板。

7.如权利要求1所述的蒸汽湿度测量装置，其特征在于，所述调节阀和冷却装置外均设有隔热层。

8.如权利要求1所述的蒸汽湿度测量装置，其特征在于，所述计量罐下设有四只力传感器，四只力传感器沿计量罐底面圆周均匀、对称布置。

9.一种蒸汽湿度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)启动蒸汽湿度测量装置，通过铂电阻测得锅筒内部蒸汽温度t₁，蒸汽流过孔板后的压力p₂，温度t₂，由压力温度传感器测得，蒸汽进一步流过加热器后，压力基本不变，p₃≈p₂，温度t₃，由温度传感器测得，依据稳定流动能量方程和能量平衡关系可以算出蒸汽质量流量m和蒸汽湿度W；(2)蒸汽湿度测量装置稳定工作一段时间后，湿度显示仪控制三通阀向外排水、同时放水阀也向外排水；计量罐排空后，此时显示器显示计量罐空罐质量，然后三通阀向下排水、同时放水阀关闭，计量罐开始存水；存水后，用计量罐测出的蒸汽质量流量m_zq代替加热器测出的采样蒸汽质量流量m。

10.如权利要求9所述的蒸汽湿度测量方法，其特征在于，蒸汽质量流量m和蒸汽湿度W的具体计算方法为：

依据稳定流动能量方程式，有如下关系：

式中，q为热量损失，h₁为采样管进口处蒸汽的焓，h₂为测量管中加热器前的蒸汽的焓，c₁为采样管进口处蒸汽的流速，c₂为测量管中加热器前的蒸汽的流速，g为重力常数，z₁为采样管进口处的高度；z₂为测量管中加热器前的高度；

c₁≈0，q≈0，z₂＝z₁，简化方程可得：

依据能量平衡关系，可得：

N＝f(h₃-h₂)m

式中，N为加热器的电热功率，f为测量系数；h₂为测量管中加热器前的蒸汽的焓，h₃为测量管中加热器后的蒸汽的焓，m为加热器段蒸汽测试质量流量；

蒸汽在加热器前的压力p₂、温度t₂由压力温度传感器测得，蒸汽流过加热器后，压力基本不变，p₃≈p₂，温度t₃由温度传感器测得，根据压力p₂、温度t₂，利用过热蒸汽表可查得焓h₂、密度ρ₂；根据压力p₃、温度t₃，利用过热蒸汽表可查得焓h₃；

起始赋值f＝1，加热器段蒸汽测试质量流量m可利用下式求得：

m又可以用下式计算：

经公式变换得：

式中，m为加热器段蒸汽测试质量流量，d为测量管内径，c₂为测量管中加热器前的蒸汽的流速，ρ₂为测量管中加热器前的蒸汽的密度；

铂电阻测得采样管进口处温度t₁，根据温度排序的饱和蒸汽表，可查得对应的饱和水焓h′以及饱和蒸汽焓h"。焓h₁的表达式如下：

h₁＝h′W+h″(1-W)

式中，h₁为采样管进口处蒸汽的焓，h′为采样管进口处温度t₁对应的饱和水焓，h"为采样管进口处温度t₁对应的饱和蒸汽焓，W为蒸汽湿度；标定时，利用计量罐准确测得蒸汽质量流量m_zq，则测量系数f＝m/m_zq＝A。f赋值从1改为A，重新计算m。