蒸汽熱網(wǎng)內(nèi)部流動多參數(shù)測量研究

薛明華 張漢賢 黃偉棟 蘇明旭

1．上海明華電力科技有限公司

2．上海漕涇熱電有限責(zé)任公司

3．上海理工大學(xué)

0 前言

上?；瘜W(xué)工業(yè)區(qū)是我國最具規(guī)模的化學(xué)工業(yè)園區(qū)，園區(qū)集聚了國內(nèi)外眾多在國際上有影響力的化工企業(yè)。由于化工企業(yè)的特性，各企業(yè)對蒸汽的需求有著極高的要求，本著節(jié)能、環(huán)保和資源循環(huán)利用原則，上?；^(qū)采用了集中供熱模式[1]。

目前，一家燃機聯(lián)合循環(huán)電廠作為熱源單位承擔(dān)上?；^(qū)內(nèi)用戶的蒸汽供應(yīng)。熱網(wǎng)母管由高壓蒸汽、中壓蒸汽、減溫水(即鍋爐給水)、除鹽水、冷凝水組成。熱網(wǎng)母管由熱電廠南側(cè)引出，分東西兩側(cè)沿相關(guān)路線送至各熱用戶計量站，向熱用戶供熱。高 壓 供 熱 蒸 汽 壓 力 為4．4±0．1 MPa，溫 度263．5±10 ℃。中壓供熱蒸汽的參數(shù)壓力為2．2±0．1 MPa，溫度為216±10 ℃。日常高壓和中壓供熱蒸汽負荷接近600 t/h。

由于園區(qū)內(nèi)各熱用戶的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)裝置不盡相同，熱源單位的發(fā)電工況和設(shè)備也各有特性，因此，使熱網(wǎng)的運行呈現(xiàn)出多樣性、復(fù)雜性，并直接反映在管道內(nèi)的蒸汽流量、溫度和流速的無序變化，導(dǎo)致管網(wǎng)運行的安全性不受控，向用戶供熱的可靠性和合同參數(shù)無法得到保證。管網(wǎng)運行的經(jīng)濟性不受控，各項經(jīng)濟指標(biāo)和運行參數(shù)偏離設(shè)計。由此可見，如此規(guī)模的熱網(wǎng)其實是一個無法調(diào)控的熱網(wǎng)，是一個被動運行的熱網(wǎng)[2,3]。從國內(nèi)調(diào)研及國外資料的查詢，熱網(wǎng)運行模式和特性均和上?；^(qū)熱網(wǎng)大致相同，但是上海化工區(qū)熱網(wǎng)的運行要求遠高于國內(nèi)外同類型的熱網(wǎng)。因此相關(guān)熱網(wǎng)在線運行仿真系統(tǒng)近幾年成為研究熱點。有文獻顯示，基于熱網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型及數(shù)據(jù)，結(jié)合熱網(wǎng)模型與實時數(shù)據(jù)對接，完成了供熱系統(tǒng)的在線運行仿真，獲得全網(wǎng)運行狀態(tài)（溫度、壓力、流向、流量）的理論值[4,5]。

本文的研究內(nèi)容分兩個方面，一是對工業(yè)園區(qū)供熱管網(wǎng)系統(tǒng)中蒸汽供熱管道流動情況進行實際測量，研制能同時測量管道內(nèi)過熱蒸汽流速、流向以及溫度、壓力的集成探針，對高溫高壓的過熱蒸汽狀態(tài)參數(shù)進行實時在線測量，以獲得真實的供熱管道內(nèi)部參數(shù)，從監(jiān)測試驗角度掌握熱網(wǎng)管道上的流動狀態(tài)。二是針對供熱管網(wǎng)管道損失的實際情況，采用基于傳熱學(xué)的流量計算方法，通過現(xiàn)場加裝溫度測點來測試熱用戶站管道的微小流量，解決熱用戶站微小流量難以計量的問題。

1 測量原理和方法

1.1 供熱管道在線測量原理與方法

綜合考慮測試需求和現(xiàn)場試驗環(huán)境，測試系統(tǒng)示意圖見圖1。采用模塊化設(shè)計，分為三大模塊，一是多功能蒸汽測試集成探針，用于同時測量蒸汽溫度、蒸汽壓力、蒸汽速度（大小和二維方向）；二是電氣控制柜，用于設(shè)備供電、信號數(shù)據(jù)采集和無線傳輸；三是測試終端，搭配有無線數(shù)據(jù)通訊模組的數(shù)據(jù)監(jiān)測上位機。

圖1 測試系統(tǒng)示意圖

多參數(shù)蒸汽測試集成探針中蒸汽溫度和壓力的測量采用溫度和壓力變送器實現(xiàn)。蒸汽速度的測量采用以下原理：常見的管道內(nèi)氣體流速測量方法為皮托管法，即通過測量管道中某一處的全壓和靜壓，再通過伯努利方程計算得到氣流流速。但此方法只能測量得到氣流速度大小，得不到氣流流向。在此基礎(chǔ)上，研制加工了如圖2 所示多孔氣動探針，用于測量壓力和速度。

探針為L 形，分為引壓延伸段、豎直段和水平段。引壓延伸段長為200 mm，為5 根內(nèi)徑0．8 mm的不銹鋼管，用于安裝壓力變送器；豎直段總長420 mm，可以滿足管徑不大于800 mm 的管道蒸汽參數(shù)的測試需求；水平段總長110 mm，端部布置有5 個直徑為0．8 mm 的引壓管。引壓管延伸到豎直段尾部，形成引壓延伸段通過螺紋接口連接壓力變送器。溫度傳感器放置在水平段，減少測量過程中因熱對流引起的測量誤差。

圖2 多參數(shù)蒸汽測量集成探針

如圖3 所示，圓柱三孔型復(fù)合測壓管是在圓柱體的同一橫截面的表面上開有三個感壓孔，各自用傳壓管將壓強引至測壓計上，測得三孔的壓強即可測量。

圖3 多孔探針端部引壓孔布置示意圖

兩個方向孔的壓力P1、P3分別為：

若要使P1-P3出現(xiàn)最大值，可以對上式關(guān)于φ 偏導(dǎo)。并令偏導(dǎo)數(shù)為0，可得若要使P1-P3出現(xiàn)最大值，應(yīng)使角度為45 ℃，也就是兩個方向孔在同一平面內(nèi)呈直角分布。

三孔測速管探頭上的感壓孔布置為：兩個方向孔在同一平面內(nèi)呈直角分布，總壓孔開設(shè)在兩個方向孔的角平分線。實際測量時，將探頭插入氣流中，慢慢轉(zhuǎn)動桿管，直到兩個方向孔P1和P3所感受到的壓力相等，使被校準(zhǔn)測壓管1，2，3 孔中感受的壓力。這時，氣流方向與總壓孔的軸線平行，總壓孔的壓力P2即是總壓P＊。此時，氣流的速度V 和靜壓P 的關(guān)系為：

測壓管某原始位置到轉(zhuǎn)動至最后位置間的角度，即測得氣流的方向。

事實上，由于制造上的原因，各孔并不能嚴(yán)格按幾何尺寸來加工，也有一些無法避免的隨機因素，因此不能直接用測量數(shù)據(jù)求得氣流的速度和靜壓，每根測壓管在使用前必須進行標(biāo)定，得到測壓管校準(zhǔn)曲線。

1.2 小流量蒸汽測量原理和方法

常見的熱網(wǎng)蒸汽管道構(gòu)造如圖4 所示，一般情況下，供熱或者計量閥有泄漏時，管內(nèi)將有溫度高于周圍環(huán)境溫度的蒸汽或水流動。

圖4 熱網(wǎng)蒸汽管道構(gòu)造圖

管內(nèi)流體通過管壁與管外保溫層向外散發(fā)熱量，若蒸汽流量不變時，傳熱過程趨于穩(wěn)態(tài)，則散發(fā)熱量和管壁溫度維持一定值，如圖5所示，管道內(nèi)流體通過對流換熱方式傳遞給管道內(nèi)壁，以熱傳導(dǎo)方式從內(nèi)壁傳遞至外壁，再以熱傳導(dǎo)方式由鋼管外壁傳遞至保溫層外壁，最后進行對流換熱將熱量傳遞至周圍空氣。管內(nèi)工質(zhì)通過管壁和保溫層以對流—導(dǎo)熱—導(dǎo)熱—對流向外傳熱，通常認為這四種方式傳遞的熱量Q相等，若管道外壁溫度t2，周圍環(huán)境溫度ta，管內(nèi)流體壓力p和進口工質(zhì)溫度t0已知，則可根據(jù)以上參數(shù)計算由于工質(zhì)流動導(dǎo)致的散熱損失，從而計算管內(nèi)流體的流速和流量。

圖5 傳熱過程圖

四個傳熱過程中最終得到方程組[6-8]為：

式（8）中，鋼管外壁溫度t2，環(huán)境溫度ta通過溫度測量元件測量可知，其他相關(guān)參數(shù)：進口蒸汽溫度、壓力，鋼管、保溫層導(dǎo)熱系數(shù)，保溫層、管道尺寸，蒸汽密度、動力粘度、Pr 數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、定壓比熱容，空氣定壓比熱容、動力黏度、Pr 數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)可通過計算或者測量得到。方程最終計算得到的參數(shù)為：傳熱量Q，出口蒸汽溫度tc，蒸汽流速V，管道內(nèi)壁溫度t1，保溫層外壁溫度t3。

根據(jù)模型計算的要求，計量站流量閥門前需安裝K型鎧裝熱電偶，熱電偶安裝在管道外壁，即保溫層之內(nèi)，底座采用卡箍形式與管道外壁接觸，并且采用支架固定，以滿足測量測試要求。在實際現(xiàn)場安裝過程中，對于熱電偶安裝也有一定要求，主要滿足以下方面：（1）閥門上游3～4 m 處安裝溫度測點最為適宜，既能判斷閥門處流動狀態(tài)的變化，且能使來流蒸汽或水不受閥門擾流特性影響；（2）熱電偶安裝時，保溫層與管道外壁之間無空隙，這是因為模型考慮的是管道外壁與保溫層之間的熱傳導(dǎo)換熱，倘若存在空隙，則外壁與保溫層間存在對流換熱情況，勢必導(dǎo)致計算結(jié)果出現(xiàn)誤差。

2 測量結(jié)果

2.1 供熱管道多參數(shù)在線測量數(shù)據(jù)

利用多功能蒸汽測試集成探針在供熱管網(wǎng)上開展測量試驗，蒸汽壓力變化趨勢如圖6所示，三小時內(nèi)的蒸汽壓力比較穩(wěn)定，均值為2．32 MPa，實時壓力波動范圍在0．6%以內(nèi)。

圖6 蒸汽壓力變化趨勢圖

供熱蒸汽溫度變化趨勢如圖7 所示，三小時內(nèi)的蒸汽溫度也比較穩(wěn)定，溫度均值為238．8 ℃，在線測量溫度波動范圍在1．2%以內(nèi)。

圖7 蒸汽溫度變化趨勢圖

蒸汽流速變化趨勢如圖8 所示，三小時內(nèi)的蒸汽流速波動較大，上下波動范圍在3%以內(nèi)，經(jīng)分析，除了正常的流速波動之外，測量過程中的流動方向誤差，可能導(dǎo)致計算流速誤差偏大。

圖8 蒸汽速度變化趨勢圖

2.2 小流量蒸汽測量數(shù)據(jù)

表1給出了某時間段內(nèi)高壓蒸汽的管道測量溫度、計算流量與表計流量的數(shù)據(jù)(某半小時內(nèi)均值)。表計溫度裝置安裝在計量站之后，用于評價到熱用戶供熱蒸汽品質(zhì)是否滿足合同規(guī)定的要求，其中表計溫度作為模型計算中的蒸汽溫度。

表1 測量數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)對比

從表1可見，熱用戶C 處于無供熱狀態(tài)，因此表計溫度為60 ℃，其余各用戶站的溫度均接近高壓供氣溫度，現(xiàn)場安裝熱電偶的測量溫度與表計溫度相接近，利用表計溫度作為來流溫度，代入模型計算，得出計算流量值，與表計流量相比，誤差處于合理的范圍之內(nèi)。

3 總結(jié)

本文對工業(yè)園區(qū)供熱管網(wǎng)系統(tǒng)中蒸汽供熱管道流動情況進行實際測量，研制能同時測量管道內(nèi)過熱蒸汽流速、流向以及溫度、壓力的集成探針，對高溫高壓的過熱蒸汽狀態(tài)參數(shù)進行實時在線測量，以獲得真實的供熱管道內(nèi)部參數(shù)，從監(jiān)測試驗角度掌握熱網(wǎng)管道上的流動狀態(tài)。此外，針對供熱管網(wǎng)管道損失的實際情況，采用基于傳熱學(xué)的流量計算方法，通過現(xiàn)場加裝溫度測點來測試熱用戶站管道的微小流量，解決熱用戶站微小流量難以計量的問題。

結(jié)果表明本測試方法能有效測量供熱管網(wǎng)內(nèi)部蒸汽壓力、溫度、流速、流向和微小流量參數(shù)，為工業(yè)蒸汽熱網(wǎng)在線仿真和分析提供了試驗數(shù)據(jù)支撐。