蒸汽干度測量方法研究

王緯國 吳浩達(dá) 葛岢岢

摘要：蒸汽作為一種常見的能量傳遞介質(zhì)，在石油、化工、制藥、紡織、煙草、民用供熱等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。準(zhǔn)確計(jì)量蒸汽干度能夠幫助企業(yè)及時(shí)掌握用能情況、合理配熱，提高生產(chǎn)效率，降低成本，強(qiáng)化管理水平。蒸汽干度研究一直是國內(nèi)外學(xué)術(shù)熱點(diǎn)，多年來設(shè)計(jì)出多種測量方法并進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證。目前主流的蒸汽干度測量方法分為熱力學(xué)、非熱力學(xué)和數(shù)學(xué)模型法三大種類，本文主要對蒸汽干度計(jì)量方法的原理和特點(diǎn)進(jìn)行分析研究。

關(guān)鍵詞：石油化工;蒸汽干度;熱力學(xué)法;非熱力學(xué)法

中圖分類號(hào)：TE355文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-9129（2018）06-0088-02

Research on Measuring Method of Steam Dryness

WANG Weiguo¹*， WU Haoda^2，3， GE Keke⁴

（1. China Petrochemical Co.， Ltd. Jinling Branch， Nanjing， 210000， China; 2. Anhui Zhongkong Instrument Co.， Ltd. Anhui Chizhou， 257000， China）（3.Beijing Gas Group Co.， Ltd. Fifth Branch， Beijing， 1000000， China; 4. Tianjin Oil Cube Technology Co.， Ltd.， Tianjin， 300450， China）

Abstract：As a common energy transfer medium， steam is widely used in petroleum， chemical industry， pharmaceutical industry， textile， tobacco and civil heating. Accurate measurement of steam dry degree can help enterprises to timely grasp the application of energy， reasonable heat distribution， improve production efficiency， reduce cost and strengthen management level. The research of steam dry degree has been a hot topic in China and abroad. At present， the main steam dry degree measurement methods are divided into three categories： thermodynamics， non-thermodynamics and mathematical model. In this paper， the principle and characteristics of the measurement method of steam dryness are analyzed.

Keywords：Petrochemical; Steam dryness; Thermodynamics; Non-thermodynamic

引用：王緯國， 吳浩達(dá)， 葛岢岢. 蒸汽干度測量方法研究[J]. 數(shù)碼設(shè)計(jì)， 2018， 7（6）： 88-89.

Cite：WU Haoda， WANG Weiguo， GE Keke.Research on Measuring Method of Steam Dryness [J]. Peak Data Science， 2018， 7（6）： 88-89.

引言

蒸汽分為飽和蒸汽和過熱蒸汽兩種。飽和蒸汽又包括干飽和蒸汽和濕飽和蒸汽。水通過加熱先變成濕飽和蒸汽，即濕蒸氣。繼續(xù)加熱轉(zhuǎn)變?yōu)楦娠柡驼羝娠柡驼羝且粋€(gè)臨界狀態(tài)，繼續(xù)吸熱變成過熱蒸汽。過熱蒸汽與飽和蒸汽的區(qū)別在于過熱蒸汽中不含液滴或液霧，屬于實(shí)際氣體。

蒸汽發(fā)生器把水加熱至過熱蒸汽會(huì)使得水中的鹽類物質(zhì)停留在蒸汽發(fā)生器中結(jié)垢，降低其使用壽命。因此，實(shí)際應(yīng)用中蒸汽大多為濕飽和蒸汽。濕飽和蒸汽本質(zhì)屬于氣液兩相流，只測量蒸汽的壓力和溫度不能確定蒸汽的實(shí)際狀態(tài)，因此需要引入蒸汽干度這一參數(shù)。蒸汽干度是指單位質(zhì)量濕蒸汽中氣相所占比例。對于飽和水，蒸汽干度值為0%，此時(shí)沒有氣相。對于干飽和蒸汽和過熱蒸汽，干度為100%，此時(shí)沒有水相。

近年來，國內(nèi)外很多專家學(xué)者對干度測試進(jìn)行了大量研究。本文對這些計(jì)量方法進(jìn)行了研究和分析。主要將蒸汽干度計(jì)量方法分為三類。第一類，熱力學(xué)法，包括節(jié)流法、稱重法、加熱法、凝結(jié)法。第二類，非熱力學(xué)方法，包括放射法、微波法、光學(xué)法、電導(dǎo)率法、電容法、示蹤劑法、超聲波法、光前光柵法、臨界速度法。第三類，數(shù)學(xué)模型法，包括軟測量法、體積變化式測量法。

1? 人工化驗(yàn)方法

鍋爐中的水加熱生成蒸汽，蒸汽中無任何雜質(zhì)，各種鹽類只存在于剩余水和還沒有汽化的飽和水中，人工化驗(yàn)法是通過對鍋爐的給水與剩余水進(jìn)行取樣，依據(jù)二者含鹽量的對比，得到蒸汽干度值。通常采用氯根法^[1]進(jìn)行測量，使用采集裝置采集供給水與剩余水試樣，向試樣中滴加硝酸銀溶液，水中鹽類物質(zhì)會(huì)與硝酸銀溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成氯化銀白色沉淀，繼續(xù)滴加硝酸銀溶液，試樣會(huì)變成磚紅色，此時(shí)停止滴加硝酸銀。通過確定滴入的硝酸銀量，可以計(jì)算出鍋爐給水與剩余水的氯化物含量，這二者的比值即為鍋爐所產(chǎn)蒸汽干度。

此方法簡單，精確度相對較高，但分析需要時(shí)間較長，不能實(shí)時(shí)在線，測量結(jié)果還會(huì)受操作精細(xì)程度、熟練程度的影響。

2? 熱力學(xué)法

熱力學(xué)法采用的是與熱力學(xué)有關(guān)的理論來測量蒸汽干度。依據(jù)熱力學(xué)原理測量蒸汽干度共同特點(diǎn)是都要對蒸汽進(jìn)行取樣，把取樣蒸汽引向測量段進(jìn)行測量，取樣蒸汽的測量結(jié)果即代表管線中蒸汽的干度。

2.1? 節(jié)流法

節(jié)流法是利用孔板等流量節(jié)流器來測量蒸汽干度。蒸汽流過節(jié)流件壓力降低，使得節(jié)流后的蒸汽在該溫度壓力下處于過熱狀態(tài)，采集蒸汽節(jié)流前后的溫度和壓力，建立熱力學(xué)守恒方程計(jì)算蒸汽干度。德國的Kahl核電站及Biblis核電站中用節(jié)該方法測量蒸汽濕度。國內(nèi)西安熱工研究院利用該原理研制了多級(jí)節(jié)流孔板的節(jié)流式量熱計(jì)^[2]。

節(jié)流法原理簡單，容易實(shí)現(xiàn)。但該方法前提是假設(shè)濕蒸汽是在絕熱條件下進(jìn)行節(jié)流，節(jié)流前后蒸汽焓值不變，但實(shí)際應(yīng)用中，熱量損失不可避免。

2.2? 稱重法

通過特定采集裝置采集一定體積V的蒸汽，將蒸汽冷凝成水，稱重其質(zhì)量為G，該質(zhì)量即為采樣蒸汽實(shí)際質(zhì)量。濕蒸汽比容v=V/G，通過測量蒸汽溫度與壓力，利用IAPWS-IF97公式或查表法計(jì)算該溫度、壓力下飽和水比容v₁和飽和蒸汽比容v₂。下列公式計(jì)算出蒸汽干度x：

（1）

2.3? 加熱法

加熱法測量蒸汽干度，是利用采樣裝置抽取部分待測蒸汽，在特定裝置下將采樣蒸汽加熱成過熱蒸汽，測量加熱前后蒸汽的壓力和溫度，計(jì)算該狀態(tài)下的蒸汽的焓值，同時(shí)測量待測蒸汽試樣的質(zhì)量及加熱成過熱蒸汽需要的熱量，進(jìn)而計(jì)算出蒸汽干度值：

x=f（Q，q，m，h_l，h_g，h₂）??????????????? （2）

式中：x-干度值;h_l-加熱裝置入口飽和水比焓;h_g-加熱裝置入口飽和蒸汽焓值;Q-加熱量;q-散熱量;m：采樣蒸汽流量;h₂-加熱裝置出口端焓值;

英國電力中心實(shí)驗(yàn)室利用該方法研制了過熱式量熱計(jì)。西安交通大學(xué)的李炎鋒設(shè)計(jì)一套新型雙層套管結(jié)構(gòu)，加熱蒸汽試樣。

但整個(gè)過程不能保證裝置是絕熱的，熱量散失越大，計(jì)算結(jié)果誤差就越大，修正工作也很復(fù)雜。如果解決散熱問題，該方法在測量精度上將會(huì)有很大的改善。

2.4? 凝結(jié)法

凝結(jié)法與加熱法測量原理相反，它是將蒸汽到導(dǎo)入至冷凝器中，與冷卻水進(jìn)行換熱將蒸汽冷凝結(jié)成水。通過測量一定時(shí)間內(nèi)冷卻水的吸熱量、冷卻水的質(zhì)量，采樣蒸汽的質(zhì)量，以及蒸汽與冷卻水變化前后的溫度和壓力等參數(shù)。利用能量守恒計(jì)算蒸汽干度。英國GEC公司研制的冷凝式量熱計(jì)就是基于凝結(jié)法來測量蒸汽濕度。西北工業(yè)大學(xué)李世武教授也以該方法為基礎(chǔ)研制了蒸汽干度的計(jì)量裝置^[4]。

3? 非熱力學(xué)法

非熱力學(xué)法包含的測量方法很多，有微波法、光學(xué)法、電導(dǎo)率法、電容法、示蹤法、超聲波法、光纖光柵法等^[5]。

3.1? 微波法

微波是指特定波長的電磁波，傳輸性能良好，受溫度、灰塵、強(qiáng)光等影響很小。微波檢測是由發(fā)射天線發(fā)射微波，遇到被測物時(shí)微波被吸收或者反射，使功率發(fā)生變化，再利用接收天線，接收通過被測物體或由被測物反射回來的微波，并將它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再由測量電路測量和指示。

蒸汽干度的變化會(huì)影響蒸汽介質(zhì)介電常數(shù)，通過測量一些與介電常數(shù)密切相關(guān)的物理量，如功率衰減、相位變化和諧振頻率等，就能夠判斷濕蒸汽干度值，Toropainen等人提出了一種基于共振擾動(dòng)技術(shù)的電磁濕度計(jì)^[6]。Rouleau等人提出了微波差分技術(shù)，提高了測量精度^[6]。

3.2? 光學(xué)法

光學(xué)測量法是根據(jù)光線對蒸汽折射率的響應(yīng)，通過對蒸汽中氣液兩相折射率采樣、分析，得到氣液兩相比例、密度，由折射率的響應(yīng)進(jìn)一步計(jì)算得出其干度^[7]。

3.3? 電導(dǎo)率法

鹽類在水中的濃度不同，其導(dǎo)電能力也不相同。通過測量供給水與剩余水中電導(dǎo)率的不同來推導(dǎo)鍋爐發(fā)生器所產(chǎn)蒸汽的干度值^[8]。

3.4? 電容法

電容器在其他條件不變的情況下，電容量的大小只與電容器內(nèi)電介質(zhì)的介電常數(shù)大小有關(guān)^[9]。

電容傳感器的充放電頻率與蒸汽干度間的關(guān)系式可表示為：

x=F（ψ）??????????????? ????????（3）

式中：ψ-飽和蒸汽通過電容器時(shí)的頻率值f₀與濕蒸汽通過電容器時(shí)的頻率f值之差，ψ=f₀-f。具體的函數(shù)關(guān)系F可以通過電容器標(biāo)定系統(tǒng)進(jìn)行確定。

3.5? 示蹤法

示蹤法^[10]有兩種，一種是化學(xué)離子示蹤法，一種是放射性元素示蹤法，示蹤法可用于蒸發(fā)器和鍋爐的蒸汽干度測量，其原理是在鍋爐給水中添加某種化學(xué)物質(zhì)或放射性物質(zhì)，水在高溫下會(huì)蒸發(fā)，被帶入蒸汽中的水滴里會(huì)溶入添加物的離子或放射性元素，通過測量給水中添加物的濃度與剩余水中添加物的濃度，便可以確定蒸汽干度。

3.6? 超聲波法

聲波在氣液兩相流中的傳播速度與氣液兩相的各相含量有關(guān)，聲波在蒸汽中的傳播速度采用Wood絕熱聲速進(jìn)行計(jì)算：

（4）

（5）

式中：c1—該工況下飽和蒸汽的聲速;ρg—飽和蒸汽的密度;ρw—飽和水的密度;ρ—兩相濕蒸汽的密度;x—蒸汽干度;

通過超聲波傳感器檢測出聲波在蒸汽中的速度c，進(jìn)而計(jì)算得到蒸汽干度^[11]。

3.7? 光纖光柵法

光纖光柵的折射率和周期受蒸汽干度的影響，進(jìn)而影響反射光波長，蒸汽干度變化時(shí)，反射光波長會(huì)發(fā)生漂移;通過測量反射光波長漂移量來確定蒸汽干度。

4? 數(shù)據(jù)融合法

數(shù)據(jù)融合法是以智能算法為基礎(chǔ)，比如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論、模糊數(shù)學(xué)方法、蟻群優(yōu)化、支持向量機(jī)^[12]。通過采集蒸汽的溫度，壓力以及其他等輔助參數(shù)作為輸入?yún)?shù)，利用模型內(nèi)部計(jì)算輸出蒸汽干度。

該方法需要通過訓(xùn)練集訓(xùn)練模型，室內(nèi)進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)提高精度。

5? 結(jié)束語

蒸汽干度測量是計(jì)量領(lǐng)域的難點(diǎn)，經(jīng)過多年研究，科研人員在各個(gè)方法上都進(jìn)行過試驗(yàn)，但目前還沒有較成熟的技術(shù)和產(chǎn)品可以規(guī)模使用。各個(gè)技術(shù)都具有各自的優(yōu)勢，但也都存在著較大的應(yīng)用局限性。

從研究的歷程來看，單一的計(jì)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)蒸汽的高精度計(jì)量難度較大，未來通過多種技術(shù)融合，以現(xiàn)有的智能模型為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)蒸汽干度準(zhǔn)確計(jì)量將會(huì)是成為新的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]????? 寧德亮，高雷，劉新全.流動(dòng)蒸汽濕度測量方法的研究與比較[J].熱能動(dòng)力工?? 程，2009，24（02）：149-153+262

[2]????? 李永生.一種快開式人孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法[J].化工機(jī)械，2010，37（01）：23-24.

[3]????? 李炎鋒，王新軍，徐廷相，武君.新型測量流動(dòng)濕蒸汽濕度裝置中取樣結(jié)構(gòu)的研究[J].汽輪機(jī)技術(shù)，1999（01）：24-27+62.

[4]????? 李世武，康芹.凝結(jié)式蒸汽干度測量方法與應(yīng)用[J].化工學(xué)報(bào)，2007，58（10）：2608-2612.

[5]????? 柳富明，黃婷萍，申龍涉，于顯永，谷文淵.油田熱注蒸汽干度測量方法的研究進(jìn)展[J].化工自動(dòng)化及儀??????????? 表，2012，39（02）：151-155.

[6]????? 黃雪峰，盛德仁，陳堅(jiān)紅，李蔚.濕蒸汽兩相流濕度測量方法研究進(jìn)展[J].電站系統(tǒng)工程，2006（05）：1-4.

[7]????? 梁培，余建軍，朱桂榮，沈陽，李信江，錢霖，鄒麗新.光纖傳感用于油田熱采的蒸汽干度測量[J].光學(xué)與光電????? 技術(shù)，2008（03）：1-3.

[8]????? 傅豐，趙在三，郁鴻凌.氣液雙相流體干度測量的研究與發(fā)展[J].動(dòng)力工程，1991（03）：51-59+62.

[9]????? Gas/liquid ratio measurements by rf resonance capacitance sensor[J]. Sensors and Actuators A，2004（113）：133- 139.

[10]??? 黃雪峰，盛德仁，陳堅(jiān)紅，李蔚.濕蒸汽兩相流濕度測量方法研究進(jìn)展[J].電站系統(tǒng)工程，2006（05）：1-4.

[11]??? 唐繼國， 閻昌琪， 孫立成. 超聲波場中蒸汽氣泡凝????? 結(jié)過程及傳熱特性[J]. 化工學(xué)報(bào)， 2015， 66（11）：4359-4365.

[12]??? 解仲坤. 飽和蒸汽干度軟測量方法研究[D].大連理工大學(xué)， 2009.