CN1388370A

CN1388370A - 一种蒸汽干度自动测量和控制方法及其装置

Info

Publication number: CN1388370A
Application number: CN 01118995
Authority: CN
Inventors: 刘勇
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-05-24
Filing date: 2001-05-24
Publication date: 2003-01-01

Abstract

一种蒸汽干度自动测量和控制方法及装置,通过测量饱和蒸汽的温度,查得该温度下的饱和水的比焓h′和汽化潜热r;将饱和蒸汽引入热交换器中,蒸汽走管程,冷却水走壳程,测量出冷却水进换热器前的流量和温度及出换热器后的温度;蒸汽出换热器后的温度和流量;用公式h_x=(L₁C(T₂－T₁)+L₂CT₃)/L₂,x=(h_x－h′)/r计算出x,然后与给定值比较,输入PID调节器进行控制,从而将x控制在设定值上。本发明具有简便快速控制准确的优点。

Description

一种蒸汽干度自动测量和控制方法及其装置

本发明涉及一种蒸汽干度自动测量和控制方法及其装置。

蒸汽是一种十分常用的热源，在工业中应用十分广泛，如用于地下采油、加热物质等。湿饱和蒸汽的质量主要由蒸汽压力和干度表示和控制，而干度又容易受外部条件变化而波动，因此及时测量蒸汽干度和及时控制其波动十分重量。目前对干度在线测量和自动控制进行了大量的研究，以便准确测量和控制。

早在八十年代初，就出现了用孔板差压***测量蒸汽干度，其通过孔板差压先测量湿饱和蒸汽流量，然后测出湿饱和蒸汽的比容，由于蒸汽比容和干度成一一对应的函数关系，因此通过比容值可得到干度值。但由于湿饱和蒸汽是由汽液二相流体组成，而孔板--压差方法属节流测量法，只能用于单相流体的测量上，因此测量方法上就存在误差，不能保证测量结果的准确性。在实践中也证明该方法不能成功，最后只好放弃。

还有采用热平衡法测量干度，如中国专利申请96109966公开的一种主要用于石油稠油注汽开采的锅炉蒸汽干度测试方法，其采用：a，由测温元件测出未饱和水进入辐射段前的温度，并计算出该温度下的未饱和水热焓值(Ho)；b，由测温元件测出未饱和水进入辐射段后，仍处于未饱和状态的第N根炉管内的未饱和水温度，并计算出此点的未饱和水的热焓值(H1)；c，根据上述两步得到的数据由公式Hx＝M/N(H1-Ho)+Ho计算出锅炉出口处的热焓值(公式中Hx为锅炉出口湿饱和蒸汽焓值，M为辐射段内炉管总数，N为两温度测点之间的炉管数)；d，对第三步得到的热焓值通过锅炉压力补偿后得到该压力下的蒸汽干度，其计算公式为：X＝(Hx-H′)/R(式中X为蒸汽干度，H为一定压力下饱和水焓，R为一定压力下汽化潜热)。由于该方法认为锅炉内每根炉管吸热相等，而实际上锅炉内每根炉管因水吸热汽化，干度呈递增，由于蒸汽和水的吸热能力相差很大，所以每根炉管内的介质吸热呈递减，因此该方法在理论上存在错误，加之由于锅炉内炉管的积灰、偏火，及测量第N根炉管内介质温度时测温元件受炉膛高温影响，易造成测量结果不准。目前，该方法已经不再使用。

还有通过饱和蒸汽的电导率来测量计算蒸汽干度，如中国专利申请00102548公开的一种锅炉蒸汽干度自动测试和控制方法，利用锅炉出口湿饱和蒸汽内饱和电解质浓度与蒸汽干度成线性关系，包括以下步骤：

①通过两个电导率测试探头分别实时测量出锅炉给水的电导率a和锅炉蒸汽出口处未汽化的炉水的电导率b；

②将上述两步所测得的电导率a和b通过A/D转换后，输入中央处理器中，用计算公式：X＝(b-a)/b*100％计算出锅炉蒸汽出口处的蒸汽干度值X；

③计算出所得到的锅炉蒸汽出口处的蒸汽干度值X与给定值之间的偏差值，以及最近的两次监测到的锅炉蒸汽出口处的蒸汽干度值X的变化率，将它们与数据库中的数据进行对比，并进行智能推理，然后做出最佳反应策略；如果锅炉蒸汽出口处的蒸汽干度值X大于90％，则直接报警停炉，并显示故障代码；

④输出新的控制信号，调整锅炉给水泵的输水量，从而将锅炉蒸汽出口处蒸汽的干度值X控制在设定值上；

⑤进行下一次循环。

该方法在理论上可得到准确的干度值，但由于测量锅炉蒸汽出口处未汽化的炉水的电导率时，需引出蒸汽中的未饱和水，要一定的时间，特别是蒸汽干度变化时，引出的未饱和水不能及时与变化了的蒸汽达到平衡，此时测出的电导率不能正确反映蒸汽的性质，即此时的电导率反映的是一定时间以前的蒸汽干度值，测量结果与实际值有时间上的误差。一般这种时差在30分钟以上。导致测量结果不准，无法在线控制。

综上所述，目前还没有找到一种既方便快捷又准确及时的自动测量和控制蒸汽干度的方法和控制装置。

本发明的目的是提供一种蒸汽干度自动测量和控制方法及其装置，能够简便快速准确测量和控制蒸汽的干度，使锅炉能够平稳安全运行。

本发明的目的是这样实现的：

对于湿饱和蒸汽，恒有等式：h_x＝h′+x·r，见新疆大学出版社出版的武占主编的《油田注汽锅炉》第8页。

式中：h_x--为该饱和湿蒸汽的比焓，KJ/kg；

h′--饱和温度或压力下的饱和水的比焓，KJ/kg；

r--饱和温度或压力下的汽化潜热，KJ/kg；

x--湿饱和蒸汽干度，％。

因此蒸汽干度x＝(h_x-h′)/r*100％

h′，r与湿饱和蒸汽温度、压力有关，其值可根据温度或压力从水和水蒸汽热力学性质图表中查到。如高等教育出版社出版的由南京工学院庞麓鸣陈军健编辑的《水和水蒸汽热力学性质图和简表》。由此可见，只要求得饱和湿蒸汽的比焓h_x就可计算出饱和蒸汽的干度。

本发明采用湿饱和蒸汽与水换热后，根据热平衡求得h_x。

对于热交换器，如图1所示，换热前后热量相等，得

h_x＝(H₁+H₂)/L₂

式中：H₁--热交换器中冷却水的吸热量，KJ/kg；

H₂--取样蒸汽冷却后的热焓，KJ/kg；

L₂--取样蒸汽的质量流量，KJ/kg；

而热交换器中冷却水的吸热量H₁＝L₁C(T₂-T₁)

式中：

L₁----冷却水的流量，kg/s；

T₂----冷却水的出口温度，℃；

T₁----冷却水的进口温度，℃；

C----未饱和水的比热，KJ/(kg·℃)；

由于工程上规定0℃的饱和水比焓为0，因此取样蒸汽冷却后的热焓为

H₂＝L₂CT₃

式中：T₃----取样蒸汽冷却后的温度，℃；

L₂--取样蒸汽的质量流量，kg/s；

C--未饱和水的比热，KJ/(kg·℃)。

因此h_x＝(H₁+H₂)/L₂＝(L₁C(T₂-T₁)+L₂CT₃)/L₂

由此可见，根据上述原理，就可在线测量蒸汽干度值，从而得出本发明一种锅炉蒸汽干度自动测量和控制方法，其包括测量参数、参数采集、输入PLC、计算锅炉蒸汽的出口处的蒸汽干度值X，然后比较计算蒸汽干度值X值与给定值之间的偏差值，输入PID调节器进行控制，从而将蒸汽的干度值X控制在设定值上；如果锅炉蒸汽出口处的蒸汽干度值X大于90％，则直接报警停炉，其测量计算干度的方法包括以下步骤：

①测量饱和蒸汽的温度，由热力学表查得该温度下的饱和水的比焓h′和汽化潜热r及未饱和水的比热C；

②将饱和蒸汽引入热交换器中，蒸汽走管程，冷却水走壳程，测量出冷却水进换热器前的流量L₁和温度T₁及出换热器后的温度T₂；蒸汽出换热器后的温度T₃和流量L₂；

③用公式：h_x＝(L₁C(T₂-T₁)+L₂CT₃)/L₂，x＝(h_x-h′)/r计算出锅炉蒸汽出口处的蒸汽干度值X；

一种采用上述方法的蒸汽干度自动测量及其控制的装置，其有测量蒸汽温度的测温元件，热交换器壳程的进口和出口、管程的出口均连接测温元件，热交换器壳程的进口和管程的出口连接流量仪，热交换器壳程的进口和管程的出口连接控制阀，所有测温元件和流量仪均连到数据采集功能模块上，数据采集功能模块的输出端一端与PLC可编程控制器相连，这样就可计算得到蒸汽的干度，并输回到数据采集功能模块，再输到PID，并与设定值比较，从而调节锅炉运行参数，从而使蒸汽保持恒定的干度值；如果锅炉蒸汽出口处的蒸汽干度值X大于90％，则直接报警停炉。

本发明由于引出的蒸汽热交换迅速，测量准确，因此具有简便快速控制准确的优点。

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，

图1为本发明测量干度的原理图；

图2为本发明蒸汽干度测量控制方框图。

如图1、2所示，测量干度时，打开冷却水控制开关5和蒸汽开关4，蒸汽管线3中的蒸汽流到热交换器1中与水进行热交换，蒸汽换热后冷却成水从热交换器1的管程中流出，流量L₂和温度T₃可由出口处的测温元件7和流量计8测得，冷却水从热交换器的壳程中流出，其流入时的温度T₁、流量L₁及流出时的温度T₂分别由进口处的测温元件9和流量计10及出口处的测温元件11测得，这些数据经数据采集功能模块13采集后转换成数字信号，经连接线12输入到PLC(可编程控制器)14经公式编程计算得到蒸汽干度值4，再通过连接12返回到数据采集功能模块，输出18到PID15与设定值19比较后调节锅炉16，使干度保持在设定值上并显示在PID上。当PLC计算得到的干度值超过标准时，PLC输出干度超标报警信号17。

为保证干度的测量精度，冷却水与蒸汽交换时，冷却水的出口温度T₃不超过70℃，蒸汽经过热交换器后出来的水温T₃最好小于60℃，避免出现蒸汽。

Claims

1.一种蒸汽干度自动测量和控制方法，包括测量参数、参数采集、输入PLC、计算锅炉蒸汽的出口处的蒸汽干度值X，然后比较计算蒸汽干度值X值与给定值之间的偏差值，输入PID调节器进行控制，从而将蒸汽的干度值X控制在设定值上；如果锅炉蒸汽出口处的蒸汽干度值X大于90％，则直接报警停炉，其特征在于由以下步骤测量计算干度值：

③用公式：h_x＝(L₁C(T₂-T₁)+L₂CT₃)/L₂，x＝(h_x-h′)/r计算出锅炉蒸汽出口处的蒸汽干度值X。

2.根据权利要求1所述的蒸汽干度自动测量和控制方法，其特征在于所述的冷却水的出口温度T₂不超过70℃。

3.根据权利要求1所述的蒸汽干度自动测量和控制方法，其特征在于蒸汽经过热交换器后出来的水温T₃小于60℃。

4.根据权利要求1所述的蒸汽干度自动测量和控制方法，其特征在于测量参数的数据采集由数据采集功能模块完成。

5.一种用于权利要求1所述的方法的蒸汽干度自动测量和控制装置，由干度参数测量仪各参数输入PLC可编程控制器，计算得到蒸汽的干度，并输回到PID与设定值进行比较然后调整控制锅炉，从而将蒸汽的干度值X控制在设定值上；其特征在于干度参数测量仪有测量蒸汽温度的测温元件，热交换器壳程的进口和出口、管程的出口均连接测温元件，热交换器壳程的进口和管程的出口连接流量仪，热交换器壳程的进口和管程的出口连接控制阀，所有测温元件和流量仪均连到PLC可编程控制器。

6.根据权利要求5所述的蒸汽干度自动测量和控制装置，其特征在于所有测温元件和流量仪均先连到数据采集功能模块上再连接PLC可编程控制器。