一種溼蒸汽兩相流溼度標定方法及其標定裝置的製作方法

2023-06-21 01:26:51 1

專利名稱：一種溼蒸汽兩相流溼度標定方法及其標定裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及流動溼蒸汽溼度測量領域，特別涉及一種溼蒸汽兩相流溼度標定方法及其標定裝置。
背景技術：
大型火電廠凝汽式汽輪機中末幾級處於溼蒸汽區域工作。在凝汽式汽輪機所發出的功率中，有10% 20%功率是在溼蒸汽區域轉換的。由核能、太陽能、地熱能以及鋼鐵、 水泥、玻璃、化工等工業流程中伴生能源產生的蒸汽，往往是壓力較低的飽和蒸汽，或過熱度小的蒸汽。使用該類蒸汽做功的汽輪機幾乎所有級均處於溼蒸汽區域工作。溼蒸汽區域的級效率明顯低於過熱蒸汽區域，通常認為當溼度為10%時，級效率降低幅度在10% 15%之間。早在1998年，Guha研究顯示在英國，僅因汽輪機中溼度引起的效率降低而帶來的經濟損失每年達5000萬英鎊。所以，提高溼蒸汽區域的級效率，對提高整臺汽輪機效率相當重要，對於利用核能以及地熱能、太陽能、工業流程中伴生能源等加熱產生的飽和(或過熱度小的)蒸汽驅動發電的汽輪機尤為重要。不僅如此，高速流動的汽液兩相流中，汽相是連續的，液相是離散的，且後者的比重較前者大，因此受到較大的離心力，促使液滴有從葉輪中心向外周方向流動的趨勢。這一趨勢與工質的主流方向不同向，從而造成液滴對通道表面及葉片的衝蝕和磨損，降低使用壽命，甚至發生葉片斷裂事故。目前，適用於蒸汽透平流動溼蒸汽溼度測量的方法主要有熱力學法和光學法。其中，熱力學法可分為節流法、凝結法、加熱法和蒸汽-空氣混合法。各種方法的測量原理及不足之處簡述如下節流法是將被抽取的溼蒸汽試樣，在工作段中節流到某一較低的壓力值，使得節流後的蒸汽狀態點位於過熱蒸汽區內。通過確定過熱蒸汽區內的某一點處蒸汽壓力和溫度對應的焓值和取樣處壓力的飽和水焓值、汽化潛熱，來計算出取樣蒸汽溼度。但為保證節流後的蒸汽為過熱蒸汽，被抽取的試樣蒸汽應節流到足夠低的壓力，因此節流法不宜用來測量低壓區及溼度大於8 %的溼蒸汽(一般凝汽式汽輪機的排汽溼度在6 % 12 %範圍)。再者，散熱損失和溼蒸汽膨脹後汽相和液相間得不到充分均勻混合，亦會影響測量的準確性。凝結法是將被抽取的溼蒸汽試樣，在凝汽器中凝結成水。通過測量被抽取的蒸汽試樣質量、冷卻水質量以及冷卻水進出口溫度，來求出被抽取蒸汽的焓值，再確定蒸汽取樣處某點壓力的飽和水焓、汽化潛熱，以求出蒸汽溼度。由於該方法需要測量出蒸汽試樣質量、冷卻水質量及進出口溫度等多個參數，會帶來測量誤差的傳遞和積累問題，同時散熱損失也會影響測量結果的精準性。加熱法是將被抽取的溼蒸汽試樣，在工作段中加熱到幹飽和狀態或過熱狀態。通過測量被加熱後的蒸汽壓力和溫度來確定對應狀態的焓值，同時測量被抽取蒸汽的質量、 加熱蒸汽的加熱量，以及確定蒸汽取樣處某點壓力的飽和蒸汽焓值，從而求出取樣蒸汽溼度。由於該方法需要測量出加熱後蒸汽壓力、溫度、蒸汽試樣質量、加熱量等多個參數，會帶來測量誤差的傳遞和積累問題，同時散熱損失也會影響測量結果的準確性。蒸汽-空氣混合法是將被抽取的溼蒸汽試樣在一混合室中與外界引入足夠多的熱空氣在絕熱條件下混合。通過測量被抽取蒸汽的取樣質量、熱空氣的質量，以及混合室進出口處空氣的壓力、溫度、含水量、焓值和露點溫度，來確定被抽取蒸汽的焓值，再確定出蒸汽取樣處某點壓力的飽和蒸汽焓值，從而求出蒸汽溼度。測量中，為保證混合後的空氣中水分含量尚未達到飽和，送入的熱空氣量必須很大，因此要配置一臺容量很大的真空泵，使現場應用受到限制。由此可見，上述的各種熱力學方法中，均需要對多個熱力學參數進行測量，然後再求算出溼蒸汽溼度，其最大問題是測量誤差的傳遞和積累，再加上散熱損失的影響，最終導致測量結果的精度較低。光學法是隨著雷射技術的發展而完善起來的測量方法，其克服了熱力學法需要等動力抽汽取樣和結構複雜等缺點，不但可以測量出蒸汽溼度，而且還能夠測量水滴直徑及其分布情況。光學測量法主要分為全息法、相關法、角散射法、全散射法、衍射法等，尤其以角散射法和全散射法研究為多。角散射法是通過測量水滴對入射光的某一散射特性，然後按Mie理論對測量數據進行處理，以求得被測汽流中水滴直徑和蒸汽溼度。全散射法是通過測量透過溼蒸汽時入射光向四周散射所引起的光能衰減，來確定水滴直徑和蒸汽溼度的方法。散射法雖能進行快速測量，但在工程實際應用中受到一些因素的制約，如多重散射、光學窗口潔淨度等因素均會導致測量結果的偏差。綜上所述，現有的溼蒸汽溼度測量裝置及其方法，都或多或少的存在不足。究其根本原因，在於測量步驟繁瑣，且需多參數測量，造成測量誤差的傳遞和積累，以致測量結果與實際情況產生一定的偏差。因此，需要設計一種操作方便、參數測量少的溼蒸汽溼度標定方法及其裝置，以得到可靠的溼蒸汽溼度數據，使汽輪機能夠安全高效的運行。

發明內容
本發明提供了一種溼蒸汽兩相流溼度標定方法及其標定裝置，可避免因多參數測量所造成的測量誤差的傳遞和積累，標定裝置操作簡單，結果可靠，適合在實際生產中應用。一種溼蒸汽兩相流溼度標定方法，包括下列步驟先冷卻溼蒸汽兩相流樣品，待懸浮狀態的微小液滴全部凝結後，加熱液相區至溼蒸汽初始溫度，利用溼蒸汽溼度定義，計算被測溼蒸汽溼度。由相平衡理論可知，經過無限長時間後，溼蒸汽兩相流樣品中的汽相和液相會發生分離，為了縮短測量時間，可以藉助外界冷媒工質打破溼蒸汽中汽液相的亞平衡態，使懸浮狀態的微小液滴全部凝結，汽液相發生相分離，一般通過觀察，壁面沒有霧汽，就認為液滴全部凝結，然後可以藉助外界熱媒工質對液相區進行加熱，加熱需緩慢均勻，保證液相緩慢均勻汽化，不會嚴重偏離汽液相平衡，待溼蒸汽溫度與溼蒸汽初始溫度(即採樣前溼蒸汽兩相流的溫度)相同時，利用所得到的液相和氣相體積，根據溼蒸汽溼度定義，即可計算被測溼蒸汽溼度。
一種溼蒸汽兩相流溼度標定裝置，包括依次連通的採樣入口段、測量段和回收段， 相鄰段之間設有截止閥門；所述的採樣入口段設有第一溫度採集裝置和第一壓力採集裝置；所述的測量段包括與採樣入口段連通的溼蒸汽室和連通在該溼蒸汽室底部的存液管，所述的溼蒸汽室設有第二溫度採集裝置；所述的回收段包括與所述的存液管連通的儲存罐和通過真空管路與該儲存罐連通的真空泵；所述的儲存罐設有第二壓力採集裝置。所述的第一壓力採集裝置用於測量採樣入口段處溼蒸汽的壓力，以確定後續抽真空時儲存罐中所需達到的壓力值，抽真空時儲存罐中的壓力值應略小於採樣入口段處溼蒸汽的壓力，溼蒸汽在壓力差的作用下由採樣入口段進入溼蒸汽標定裝置。所述的第一溫度採集裝置用於測量採樣入口段處溼蒸汽進入標定裝置時的初始溫度。所述的第二溫度採集裝置用於測量溼蒸汽室中溼蒸汽的溫度。由於溫度測量的準確度對後續溼蒸汽溼度的計算至關重要，為避免引入不必要的誤差，溫度採集裝置使用高精度的溫度測量裝置，以實現結果的精確性。所述的第二壓力採集裝置用於測量儲存罐中的壓力，採樣時需先對整個裝置抽真空，當儲存罐中的壓力值略小於採樣入口段處溼蒸汽的壓力值時，溼蒸汽在壓力差的作用下由採樣入口段進入溼蒸汽標定裝置。所述的採樣入口段、測量段和回收段通過連接管依次連通，且連接管的兩側均設有截止閥門。截止閥門用於控制溼蒸汽在溼蒸汽測量裝置中的流動和截止狀態。所述的採樣入口段和測量段設有可拆卸的隔熱保溫裝置。採集溼蒸汽前，連通採樣入口段和測量段後，必須在其外表面安裝隔熱保溫裝置，避免溼蒸汽因與外界發生熱交換產生熱量損失，從而導致溼蒸汽狀態發生改變，採集完成後，除去隔熱保溫裝置，使測量段中溼蒸汽可以與外界發生熱量交換，縮短打破溼蒸汽中汽液相亞平衡態的時間，在較短時間內達到汽液相分離平衡。所述的存液管在長度方向上至少有一部分為透明區域，且該透明區域處標有刻度，可以測量溼蒸汽汽液相亞平衡態被打破後生成的液體體積，存液管的長度應與溼蒸汽室的容積大小相配合，使得生成的液體體積在存液管刻度的範圍內。液柱高度的測量準確性直接影響後續溼度計算結果的準確性，因此也可以採用高精度的高度測量裝置對高度進行測量，以提高溼度計算結果的精準性。所述的測量段安裝有換熱器，溼蒸汽採集完成後，通過換熱器降低測量段溫度，打破溼蒸汽汽液相亞平衡態，使懸浮狀態的微小液滴全部凝結，汽液相發生相分離，達到平衡後，通過換熱器加熱存液管中液相區，使溼蒸汽室的溫度達到溼蒸汽進入標定裝置時的初始溫度。所述的真空管路中設有真空閥。通過真空閥控制真空泵與儲存罐的連接，從而控制儲存罐內部空間處於較低的壓力狀態，以保證儲存罐內部空間壓力略低於溼蒸汽入口處壓力，溼蒸汽在壓力差的作用下進入儲存罐。所述的儲存罐底部設有帶放空閥的排放管。採樣後打開放空閥，排去儲存罐內的水。為了保證溼蒸汽標定過程中，溼蒸汽總體積為恆定值，因此，裝置中所用到的管道及溼蒸汽室應具有一定的機械強度，保證在測量過程中不會發生變形，避免導致測量結果出現偏差。所述的溼蒸汽為水蒸汽或有機工質蒸汽。一種利用所述的溼蒸汽兩相流溼度標定裝置標定溼蒸汽溼度的方法，包括以下步驟a、利用真空泵對溼蒸汽兩相流溼度標定裝置抽真空，使回收段內的壓力至少低於溼蒸汽的壓力；b、從採樣入口段通入溼蒸汽對測量段進行吹掃；C、完成吹掃後，待採樣入口段和溼蒸汽室內溫度相同時，利用截止閥門封閉測量段的兩端；d、冷卻測量段至懸浮狀態的微小液滴全部凝結後，對存液管加熱至溼蒸汽初始溫度；e、測量液相體積，運用溼度定義計算溼蒸汽溼度。利用真空泵對溼蒸汽兩相流溼度標定裝置抽真空時，通過儲存罐上的第二壓力採集裝置，控制回收段壓力略低於溼蒸汽進入裝置時的初始壓力，並維持回收段壓力恆定。溼蒸汽在壓差(溼蒸汽入口壓力略高於儲存罐內部空間壓力)作用下，由採樣入口段進入測量段溼蒸汽室，通過連通的測量段與回收段間管道進入儲存罐，對溼度標定裝置管路吹掃2 3分鐘後，即可認為溼度標定裝置管路內雜質氣體已排除乾淨，此時關閉測量段與回收段間的截止閥門，溼蒸汽被溼蒸汽室收集，待第二採集溫度與第一採集溫度相同時，即溼蒸汽室內的溫度與待測溼蒸汽進入溼蒸汽溼度標定裝置前的溫度相同時，關閉採樣入口段與測量段間的截止閥門。溼蒸汽樣本採樣完畢後，將採樣入口段、測量段以及回收段在連接管處分離，並除去測量段外壁的保溫隔熱裝置。測量段兩端的截止閥門始終緊閉，即溼蒸汽的總體積為一定值，其中的溼蒸汽處於液滴懸浮的亞平衡態。由相平衡理論可知，經過無限長時間後，溼蒸汽中的汽相和液相將分離，在與溼蒸汽室連通的存液管內部下端會形成一段液柱。為了縮短實驗時間，可以藉助外界冷媒工質打破溼蒸汽中汽液相的亞平衡態，以保證懸浮狀態的微小液滴全部凝結為大液滴後，融入存液管內部下端的液相區，一般通過觀察，壁面沒有霧汽，就認為液滴全部凝結。後藉助外界熱媒工質對液相區進行加熱，並時刻注意第二溫度採集裝置溫度的變化，加熱需緩慢均勻，保證液相緩慢均勻汽化，不會嚴重偏離汽液相平衡。當第二採集溫度與第一採集溫度相同時，停止加熱。此時，根據液柱高度，可以算出液相的體積V1，用已知的測量段的體積扣除V1，可得到汽相的體積\，根據相應密度，求算出汽相和液相的質量Mg和Mp由此，根據溼蒸汽的溼度定義，即可標定出被測溼蒸汽的溼度y :
M1式中Mg為被測樣本汽相質量W1為被測樣本液相質量。本發明裝置基於相平衡原理，根據溼蒸汽溼度的定義，通過測量溼蒸汽中液相和汽相的體積，計算得到相應的質量，從而得到溼蒸汽的溼度，減少了所需測量的參數，有效避免了測量誤差的傳遞和積累，提高了測量結果的精準性。


圖I為本發明一種溼蒸汽兩相流溼度標定裝置簡圖；圖2為本發明採樣後溼蒸汽充滿測量段整個內部空間的示意圖；圖3為本發明測量段內部空間中的溼蒸汽汽液相分離後的示意圖。圖中，I為入口直管，2為90°彎管，3為安裝有截止閥A的直管，4為連接管，5為安裝有截止閥B的直管，6為溼蒸汽室，7為存液管，8為連接管，9為儲存罐，10為真空泵， 100為溼蒸汽，101為汽相區，102為液相區。
具體實施例方式本發明一種溼蒸汽兩相流溼度標定裝置如圖I所示，包括採樣入口段、測量段和回收段。採樣入口段與測量段通過連接管4連接，測量段與回收段通過連接管8連接。真空泵10用於維持儲存罐9內部空間處於較低的壓力狀態，以保證儲存罐9內部空間壓力P2略低於溼蒸汽入口處壓力P。。箭頭表示溼蒸汽進入方向。溼蒸汽為水蒸汽或有機工質蒸汽。使用所述的溼蒸汽兩相流溼度標定裝置標定溼度的方法步驟如下a、採樣前，將採樣入口段與測量段入口端通過連接管4連接，測量段出口端與回收段通過連接管8連接(如圖I所示)，採樣入口段和測量段外壁設置保溫隔熱裝置，然後開啟真空閥F，並啟動真空泵10，使壓力表P2指示值略低於壓力表Ptl,並維持壓力表P2指示值恆定；b、開啟截止閥D、截止閥C、截止閥B和截止閥A，溼蒸汽在壓差(溼蒸汽入口壓力略高於儲存罐9內部空間壓力)作用下，進入溼蒸汽室6後，排入儲存罐9，溼蒸汽對溼度標定裝置管路吹掃2 3分鐘後，認為溼度標定裝置管路內雜質氣體已排除乾淨，此時關閉截止閥D和截止閥C，關閉真空泵10及真空閥F，打開放空閥E，回收儲存罐9中的液體；C、待第二溫度採集裝置T1和第一溫度採集裝置Ttl溫度指示值相等時，依次關閉截止閥B和截止閥A，溼蒸汽樣本採樣完畢後，將採樣入口段與測量段在連接管4處分離，測量段與回收段在連接管8處分離，並去除測量段外壁的保溫隔熱裝置；d、測量段截止閥B和截止閥C始終緊閉，即溼蒸汽100的總體積為定值，其中的溼蒸汽100處於液滴懸浮的亞平衡態，如圖2所示。藉助外界冷媒工質，打破溼蒸汽100中汽液相的亞平衡態，保證處於懸浮狀態的微小液滴全部凝結為大液滴後，融入存液管7內部下端的液相區102，如圖3所示。然後，藉助外界熱媒工質，對液相區102進行緩慢均勻加熱，使其汽化融入汽相區101，並時刻注意第二溫度採集裝置T1溫度指示值的變化。當第二溫度採集裝置T1的溫度指示值與採樣時第一溫度採集裝置Ttl的指示值一致時，停止加熱。e、測量液柱高度，根據液柱高度可以算出液相的體積V1,用已知的測量段的體積減去V1，可得到汽相的體積\，根據相應密度，求算出汽相和液相的質量Mg和Mp由此，根據溼蒸汽的溼度定義，即可標定出被測溼蒸汽的溼度y :
權利要求
1.一種溼蒸汽兩相流溼度標定方法，其特徵在於，包括下列步驟先冷卻溼蒸汽兩相流樣品，待懸浮狀態的微小液滴全部凝結後，加熱液相區至溼蒸汽初始溫度，利用溼蒸汽溼度定義，計算被測溼蒸汽溼度。
2.一種溼蒸汽兩相流溼度標定裝置，其特徵在於，包括依次連通的採樣入口段、測量段和回收段，相鄰段之間設有截止閥門；所述的採樣入口段設有第一溫度採集裝置和第一壓力採集裝置；所述的測量段包括與採樣入口段連通的溼蒸汽室和連通在該溼蒸汽室底部的存液管， 所述的溼蒸汽室設有第二溫度採集裝置；所述的回收段包括與所述的存液管連通的儲存罐和通過真空管路與該儲存罐連通的真空泵；所述的儲存罐設有第二壓力採集裝置。
3.如權利要求2所述的溼蒸汽兩相流溼度標定裝置，其特徵在於，所述的採樣入口段、 測量段和回收段通過連接管依次連通，且連接管的兩側均設有截止閥門。
4.如權利要求2所述的溼蒸汽兩相流溼度標定裝置，其特徵在於，所述的採樣入口段和測量段設有可拆卸的隔熱保溫裝置。
5.如權利要求2所述的溼蒸汽兩相流溼度標定裝置，其特徵在於，所述的存液管在長度方向上至少有一部分為透明區域，且該透明區域處標有刻度。
6.如權利要求2所述的溼蒸汽兩相流溼度標定裝置，其特徵在於，所述的測量段安裝有換熱器。
7.如權利要求2所述的溼蒸汽兩相流溼度標定裝置，其特徵在於，所述的真空管路中設有真空閥。
8.如權利要求2所述的溼蒸汽兩相流溼度標定裝置，其特徵在於，所述的儲存罐底部設有帶放空閥的排放管。
9.一種使用權利要求2 8所述的溼蒸汽兩相流溼度標定裝置標定溼蒸汽溼度的方法，其特徵在於，包括如下步驟a、利用真空泵對溼蒸汽兩相流溼度標定裝置抽真空，使回收段內的壓力至少低於溼蒸汽的壓力；b、從採樣入口段通入溼蒸汽對測量段進行吹掃；C、完成吹掃後，待採樣入口段和溼蒸汽室內溫度相同時，利用截止閥門封閉測量段的兩端；d、冷卻測量段至懸浮狀態的微小液滴全部凝結後，對存液管加熱至溼蒸汽初始溫度；e、測量液相體積，運用溼度定義計算溼蒸汽溼度。
全文摘要
本發明公開了一種溼蒸汽兩相流溼度標定方法及其標定裝置，其中標定方法包括下列步驟先冷卻溼蒸汽兩相流樣品，待懸浮狀態的微小液滴全部凝結後，加熱液相區至溼蒸汽初始溫度，利用溼蒸汽溼度定義，計算被測溼蒸汽溼度。標定裝置包括依次連通的採樣入口段、測量段和回收段，相鄰段之間設有截止閥門；採樣入口段設有第一溫度採集裝置和第一壓力採集裝置；測量段包括與採樣入口段連通的溼蒸汽室和連通在該溼蒸汽室底部的存液管，所述的溼蒸汽室設有第二溫度採集裝置；回收段包括與所述的存液管連通的儲存罐和通過真空管路與該儲存罐連通的真空泵；所述的儲存罐設有第二壓力採集裝置。本發明僅測量溫度和液柱高度兩個參數，即可得到溼度，提高了測量準確性。
文檔編號G01N33/00GK102608275SQ20121008496
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月28日 優先權日2012年3月28日
發明者姚華, 李蔚, 盛德仁, 陳堅紅 申請人:浙江大學