專利名稱：聯(lián)合式濕蒸汽流量、干度測量裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種測量裝置，特別涉及一種聯(lián)合式濕蒸汽流量、干度測 量裝置。
技術背景在油田的稠油開采中， 一般采用注汽熱采的方式，為防止直流注汽鍋爐的鍋爐管內結水垢，鍋爐出口的蒸汽干度為70-80%的濕蒸汽。因此在實際生產過 程中對傳輸管道濕蒸汽的流量、干度計量對稠油開采十分重要。由于濕蒸汽的 計量為流量、干度雙參數(shù)計量，十分復雜，從國內的研究狀況來看，目前還沒 有非常成熟的應用技術，目前，現(xiàn)有的技術是釆用獨立的單相流標準孔板或文 丘里管結合微處理器進行檢測計算，其測量結果精度低、計算速度慢。 發(fā)明內容本實用新型的目的是為了解決濕蒸汽的流量、干度雙參數(shù)計量精度低及參 數(shù)運算速度慢的問題，而提供一種濕蒸汽的流量、干度雙參數(shù)計量精度高及 參數(shù)運算速度快的聯(lián)合式濕蒸汽流量、干度測量裝置。本實用新型是由標準孔板、文丘里管、高精度壓力傳感器、智能型差壓變送器、 冷凝器、取壓閥、導壓管、中央處理器、顯示器組成，標準孔板、文丘里管串 聯(lián)在濕蒸汽管道中，標準孔板及文丘里管的正負壓引出管分別冷凝器相連通， 導壓管上連通有取壓閥，導壓管與智能型差壓變送器相連通，高精度壓力傳感 器的取樣點設置在標準孔板與文丘里管之間的濕蒸汽管道中，高精度壓力傳感 器及智能型差壓變送器信號通過D/A通道與中央處理器相連接，顯示器與中央 處理器相連接，中央處理器內置有計算濕蒸汽流量、干度、載熱量的數(shù)學模
數(shù)學模型以及IAPWS-IF97汽、水性質計算公式模塊。本實用新型由經過標定的標準孔板、經典文丘里管作為一次測量元件，高精度壓力傳感器、智能型差壓變送器轉換并傳輸標準信號，標準4 20mA 信號經智能型差壓變送器I/V轉換成1 5V電壓信號，進入中央處理器的高 速數(shù)據(jù)采集卡，最后在中央處理器中根據(jù)壓力信號P調用汽、水性質模塊 計算出飽和水、飽和蒸汽的密度及比焓、汽化潛熱，從而算出濕蒸汽的干 度、質量流量、載熱量，同時對質量流量、載熱量進行累積運算，重要參 數(shù)適時存儲于數(shù)據(jù)庫，作為歷史數(shù)據(jù)以備后期調用，本實用新型通過D/A 通道輸出干度、累積流量，供中央處理器使用，其工作原理如圖3所示。汽、 水性質模塊執(zhí)行最新的IAPWS-IF97計算公式，與以往的IF-67計算公式相比 計算精度提高10倍以上，且重復計算精度高，而運算速度提高4 12倍。 本實用新型測量方法所采用的數(shù)學模型公式如下<formula>formula see original document page 4</formula>式中《^是兩相流質量流量，Kg/S;e&是兩相流載熱量，KJ/S;P是飽和水密度，Kg/m3;/2,是飽和水比焓，KJ/Kg;A'是飽和蒸汽密度，Kg/m3;/fc是飽和蒸汽比焓，KJ/Kg; "。是節(jié)流件流量系數(shù)，無量綱；S是兩相滑動比，無量綱；X是濕蒸汽干度，無量綱；^是節(jié)流件喉部截面積，m2; S修正系數(shù)，無量綱，系數(shù)B反映了兩相滑動比s和兩f相密度比的影響，對于一定幾何結構的管道，兩相滑動比s是兩相密度比^;的函數(shù)，因此當節(jié)流裝 置的幾何參數(shù)確定后，系數(shù)5應只是兩相密度比f的一元函數(shù)，該一元函數(shù)關 系式由試驗確定。根據(jù)質量守恒定律，流經兩流量計的質量流量相同；管道經良好保溫處理， 忽略沿程熱量損失及壓力損失，濕蒸汽無相變，流經兩流量計的濕蒸汽干度也相 同。則有條件<formula>formula see original document page 5</formula> (4) <formula>formula see original document page 5</formula>(5) 注下標k代表標準孔板處的參數(shù) 下標V代表文丘里管處的參數(shù)聯(lián)立方程(1)、 (2)、 (3)、 (4)、 (5)即可根據(jù)差壓信號、汽水密度算出濕 蒸汽的干度、質量流量、載熱量，同時對質量流量、載熱量進行累積運算。重 要參數(shù)適時存儲于數(shù)據(jù)庫，作為歷史數(shù)據(jù)以備后期調用。系統(tǒng)通過D/A通道或 標準通訊接口輸出干度、累積流量，供中央處理器使用。
數(shù)學模型的修正及補償 數(shù)學模型的的測試聯(lián)立方程(1)， (2)， (4)， (5)求解，得到關于X的一元二次方程。 根據(jù)假定的流量、干度參數(shù)分別設計標準孔板及經典文丘里管，然后根據(jù) 計算過程中的己知條件(溫度；壓力；汽、水密度；流量系數(shù)；喉孔面積；差 壓值等)代入關于x的一元二次方程，反解出干度參數(shù)x值，存在兩實根，一 大一小同在0 1.0的干度有效范圍內，在干度0.3 1.0的范圍內，計算出的干 度與假定干度參數(shù)的偏差小于0.00004，由此說明公式的邏輯推導是正確可行的。 在不同的壓力下，取兩根差值+0.005， -0.005的值，最終在壓力、干度的坐標內 繪制兩條曲線，如圖4所示，左上部為大根區(qū)域，兩條曲線之間為相近區(qū)域， 右下部為小根區(qū)域，通過回歸法擬和兩條曲線的公式，這樣可以以上層曲線作 為判別界限，當兩根絕對差值小于0.005時，以兩根的算術平均值作為干度值， 干度統(tǒng)計偏差小于0.0025。根據(jù)油田注汽鍋爐出口的干度基本在0.75左右，管網干度大于0.45，從上
圖看出即便壓力為21.6Mpa時，干度判別界限在0.427，且隨著壓力降低，判別 界限單調降低，在壓力為17.2Mpa時，干度判別界限僅在0.32左右。所以利用 上圖的大根區(qū)域、相近區(qū)域確定測量范圍(0.3 1.0)對注汽鍋爐的主汽管路、 支路管網及井口管線進行在線質量流量測量、載熱量測量、干度測量同時進行 干度調節(jié)是可行的。 數(shù)學模型的修正方程(1)、 (2)中的原始修正系數(shù)Bk、 Bv是在電加熱高壓汽水兩相流試驗 裝置上進行，經過壓力3.0 21MPa，干度0 1.0，質量流量3.5 15t/h試驗， 獲取大量基礎數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)回歸擬合而成的仏二 0.535184 - 0.002431—— Br = 0.885184 - 0.0027285 二通過在遼河油田現(xiàn)場實際運行試驗，將修正系數(shù)B改進為復合修正及分段 修正方法，測量精度明顯提高達到±5.0%，最終運行結果穩(wěn)定、可靠?？紤]兩種流量測量裝置的誤差(流量不確定度)，如果偏差為同向，則干度 計算誤差極小，如果偏差為反向，則干度計算絕對誤差小于0.05。當干度變化 0.05時，質量流量偏差小于4.6%，載熱量偏差小于1.3%，根據(jù)計算，質量流量 偏差、載熱量偏差隨壓力升高而降低。因此在某一固定運行壓力下為了提高整 個系統(tǒng)的測量精度，必須提高每個節(jié)流元件的測量精度，因此出廠前對聯(lián)合式 流量測量裝置進行逐一標定，測出裝置的流量系數(shù)，提高節(jié)流裝置的測量精度。數(shù)學模型的補償為了保證測量精度，我們在濕蒸汽流量計算中，采取了如下補償措施1) 對汽、水蒸汽密度及比焓進行了溫度、壓力的補償計算，并且在補償算法上采用了國際上最新的IAPWS-IF97汽、水性質計算模塊，比通常采用的查表 法、插值法、多項式曲線擬合法精度大幅提高。而且與以往的IF-67汽、水性質 計算模塊,相比計算精度提高10倍以上，且重復計算精度高。而運算速度提高4 12倍。2) 為消除流量變化對節(jié)流裝置流量系數(shù)ot的影響，組裝前對節(jié)流裝置進行 水流量稱重法標定，提高了測量精度。標定單位是遼寧省計量科學研究院。3) 根據(jù)壓力及流量的變化，我們對流量系數(shù)ou壓縮系數(shù)s的變化進行了 在線補償，提高了測量精度。4) 根據(jù)溫度的變化，我們還對節(jié)流件喉徑d隨溫度的變化也進行了在線補 償，提高了測量精度。熱流量計算考察標準孔板與文丘里管之間管段(約2m長)熱損失對濕蒸汽干度的影響。數(shù)據(jù)管道規(guī)格cp89xl3mm;絕對壓力17.2 MPa;飽和溫度353.25 °C;干 度0.75;比 焓2329.74 KJ/Kg;內層巖棉保溫厚度100mm，導熱系數(shù)0.05W/Mk;外層保護層厚度15mm，導熱系數(shù)0.192W/Mk;外表面溫度30°C。 計算:<formula>formula see original document page 9</formula>模型應用說明 裝置的有效核算長度2.0 m 0=84.4x2.0=168.8 W單位時間S的熱損失(附加18%的余量)<formula>formula see original document page 9</formula> 假定流量為20t/h，則每秒流量5.5556 Kg 該過程按等壓變化<formula>formula see original document page 9</formula>。 根據(jù)壓力17.2MPa與比焓2329.704 KJ/Kg確定蒸汽狀態(tài) 干度相對變化量0.0001%，密度相對變化量0.004%很小可以忽略。圖1為本實用新型的標準孔板、文丘里管安裝在濕蒸汽管道的示意圖。


圖2為本實用新型的連接示意圖。圖3為本實用新型的測量原理示意圖。圖4為本實用新型數(shù)學模型的修正及補償用的壓力與干度曲線圖。
具體實施方式
請參閱圖l、圖2所示，本實用新型是由標準孔板l、文丘里管2、高精度 壓力傳感器3、智能型差壓變送器4、冷凝器5、取壓閥6、導壓管7、中央處理 器8、顯示器9組成，標準孔板l、文丘里管2串聯(lián)在濕蒸汽管道10中，標準 孔板1及文丘里管2的正負壓引出管分別與冷凝器5相連通，導壓管7上連通 有取壓閥6，導壓管7與智能型差壓變送器4相連通，高精度壓力傳感器3的取 樣點設置在標準孔板1與文丘里管2之間的濕蒸汽管道10中，高精度壓力傳感 器3及智能型差壓變送器4的信號通過D/A通道與中央處理器8相連接，顯示 器9與中央處理器8相連接，中央處理器8內置有計算濕蒸汽流量、干度、載 熱量的數(shù)學模型以及IAPWS-IF97汽、水性質計算公式模塊。本實用新型測量方法所采用的數(shù)學模型公式如下 <formula>formula see original document page 11</formula>式中^^是兩相流質量流量，Kg/S;e^是兩相流載熱量，KJ/S;P是飽和水密度，Kg/m3;/z,是飽和水比焓，KJ/Kg;A'是飽和蒸汽密度，Kg/m3;/fe是飽和蒸汽比焓，KJ/Kg; "。是節(jié)流件流量系數(shù)，無量綱; ^是兩相滑動比，無量綱；X是濕蒸汽干度，無量綱； A是節(jié)流件喉部截面積，m2;S修正系數(shù)，無量綱，系數(shù)5反映了兩相滑動比S和兩S相密度比的影響，對 于一定幾何結構的管道，兩相滑動比s是兩相密度比f的函數(shù)，因此當節(jié)流裝 置的幾何參數(shù)確定后，系數(shù)5應只是兩相密度比S的一元函數(shù)，該一元函數(shù)關系式由試驗確定。根據(jù)質量守恒定律，流經兩流量計的質量流量相同；管道經良好保溫處理， 忽略沿程熱量損失及壓力損失，濕蒸汽無相變，流經兩流量計的濕蒸汽干度也相 同。則有條件《mZpA:= 《W7fpv (4) I = Xv (5)注下標k代表標準孔板處的參數(shù)。 下標V代表文丘里管處的參數(shù)。聯(lián)立方程(1)、 (2)、 (3)、 (4)、 (5)即可根據(jù)差壓信號、汽水密度算出濕
蒸汽的干度、質量流量、載熱量，同時對質量流量、載熱量進行累積運算。 重要參數(shù)適時存儲于數(shù)據(jù)庫，作為歷史數(shù)據(jù)以備后期調用。系統(tǒng)通過D/A通道 或標準通訊接口輸出干度、累積流量，供中央處理器使用。
權利要求1、一種聯(lián)合式濕蒸汽流量、干度測量裝置，其特征在于是由標準孔板、文丘里管、高精度壓力傳感器、智能型差壓變送器、冷凝器、取壓閥、導壓管、中央處理器、顯示器組成，標準孔板、文丘里管串聯(lián)在濕蒸汽管道中，標準孔板及文丘里管的正負壓引出管分別與冷凝器相連通，導壓管上連通有取壓閥，導壓管與智能型差壓變送器相連通，高精度壓力傳感器的取樣點設置在標準孔板與文丘里管之間的濕蒸汽管道中，高精度壓力傳感器及智能型差壓變送器信號通過D/A通道與中央處理器相連接，顯示器與中央處理器相連接。
專利摘要本實用新型公開了一種聯(lián)合式濕蒸汽流量、干度測量裝置，該裝置由經過標定的標準孔板、經典文丘里管作為一次測量元件，高精度壓力傳感器、智能型差壓變送器轉換并傳輸標準信號，標準4～20mA信號經I/V轉換成1～5V電壓信號，進入高速數(shù)據(jù)采集卡，最后在中央處理器中根據(jù)壓力信號調用汽、水性質的IAPWS-IF97計算公式模塊計算出飽和水、飽和蒸汽的密度及比焓、汽化潛熱，從而算出濕蒸汽的干度、質量流量、載熱量，同時對質量流量、載熱量進行累積運算，重要參數(shù)適時存儲于數(shù)據(jù)庫，作為歷史數(shù)據(jù)以備后期調用，系統(tǒng)通過D/A通道輸出干度、累積流量，供中央處理器使用，本實用新型與以往的IF-67計算公式相比計算精度提高10倍以上，且重復計算精度高，而運算速度提高4～12倍。
文檔編號G01F1/34GK201034647SQ200720093248
公開日2008年3月12日 申請日期2007年2月1日 優(yōu)先權日2007年2月1日
發(fā)明者侯寶華, 馮久鴻, 琦 李, 畢研斌, 鄒泉溢, 韓乃榮 申請人:長春鍋爐儀表程控設備股份有限公司