雙V錐組合測(cè)量飽和濕蒸汽的干度及流量研究

張 純 靜

（中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院， 重慶 400016）

V錐流量計(jì)出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代中期，它是根據(jù)差壓原理來(lái)測(cè)量流體流量的一種節(jié)流元件[1]，以前的節(jié)流裝置都是將通過(guò)流體收縮到管道的中心線附近，而該流量計(jì)利用安裝在管道中的V錐體將流體逐漸地收縮到管道側(cè)壁處。由于流體被節(jié)流，所以在V錐體前后流體出現(xiàn)差壓，再根據(jù)差壓理論就可計(jì)算流體流量。

1 雙V錐測(cè)量飽和濕蒸汽干度的算法的提出

圖1 井口雙V錐節(jié)流元件示意圖Fig.1 Schematic diagram of wellhead double V-cone throttling components

如圖1所示，在注汽管線上的安裝規(guī)格和結(jié)構(gòu)不同的兩個(gè)V錐元件，由于兩個(gè)測(cè)量單元安裝在同一個(gè)管線中，并且距離非常的近，所以，流經(jīng)前后兩個(gè)測(cè)量單元的蒸汽質(zhì)量流量相同、蒸汽體積流量和蒸汽干度也可視為相等。由此，通過(guò)雙V錐蒸汽體積流量公式聯(lián)立方程即可得到蒸汽干度值，再利用蒸汽干度和體積流量計(jì)算出蒸汽質(zhì)量流量[2]。

蒸汽流過(guò)單V錐體積流量公式為：

式中：x—蒸汽干度。

由（1）可知，V錐蒸汽體積流量基礎(chǔ)計(jì)算模型中蒸汽體積流量與 有關(guān)，于是將（1）變換成如下：

由式（2）和式（3）整理，最終單V錐蒸汽體積流量公式：

從（5）中可見(jiàn)DP，Ps是測(cè)量出來(lái)，只要qv和Ci已知即可得干度x值（采用雙V錐再去掉一個(gè)未知量qv）。

2 雙V錐測(cè)量濕蒸汽的算法模型

建立雙V錐測(cè)量蒸汽干度計(jì)算模型。由于兩個(gè)V錐安裝距離近，可認(rèn)為蒸汽體積流量和干度值相等，所以可推導(dǎo)：

前V錐的體積流量可如下計(jì)算得：

后V錐的體積流量可如下計(jì)算得：

由式（6）和式（7）整理可得雙V錐測(cè)量蒸汽干度計(jì)算模型為：

式（8）中的DP，Ps測(cè)量出來(lái)，如果知道，即可得到蒸汽干度值。蒸汽干度已知，將其代入體積方程（2）即可得到蒸汽體積流量 qv，蒸汽密度 r=f(x, Ps)，所以可計(jì)算得到質(zhì)量流量qm= qv×r，、可通過(guò)不同排量，不同蒸汽干度試驗(yàn)獲取。

3 算法模型中影響因子的獲取

將雙 V錐安裝在鍋爐出口管線附近如圖 2所示。由于鍋爐出口安裝蒸汽干度監(jiān)測(cè)裝置，所以鍋爐出口的蒸汽干度x和蒸汽體積流量qv可知。雙V錐與鍋爐出口間管道內(nèi)的熱損失和壓力降很小可以忽略。所以雙V錐處的蒸汽干度和蒸汽體積流量可認(rèn)為與鍋爐出口的相等。

圖2 鍋爐出口雙V錐節(jié)流元件示意圖Fig.2 Schematic diagram of the boiler export double V cone throttling components

由式（8）可知蒸汽干度計(jì)算公式為：

V錐1常系數(shù)線性方程組為：

V錐2常系數(shù)線性方程組為：

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 單個(gè)V錐蒸汽干度檢測(cè)對(duì)比

數(shù)據(jù)分析中首先對(duì)單V錐蒸汽干度值檢測(cè)的準(zhǔn)確性進(jìn)行比對(duì)。三批數(shù)據(jù)共140個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的前V錐、后V錐檢測(cè)蒸汽干度值和手工化驗(yàn)干度值作如圖3所示。

圖3 φ89×13規(guī)格單V錐干度對(duì)比圖Fig.3 Contrast figure ofφ89×13 specification single V cone dryness

圖3中橫坐標(biāo)為φ89×13規(guī)格雙V錐組合體試驗(yàn)總數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，均勻分布，縱坐標(biāo)為蒸汽干度值，藍(lán)色為手工化驗(yàn)干度值曲線，粉紅色為前V錐監(jiān)測(cè)干度值曲線，綠色為后V錐監(jiān)測(cè)干度值曲線。從三個(gè)干度值曲線中可以看出，兩個(gè)單V錐干度值檢測(cè)綜合相對(duì)誤差在2%以內(nèi)。

4.2 算法影響因子的求解與修正

為了尋找影響因子的規(guī)律，將φ89×13規(guī)格雙V錐組合體試驗(yàn)得到的三批數(shù)據(jù)中，每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的所對(duì)應(yīng)的蒸汽干度、蒸汽壓力、給水流量、前V錐差壓值和后V錐差壓值代入(12)，列出線性方程組求解影響因子，并將所求出的影響因子作了規(guī)律曲線。

圖4 φ89×13規(guī)格雙V錐組合體影響因子曲線Fig.4 Impact factor curves of double V cone combination of φ89×13 Specifications

如圖4所示，橫坐標(biāo)為蒸汽的蒸干度值，縱坐標(biāo)為影響因子。試驗(yàn)在工況狀態(tài)下，改變排量分別為 18、17、16和15 t/h，并且干度從0.85至0.55中的所測(cè)點(diǎn)，干度以手工化驗(yàn)為準(zhǔn)。將不同排量、不同干度下所求解的前V錐影響因子C1和C2，后V錐影響因子C1和C2的規(guī)律曲線作出。

并回歸得到前V錐影響因子C2多項(xiàng)式方程：

回歸得到后V錐影響因子C2多項(xiàng)式方程：

4.3 算法影響因子規(guī)律的應(yīng)用

從上述的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中獲得了前 V錐影響因子C1、C2和后V錐的影響因子C1、C2規(guī)律曲線方程后，將其代入雙V錐的組合公式中，求解第三批數(shù)據(jù)測(cè)量的蒸汽干度值，并與實(shí)際測(cè)量值比較，以此比對(duì)測(cè)量算法的精確度。比較結(jié)果如下圖5所示。從圖5中可見(jiàn)測(cè)量誤差在8%～10%左右。由于誤差較大需要對(duì)數(shù)據(jù)重新分析。

圖5 φ89×13規(guī)格影響因子應(yīng)用后所測(cè)干度曲線Fig.5 Test dryness curves ofφ89×13 specifications applied after the impact factor

4.4 提高測(cè)量精度的相關(guān)數(shù)據(jù)分析

為了提高蒸汽干度的測(cè)量精度，減少算法誤差，重新對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了影響因子與汽液密度比，干度與差壓值，干度與雙V錐差壓的比值、干度與雙V錐的差壓的差值進(jìn)行了分析。

4.4.1 影響因子與汽液密度比的關(guān)系

汽液密度比與影響因子的關(guān)系，體現(xiàn)了系統(tǒng)算法中蒸汽壓力和蒸汽干度對(duì)影響因子的相互關(guān)聯(lián)影響（圖6）。

圖6 φ89×13影響因子與汽液密度比關(guān)系曲線Fig.6 Ratio relation curves of impact factor and steam liquid density ofφ89×13

將雙V錐組合體φ89×13規(guī)格的雙V錐檢測(cè)段，相關(guān)三批試驗(yàn)數(shù)據(jù)作成如圖6所示的曲線，橫坐標(biāo)為蒸汽的汽液密度比，縱坐標(biāo)為影響因子。試驗(yàn)在工況狀態(tài)下，改變排量分別為18 t/h至15 t/h，并且干度從0.85至0.55中的所測(cè)點(diǎn)，干度以手工化驗(yàn)為準(zhǔn)，回歸影響因子曲線。汽液密度比值實(shí)質(zhì)上體現(xiàn)了飽和壓力的變化，當(dāng)壓力變大時(shí)，汽液密度比值會(huì)越大，相反壓為變小時(shí)汽液密度比值會(huì)越小，所以，汽液密度比值對(duì)干度的影響應(yīng)是蒸汽壓力對(duì)干度影響的體現(xiàn)。

4.4.2 單位排量下前后V錐壓差差值與蒸汽干度的關(guān)系

圖7 單位排量下前后V錐壓差與干度關(guān)系Fig.7 Relation of volume double V cone pressure difference and the dryness per unit output

將φ89×13規(guī)格雙 V錐組合體試驗(yàn)得到的三批數(shù)據(jù)中，從排量為18 t/h至15 t/h的排量，干度從0.85至0.55所測(cè)得的數(shù)據(jù)中，分析在單位排量下前后V錐差壓的差值與蒸汽干度關(guān)系，并用線性回歸出規(guī)律方程，如圖7所示。該曲線不僅能體現(xiàn)排量對(duì)干度的影響規(guī)律，也能體現(xiàn)雙V錐差壓值對(duì)干度影響規(guī)律。

4.4.3 雙V錐壓差與蒸汽干度的關(guān)系

φ89×13規(guī)格雙V錐組合體試驗(yàn)得到的三批數(shù)據(jù)中，雙V錐壓差與蒸汽干度的關(guān)系如圖8所示。

從φ89×13雙V錐組合體的前后壓差與蒸汽干度關(guān)系曲線中可知，相同排量下干度越高壓差越大；相同干度下排量越高壓差越大。

圖8 不同排量下前后V錐壓差與干度關(guān)系Fig.8 Relation of double V cone pressure difference and the dryness of different output

4.4.4 雙V錐壓差比值與蒸汽干度的關(guān)系

φ89×13規(guī)格雙V錐組合體試驗(yàn)得到的三批數(shù)據(jù)中，前V錐壓差和后V錐壓差比值與蒸汽干度的關(guān)系如圖9所示。

圖9 不同排量下壓差比值與干度關(guān)系Fig.9 Relation of volume pressure differential ratio and the dryness relation of different output

從φ89×13雙V錐組合體的前后壓差比值與蒸汽干度關(guān)系曲線中看出，雙V錐組合體的前后壓差比值近乎常數(shù)，其值大小受蒸汽干度和蒸汽流量影響不大，而與組合體的雙V錐結(jié)構(gòu)有關(guān)。

5 結(jié) 論

通過(guò)“雙V錐”現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究以及對(duì)數(shù)據(jù)的分析，可以得到以下的試驗(yàn)結(jié)論：

（1）雙 V錐井口濕蒸汽干度在線測(cè)量相對(duì)誤差≤4%；

（2）雙 V錐井口濕蒸汽質(zhì)量流量在線測(cè)量相對(duì)誤差≤3%；

（3）在體積變化式蒸汽干度檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)改進(jìn)干度和流量的計(jì)算模型，比如將其他的數(shù)學(xué)計(jì)算方法應(yīng)用到該模型，或許計(jì)算精度會(huì)更高；

（4）實(shí)現(xiàn)在線計(jì)量、測(cè)量精度高、使用靈活可靠。

［1］孫淮清,王建中.流量測(cè)量節(jié)流裝置手冊(cè)(第二版)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2005:1-213.

［2］Stewart D.G.，Hodges D.Wet gas metering with V-Cone meters[R].North sea flow measurement workshop 22nd-25th，2002.