CN1172977A - 用于测量和可调控制在管道接头处中的汽－液混合比的方法和装置 - Google Patents

用于测量和可调控制在管道接头处中的汽－液混合比的方法和装置 Download PDF

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Abstract

两相流体流的气相和液相,例如蒸汽,是分开的。气相在一个蒸气管(13)中流动,该管有一个孔板(12),在其两侧设有取压分接管(14)和(15)。液相在一个旁路管(25)中流动,该管有一个孔板(26),在其两侧设有取压分接管(27)和(28)。各相的质量流的流速可以从上游的压力和孔板两侧的压力降的测量结果中获知。各相在输出管(11)的对称平面重新汇合。流经旁路管的液相流速可以通过一个阀门(23),根据所测量的质量流的流速做相应的控制。

Description

用于测量和可调控制在管道接头处中的 汽-液混合比的方法和装置
本发明涉及工业应用中所使用的两相流体流动***的改进，如在炼油厂、加工厂或类似地方使用的油田蒸气注入或流体分配***。更确切地说，本发明涉及在这样的流体流动***的管道接头处，根据测量检测和定量控制气液混合比(蒸汽质量)的装置及方法、虽然下面的基本描述是有关蒸汽流动***的，但不言而喻本发明的原则同样适用于任何一个两相流体流动***。
在大多数蒸汽流的场合，来自蒸气源或发生器的湿蒸汽是通过管道网络分配到各个用户。在管道接头处会发生常说的“相分离”，即液相和气相彼此分开的现象。在相分离的情况下，较轻的气相一般沿管道的轴向高速移动而较重的液相易呈环状并形成液膜依附在管道的内壁上并沿之移动。液相基本上沿管道的内圆周相对于管道的垂直直径均匀分布。当发生这种相分离或分开的蒸汽遇到一个管道接头，例如一个旁路T型接头，时质量不同的蒸汽(即气液比不同)会离开接头各相应支路。这个问题曾经在美国专利5,415,195、5,407,274、5,250,104、5,218,985、4,574,837、4,522,218和4,516,986中提出过并公开了各种解决方法。
在某些应用中，可能要求利用相分离现象来实际测量并控制在旁路T型接头处的蒸汽质量。本发明提出了一些方法和装置恰恰可以完成这样的测量并可在湿蒸汽分配网络的旁路T型接头处给出可控并可调的气液比。
在前面所引述的美国专利(5,415,195)中含有一个装置，该装置因本发明的受让人的称为SpliTgatorTM的商标而知名，用于平衡在旁路T型接头处的出口支路中的气液比或蒸汽质量。在该装置中的旁路T型接头处的出口支路或主输流管中，在输流管的底部设置了一个集液槽。当发生相分离的湿蒸汽沿主输流管流过时，基本上只有气相才能从出口支管中通过，而液相则被集液槽截留，并被引导流过一个液流旁路管，其出口端在出口支管内安装的孔板的下游。液流旁路管的管道直径小于主输流管或支路管的直径，并且设在出口支路的底部，再连回到旁路T型接头处的输出支路的中心。为了在***的输出管中产生恒定的、可控的蒸汽质量，液流旁路管的直径、输出管中的蒸气孔板的直径、主输流管的直径以及输出支路管的直径都要按一定的尺寸制造。在本发明中在输出管线的上游和下游安装了直径很小的取压分接管。这可以使ΔPV，即蒸气孔板两侧的压差，以及PV，即在输出输流管的气相段中蒸气孔板上游的压力，受到由适当的压力传感器不断反复地监视和测量。这些数据不断反复地输入到一台控制计算机中。
在液流旁路管中，安装有一个液流孔板，同时在其上游和下游安装取压分接管。这样可以用适当的压力传感器反复监视和测量ΔPL和PL，它们分别是液流孔板两边的压差和液流旁路管上游测的压力。这些数据也都分别输入到控制计算机中。此外，在液流旁路管中，在液流孔板和与之相关的取压分接管下游处，还有一个液体流速控制阀(或球阀)，该阀可以远距离由电信号控制并也与控制计算机相联。
这样，控制计算机反复监视蒸气质量流的流速(是通过已知ΔPV和PV以及输入管直径来测量)以及液流质量流的流速(是通过已知PV和PL及液流旁路管直径来测量)。控制计算机发送电信号来调节液体流速控制阀，或球阀，从而在支路接头处的输出管中，提供不超过整个蒸汽供给***设计参数范围的任何所需的气液比。
参考随后的详细说明，并结合附图，可以更好地理解本发明。说明文字和附图仅仅是为了更好地解释，而不是对本发明做限定。
图1是一个显示用在旁路T型接头处的本发明的***的局部剖分侧视简图，；并且
图2是图1的旁路T型接头处的一个部分的俯视简图。
图3是一个局部剖分侧视简图，示出一个用作流体质量流的流速测量工具的SpliTgator。
蒸汽发生器通常产生的蒸汽的气液比(质量)范围为70％-80％。在某些应用中，需要精确测量并控制蒸汽质量在一个特别适合的既定的比例上，而不是根据多用户现场的要求、管线几何形状及发生器的一致性等令蒸汽的质量从0％到100％变化。本发明恰好可以在湿蒸汽分配***操作参数多变的情况下，提供此种测量并给出可控并可调的蒸汽质量。
绝大多数蒸汽分配***或是工作在分离流体系中，或是工作在一个环形流体系中。本发明的方法和装置在其中任何一个体系中均可同样地正常工作。在一个分离流体系中，液相仅仅占管道横截面的底部的一小部分，而气相充满剩余的空间。在一个环形流体系中，液相形成了一个环形的薄膜粘着在管道内壁周围，这时气相是在管道中沿轴向流动。这两种流动模式都是相对于管道的垂直直径或中心线对称。在本发明中这种对称性用来促成在T型管道接头处的输出支路上的均一的和可控的液相流动。这样就可以将输出蒸汽质量控制在***设计参数之内。而且，可以测量气相流和液相流之间的压差，并可以用于控制计算机之中，以便根据这种测量结果改变液相流管道中的流动。
参考图1和图2所示出的是一个根据本发明的概念的完善的自动测量和控制***的简图。图1是该***的一个局部剖分的侧视图，而图2是主输流管部分的顶视图。
湿蒸汽流管线18通过本发明的***连接到一个旁路T型接头(通常用10表示)，希望在其中准确控制输出支路11的蒸汽质量。输流管18还带有一个集液槽30和旁路管25。无论是在管道18中的分离流还是在环形流的情况下，集液槽30都可有效地将在管18中流动的湿蒸汽的一部分液相与气相分开。在输出支路管11的起始段部分13中基本上只有纯气相流存在。在输出管11的出口，在蒸气孔板12的两侧配有小直径的取压分接管14和15。一个压差传感器16(如需要可选压电类型的)跨接在取压分接管14和15的两侧并在连接到控制计算机21的导线19上反复发出压差测量ΔPV信号。计算机21可以是任何适合的可编程的微处理器，例如基于INTEL 80386或80486微处理器芯片，并包括一个适合的存储元件及接口硬件以便与这里所描述的输入与输出设备接口。例如，如需要，可以使用一种基于INTEL 80486的台式计算机Packard-Bell Model 20CD。
压力传感器17连接到蒸气孔板12上游一侧的取压分接管15。传感器17反复地检测在孔板12上游的纯气相输流管13中的压力PV。来自传感器17的信号通过导线20送到计算机21中，也通过适合的内部接口硬件送入计算机21。通过已知的输流管13及孔板12的直径、ΔPV、及PV，计算机21可以测量和确定通过管道13流到输出管11的气体质量流。
在蒸汽孔板12的下游一侧，配有一个较小直径的液流旁路管25和22，由此液相流可以再流回输出管11。在集液槽30中的分离相流中采集的液体，靠重力吸引及压力驱动流入液体输流管25和22。输流管25和22在液流控制阀23的上游配有一个液流孔板26。液流控制阀23通过导线24连接到计算机21，并能在导线24上送出和接收来自计算机21的控制信号。送入计算机21的信号显示阀门23的百分流量开度(从0％到100％)。导线24上来自计算机21的信号可以在计算机21程序的控制下改变阀门23的开启百分比，从0％到100％。
取压分接管27和28跨接在液流孔板26上。取压分接管27和28还连接到一个压差传感器33，如需要，该传感器也可选用压电类型的。压差传感器33反复输出测量信号代表ΔPL，即在液流旁路管25和22中的液流孔板26两侧的压降。一个同样或类似类型的压力计量传感器32也连接到液流孔板26上游一侧的取压分接管27上。传感器32可以对液流旁路管上游侧25中的压力PL进行反复的测量，并通过导线29送入控制计算机21中。如已知液流输入管25的直径、孔板26以及压降ΔP1和压力P1，计算机21可以测出在管22和25中通过液流旁路管的开口通到输出管11的31的液流阀中的流速。
由于在接头处气体流速和液体流速都可测知，任何时候的气/液比(蒸汽质量)也为已知。这样通过将如上所测得的蒸汽质量与一个设定或希望值比较，控制计算机可以在导线24上发出打开或关闭液流阀门23的不断反复的控制信号以增加或减少液流，从而在输出支路或管11中达到和保持一个需要的或设定的蒸汽值。例如，假定需要在输出管11中保持60％蒸汽质量。计算机21取得采样数据ΔPV、PV、ΔPL、PL，并测出在给定的时刻当前的蒸汽质量为55％。之后计算机21在导线24上向液流阀门23发出一个控制信号来增加其开度并使管道22一侧中更多的液流流到输出管11中，其中阀门23可以是一种电操作阀门或类似的装置。来自液流旁路管集液槽30的液体在管22与管线11的接头处同流经管线11的气体在其对称点重新会合在一起。这样就可以确保在接头10处的输出支路11中的既定蒸汽质量。
参考图3是一个局部剖分的侧视简图，示出一种根据本发明的概念的装置，可用作两相流体质量流的流速测量装置。在某些应用中，也许仅需要监视在一个两相流体输流管(例如图3的输出管41)中的实际质量流的流速，。主输流管38配有一个集液槽50，它有一个类似于图1和图2中的31的出口51。一根液流旁路管或管55将在集液槽50中收集的液体通过管55在接头处48送回到输出管41中。接头48恰好位于蒸气孔板42的下游，该蒸气孔板42与图1中的孔板12相类似。因为几何形状和重力的作用，在孔板42上游的输出支路43中，基本上只有气相流体流动。孔板42的上面跨接着取压分接管44和45。如果装置按设计工作(即在管43中仅有气相)，则通过测量在取压分接管45中的压力和孔板42两侧(即取压分接管44和45之间)的压差降，以及通过已知的输出管41的横截面积，就很容易确定并显示气相质量流的流速(并因而确定总体质量流的流速，因为管线55所选的直径适合于维持需要的恒定的气液比)，或者可以校准显示计量表46或47中的一个以反映测量结果。
熟悉本专业的人员可能对前面的描述对本发明进行更动和修改。后面所列的权利要求书的目的是为了覆盖所有精神实质在本发明范围内的修改内容。

Claims (9)

1.一种控制方法，用在一个适于两相流体流的管道(18)中，从一个接头控制在输出管(11)中的气液比，其特征在于：
基本上将上述两相流体流的气相和液相分开，并使气相从上述接头处流入蒸气管(13)中；
在上述蒸气管(13)中测量气相流的质量流的流速；
使两相流体中的液相流入一个液体流速可变的旁路管(25)中，并可以将上述液相和上述气相基本上在上述输出管(11)的垂直对称平面上重新汇合；并且
根据上述测量得到的上述气相的质量流的流速，调整在上述旁路管(25)中的上述液相的流动，从而在上述输出管(11)中产生一个可控的气液比。
2.如权利要求1中所述的方法，其特征在于测量上述气相的质量流的流速的步骤是测量蒸气管(13)中的穿越一个气流孔板(12)的压力降ΔPV以及测量上述孔板上游一侧的压力PV。
3.如权利要求1或权利要求2中所述的方法，其特征在于在上述旁路管中的液相的流动可以通过在上述旁路管中提供一个液流控制阀(23)进行调节，上述阀门可电控调节并根据来自一台控制计算机(21)的信号作出反应。
4.如权利要求1至3中的任何一项中所述的方法，其特征在于测量在上述旁路管(25)中的一个穿越液流孔板(26)两侧的压力降ΔPL，并测量上述液流孔板(26)上游一侧的压力PL。
5.如权利要求4中所述的方法，其特征在于根据对上述压力降ΔPL以及压力PL的测量，可以测定上述液相的质量流的流速，并且利用上述所测定的气相和液相的质量流的流速与所需的一个设定的蒸汽质量，可以产生一个控制信号来调整上述旁路管中的上述液相流动。
6.一种用来从一个两相流体流的管道(18)的一个接头处向上述输出管(11)提供一个可控气液比的装置，其特征在于包括：
一根蒸气管(13)从上述接头处分出并用于基本上仅为气相的流体流；
一个蒸气孔板(12)，位于上述蒸气管(13)中，以及第一和第二取压分接管(14、15)，安装在上述气孔板相对的两个侧面；
用来测量穿越上述蒸气孔板(12)的压力降ΔPV和上游一侧的压力PV的装置(16、17)；
一根液流旁路管(25)，其直径比上述管(18)的直径小，其输入(31)来自上游端部的一个集液槽(30)，并且其输出基本对称地位于上述气孔板(12)的下游的上述输出管(11)中；
一个液流孔板(26)，装在上述旁路管(25)中，以及第一和第二取压分接管(27、28)，装在上述液流孔板相对的两侧；
用来测量穿越上述液流孔板(20)的压力降ΔPL和上游一侧的压力PL的装置；
一个可调节的液流控制阀(23)，位于上述液流孔板(26)下游的上述液流旁路管(25)中；以及
装置(21)可以根据上述ΔPV、PV、ΔPL和PL的测量，调节上述液流控制阀(23)，并在上述输出管(11)中产生所需的气液比。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于用于调节上述液流控制阀(23)的上述装置(21)可以根据计算测量的气液比并将其与所需的既定气液比比较后进行操作以产生一个控制信号，从而开启或关闭上述液流控制阀(23)。
8.一种用来从一个两相流体流的管道(18、38)接头处测量在输出管(11、41)中的两相流体的质量流量的流速的装置，其特征在于包括：
一根蒸气管(13、43)，从上述接头处分出并用于基本上仅为气相的流体流；
一个蒸气孔板(12、42)，位于上述蒸气管(13、43)中，并且第一和第二取压分接管(14、15)安装在上述蒸气孔板相对的两侧面；
用来测量穿越上述蒸气孔板(12)两侧的压力降ΔPV和上游一侧的压力PV的装置(16、17、46和47)；
一根液流旁路管(25、55)，其尺寸根据在穿越液流旁路管两侧的一个特定的压力降的情况下可产生一个预先既定的液流质量流的流速而确定，并从上述管(18、38)连接到上述蒸气孔板(12、42)下游的上述输出管(11、41)的一个位置(48)；以及
装置(21)，可以结合上述压力的测量，给出在上述输出管(11、41)中的上述蒸气孔板(12、42)下游的气体和液体的总质量流的流速。
9.如权利要求8中所述的装置，其特征在于用于测量压力和压力降的上述装置(16、17、46和47)中包含压电传感器。
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