对冷凝式蒸汽干度仪和检测台的研究报告陈群飞 刘一雄 马宜春 马朝华 吉卫 （西北工业大学动力与能源学院，陕西 西安 710072）摘要： 根据湿蒸汽在冷却水中进行热量交换后会变为冷凝水这一基本现象和能量守恒原理。我们研究并设计冷凝式蒸汽干度仪及其检测台，并详细阐述了干度仪及检测台的工作原理。通过理论计算得出了干度仪的各种工作性能指标。之后对这些性能指标进行了精度的分析。最后对这种冷凝式蒸汽干度仪和检测台的工程造价进行了预算，与国内外同类产品比较后可证明其可行性是极高的。关键字：冷凝式，干度，能量守恒，湿蒸汽，热量表。引 言 湿蒸汽指饱和液体和饱和蒸汽的混合物，干度的定义为单位质量的混合蒸汽中干饱和蒸汽的比例。给井注入高温高压蒸汽，是稠油的主要开采方法。湿蒸汽干度也是稠油开采中的一项重要指标，为确保稠油开采的效果以及注气锅炉的安全运行，实时、准确的测量锅炉出口湿蒸汽的干度成为当今两相流学界研究的热点课题之一。在化工，工业等很多领域都需要对蒸汽干度的检测和控制，但国内外没有实际的干度仪投入市场。故对湿蒸汽干度的研究有重大意义，本文将对此进行研究和解决。一设计背景：1.目前国内外研究状况: 国内外专家学者的研究包括一些物理方面的方法,其中有: .在两相流中， 由于水汽两相流在光学界面上折射率不同而进行折射率调制的光纤传感方法。.由于蒸汽和液态水的物性不同而采用蒸汽和液态水分离,测量出两者质量从而进行计算的方法。流动噪音测量法, 根据液态水与水蒸汽流动时产生的噪音不同，利用测量仪器测量计算得出。电导式饱和蒸汽干度在线测量装置，属于多相流测量技术领域，其特征在于，它含有：具有双电极接口和计算功能的在线电导率测量仪，一对相同特性的电导率测量电极。利用水蒸气和液态水导电性能不同而进行测量,再进行数据采集而计算出的干度. 湿蒸汽的热流量测量法，该方法是以蒸汽质量流量测量为基础的，质量流量乘以蒸汽热焓而得到的。蒸汽质量流量的测量是通过测量节流元件不同部位引出的压差或通过测量蒸汽的流速，以及间接求得蒸汽密度来实现的。这些方法在工程应用中目前还存在着较大的局限与不足，而且一般来说，按这类方法制造的仪器，造价高、受使用场合限制多、测量精度和使用寿命都不是十分理想。联合式湿蒸汽流量、干度测量装置 由经过标定的标准孔板、经典文丘里管作为一次测量元件，高精度压力传感器、智能型差压变送器转换并传输标准信号，进入高速数据采集，最后在中央处理器中根据压力信号调用汽、水性质的IAPWS-IF97计算公式模块计算出饱和水、饱和蒸汽的密度及比焓、汽化潜热，从而算出湿蒸汽的干度。 二调研及可行性分析：1.市场需求分析：蒸汽干度是一个表征注汽锅炉安全运行的重要参数，同时也是注汽锅炉控制系统的技术瓶颈。目前的注汽锅炉自动化改造主要就集中在对蒸汽干度控制方法的尝试和探索上。同时，湿蒸汽两相流体通过节流元件的压差决定于流量，蒸汽干度及压力。该仪表除适用于稠油开采工艺外，亦可广泛用于化工，动力，冶金等其它工业领域。也可以用于直流锅炉产汽参数的计量。其适用于工作压力为常压21MPa，工作介质为汽水两相流，干度范围为0100%，管道尺寸为工业常用高、中、低压蒸汽管道的场合，其测量精度高，采用单片计算机，实现智能化。具有在线测量的特点。并具有数字显示及定时打印锅炉产汽干度流量及压力等参数的功能。结构简单，操作方便，与同等产品相比成本低。市场情景广阔。我国既有城市采暖住宅和公共采暖建筑为70亿平方米，每年新建城市采暖住宅和公共采暖建筑为6亿平方米。如果运用干度仪对供暖蒸汽进行实时测量，从而监测蒸汽的品质达到更大效率的利用能量资源。我国以后会加大集中供热的力度，采用这种干度仪有对国家整体能源的最优化利用，对节能事业、社会的发展进步起到促进作用。本课题针对国家基础工业生产过程中的一些简单的且一直以来没有得到很好的解决的测量问题，成为我国在国际上相对先进的知识产权，突破了在热工测量中的有一个瓶颈，从而为工业发展打好了又一个基础。2.技术可行性分析： 本课题运用了热力学第一定律-能量守恒原理，通过热量交换计算出湿蒸汽的干度，计算简单。1） 采用热管换热器交换热量：热管换热器属于冷、热流量互不接触的表面式换热器。一般情况下，热管换热器以有一个矩形的外壳，在矩形外壳中布满了带肋片的热管。热管的布置可以是错列三角形排列，也可以是直列正方形排列。在矩形壳体的内部的中央有一块隔板把壳体分成两个部分，一部分与热流体通道相连，为热管的蒸发段；另一部分与冷流体相连，为热管的冷凝段。冷、热流体均在热管外部横向流过，通过热管轴向传输热量，将热量从热流体传给冷流体。2） 采用单片机处理数据：单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。单片机可以利用内部设定的程序处理传感器采集的压力、温度，实现了干度计算的自动化。用户可直接从显示屏中读取干度数值。3） 水和水蒸气状态参数计算程序编制：IAPWS-IF97作为一项国际标准具有计算速度快，精度高等优点。软件的基本功能是计算水和水蒸气的压力、温度、比容、比熵、比焓、干度并判断水和水蒸气的性质和状态。此外，该软件还兼顾了边界区域的连续性，迭代间隔和精确度的一致性，如何平衡计算速度与精度的矛盾和提高程序可移植性等关键问题。IAPWS-IF97公式将有效范围分成了5个分区。在1区、2区和5区内使用吉布斯自由能函数g(p,T)，在3区内使用赫尔姆霍茨自由能f(r,T)，在4区内使用饱和压力公式。2区3区的边界线由公式给出。IAPWS -IF97公式的分区及公式水和水蒸气的性质参数不是互相独立的。如果取压力p和温度T 为自变量，那么比容v、比焓h和比熵s可以利用下面的正则函数的偏微分得到：g=g( p,T)式中g吉布斯自由能函数；如果取密度r 和温度T 为自变量，那么压力p、比焓h和比熵s可以利用下面的正则函数的偏微分得到: f =f(r,T)式中f 赫尔姆霍茨自由能。除基本公式，1区、2区和4区还给出了导出方程，即用于1区和2区的方程T(p,h)、T(p,s)以及用于4区的方程( ) s T p 。应用导出方程可减少迭代求解的复杂性。如：求T(p,h)和h(p,s)就可以使用导出方程而不需要迭代求解。对h(p,s)等应用，可通过关联式h(p,T( p,s)求得。4） 水的热力学性质：饱和湿蒸汽由饱和液体和饱和蒸汽组成，当温度降低时，由于饱和蒸汽的分子间大，因此比体积较大，导致冷凝过程中饱和蒸汽的比体积一直在减小直至气体全部液化为液体，这时冷凝水已不含有蒸汽。 水蒸气h-s表：三设计原理1.冷凝式蒸汽干度仪的测量原理：一定压力的湿蒸汽经过管道进入换热器。该湿蒸汽的质量流量为G.，由压力表测量出湿蒸汽的压力值P。同时冷却装置中会有冷却水进入换热器。两者在换热器中发生热量交换。进行完热交换后，冷却水温度升高，从换热器另一端流出。在冷却水的冷却过程中会有热量表测量在热交换过程中冷却水获得的热量QL。同时湿蒸汽温度降低，完全变为不饱和水。也从管道流出，在管道中会有温度计来测量这部分冷凝水的温度T.由能量守恒原理可知：冷却装置中冷却水的吸热量QL应该等于湿蒸汽的放热量QH。，在这整个过程中，通过干度仪中内置的单片机系统采集数据，并通过计算系统将数据整合并计算结果，在显示屏上显示干度。 式中G为湿蒸汽与冷凝水的质量流量。QH为湿蒸汽在换热过程中的放热量，为在给定压力下湿蒸汽的焓值，与为此状态下湿蒸汽中饱和蒸汽焓与饱和水焓。为在温度T下冷凝水中的不饱和水焓。2、干度仪性能的计算：本干度仪中的仪表精度问题，导致最后干度测量结果存在误差。误差主要来源于：铂电阻温差计，测量时带来误差为 0.；耐温压力表，精度为1.6，带来误差为1.6经过分析可知综合考虑测量换热量，冷凝水流量和凝结水温度时所带来的干度测量误差小于3.冷凝式蒸汽干度仪检测台原理：为了检测和分析冷凝式蒸汽干度测量装置的精度，需要有一个对比的标准。为此我们采用：1）和压力表放置在一起的温度计可检测并得出冷凝水管的温度计精度。2）湿蒸汽流量计作为标准来检测并得出冷凝水流量计的精度。3）蓄水箱所连接的水泵线路上的调节阀可调控进入管道的液态水量，从而得出多组数据来检测、得出冷凝水流量计的精度。4）用于进行热交换的冷却水流出后具有一定的温度，我们将其再利用使之流入蓄水箱中，提高蓄水箱里面水的温度。节约电热蒸汽炉的耗能。其测量原理是：在一个隔热性能良好的蓄水箱中存储足够的冷水，然后经由调节阀1电热蒸汽炉供水，形成干度为100%的蒸汽。调节阀2和水泵及调节阀3控制通过的冷水模拟形成工作环境下的蒸汽干度X。换热器提供更加安全的工作环境蒸汽干度调节。湿蒸汽以此通过湿蒸汽流量表和待测冷凝式蒸汽干度测量仪。分别得出湿蒸汽干度X1和X2，通过多次模拟不同环境蒸汽干度，对比得出待测装置的精度并标定该装置。4.干度仪检测台组成a.热量表采用热量表（大口径）（北京添瑞祥仪器仪表有限公司）价格大约800元。b.流量计为 SST的机械流量计。价格大约600元。c.温差计为铂电阻温差计，经过核补偿后其最大测量误差分别为 0.；价格大约400元。d.测量凝结水温T的温度计是晶体管温度计，最大测量误差为，在的凝结水温范围内其折算的最大测量误差为。价格大约50元。e.压力表采用耐温压力表，精度为1.6 价格大约600元。f.电热蒸汽炉MINI LDR小型电热蒸汽锅炉 （蒸汽发生器）锅炉水容量及小，无需当地监督部门办理安装使用手续，可直接投入使用；锅炉水容量小，工作压力高，蒸汽温度高，有效地解决了许多用户对于小蒸发量高压力蒸汽的需求。电热元件采用经技监部门检测合格的产品，确保产品的安全及使用寿命；电器元件采用经CCC及CE认证的产品，保证产品质量及顾客利益。锅炉结构紧凑体积小，机内设自动补水泵，并设全自动水位控制、压力控制，可连续不间断工作。蒸汽输出阀门既可直接与硬管相连又可以与耐高温蒸汽胶管连接，灵活机动，有效地节约了使用空间。整机占地面积小，移动、安装、使用都十分方便。价格大约2000元。g.微型水泵-小流量 中压力 ASP系列h. 换热器性能与特点 内置多组浮动盘管，独一无二的宝塔型结构 动态传热，换热效率极高 具有防垢、除垢双重功能 绝无死水区，水质洁净 无论使用频繁与否，均保量恒温供水 安装方便，多台组合时为模块式拼装，不占空间i.调节阀ZDLP电子式电动单座调节阀具有动作灵敏、连线简单、流量大、体积小、调节精度高等特点。单座阀适用于对泄露量求严格、阀前后压差低及有一定粘度的场合