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(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)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(shù)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(nèi)結(jié)水垢，鍋爐出口的蒸汽干度為70-80%的濕蒸汽。因此在實(shí)際生產(chǎn)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(fù)雜，從國內(nèi)的研究狀況來看，目前還沒 有非常成熟的應(yīng)用技術(shù)，目前，現(xiàn)有的技術(shù)是釆用獨(dú)立的單相流標(biāo)準(zhǔn)孔板或文 丘里管結(jié)合微處理器進(jìn)行檢測計算，其測量結(jié)果精度低、計算速度慢。 發(fā)明內(nèi)容本實(shí)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(yùn)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(yùn)算速度快的聯(lián)合式濕蒸汽流量、干度測量裝置。本實(shí)用新型是由標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)壓管、中央處理器、顯示器組成，標(biāo)準(zhǔn)孔板、文丘里管串 聯(lián)在濕蒸汽管道中，標(biāo)準(zhǔn)孔板及文丘里管的正負(fù)壓引出管分別冷凝器相連通， 導(dǎo)壓管上連通有取壓閥，導(dǎo)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(diǎn)設(shè)置在標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)置有計算濕蒸汽流量、干度、載熱量的數(shù)學(xué)模
數(shù)學(xué)模型以及IAPWS-IF97汽、水性質(zhì)計算公式模塊。本實(shí)用新型由經(jīng)過標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)孔板、經(jīng)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(zhuǎn)換并傳輸標(biāo)準(zhǔn)信號，標(biāo)準(zhǔn)4 20mA 信號經(jīng)智能型差壓變送器I/V轉(zhuǎn)換成1 5V電壓信號，進(jìn)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(diào)用汽、水性質(zhì)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(zhì)量流量、載熱量，同時對質(zhì)量流量、載熱量進(jìn)行累積運(yùn)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(diào)用，本實(shí)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(zhì)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(fù)計算精度高，而運(yùn)算速度提高4 12倍。 本實(shí)用新型測量方法所采用的數(shù)學(xué)模型公式如下<formula>formula see original document page 4</formula>式中《^是兩相流質(zhì)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(jié)構(gòu)的管道，兩相滑動比s是兩相密度比^;的函數(shù)，因此當(dāng)節(jié)流裝 置的幾何參數(shù)確定后，系數(shù)5應(yīng)只是兩相密度比f的一元函數(shù)，該一元函數(shù)關(guān) 系式由試驗(yàn)確定。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，流經(jīng)兩流量計的質(zhì)量流量相同；管道經(jīng)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(jīng)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(biāo)k代表標(biāo)準(zhǔn)孔板處的參數(shù) 下標(biāo)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(zhì)量流量、載熱量，同時對質(zhì)量流量、載熱量進(jìn)行累積運(yùn)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(diào)用。系統(tǒng)通過D/A通道或 標(biāo)準(zhǔn)通訊接口輸出干度、累積流量，供中央處理器使用。
數(shù)學(xué)模型的修正及補(bǔ)償 數(shù)學(xué)模型的的測試聯(lián)立方程(1)， (2)， (4)， (5)求解，得到關(guān)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(shè)計標(biāo)準(zhǔn)孔板及經(jīng)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(guān)于x的一元二次方程，反解出干度參數(shù)x值，存在兩實(shí)根，一 大一小同在0 1.0的干度有效范圍內(nèi)，在干度0.3 1.0的范圍內(nèi)，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(dǎo)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(biāo)內(nèi) 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(dāng)兩根絕對差值小于0.005時，以兩根的算術(shù)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(wǎng)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(diào)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(wǎng)及井口管線進(jìn)行在線質(zhì)量流量測量、載熱量測量、干度測量同時進(jìn)行 干度調(diào)節(jié)是可行的。 數(shù)學(xué)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(yàn) 裝置上進(jìn)行，經(jīng)過壓力3.0 21MPa，干度0 1.0，質(zhì)量流量3.5 15t/h試驗(yàn)， 獲取大量基礎(chǔ)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(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)，將修正系數(shù)B改進(jìn)為復(fù)合修正及分段 修正方法，測量精度明顯提高達(dá)到±5.0%，最終運(yùn)行結(jié)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(dāng)干度變化 0.05時，質(zhì)量流量偏差小于4.6%，載熱量偏差小于1.3%，根據(jù)計算，質(zhì)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(yùn)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(jìn)行逐一標(biāo)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(xué)模型的補(bǔ)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(bǔ)償措施1) 對汽、水蒸汽密度及比焓進(jìn)行了溫度、壓力的補(bǔ)償計算，并且在補(bǔ)償算法上采用了國際上最新的IAPWS-IF97汽、水性質(zhì)計算模塊，比通常采用的查表 法、插值法、多項(xiàng)式曲線擬合法精度大幅提高。而且與以往的IF-67汽、水性質(zhì) 計算模塊,相比計算精度提高10倍以上，且重復(fù)計算精度高。而運(yùn)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(jìn)行 水流量稱重法標(biāo)定，提高了測量精度。標(biāo)定單位是遼寧省計量科學(xué)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(jìn)行了 在線補(bǔ)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(jìn)行了在線補(bǔ) 償，提高了測量精度。熱流量計算考察標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)層巖棉保溫厚度100mm，導(dǎo)熱系數(shù)0.05W/Mk;外層保護(hù)層厚度15mm，導(dǎo)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(yīng)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(shí)用新型的標(biāo)準(zhǔn)孔板、文丘里管安裝在濕蒸汽管道的示意圖。


圖2為本實(shí)用新型的連接示意圖。圖3為本實(shí)用新型的測量原理示意圖。圖4為本實(shí)用新型數(shù)學(xué)模型的修正及補(bǔ)償用的壓力與干度曲線圖。
具體實(shí)施方式
請參閱圖l、圖2所示，本實(shí)用新型是由標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)壓管7、中央處理 器8、顯示器9組成，標(biāo)準(zhǔn)孔板l、文丘里管2串聯(lián)在濕蒸汽管道10中，標(biāo)準(zhǔn) 孔板1及文丘里管2的正負(fù)壓引出管分別與冷凝器5相連通，導(dǎo)壓管7上連通 有取壓閥6，導(dǎo)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(diǎn)設(shè)置在標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)置有計算濕蒸汽流量、干度、載 熱量的數(shù)學(xué)模型以及IAPWS-IF97汽、水性質(zhì)計算公式模塊。本實(shí)用新型測量方法所采用的數(shù)學(xué)模型公式如下 <formula>formula see original document page 11</formula>式中^^是兩相流質(zhì)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(jié)構(gòu)的管道，兩相滑動比s是兩相密度比f的函數(shù)，因此當(dāng)節(jié)流裝 置的幾何參數(shù)確定后，系數(shù)5應(yīng)只是兩相密度比S的一元函數(shù)，該一元函數(shù)關(guān)系式由試驗(yàn)確定。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，流經(jīng)兩流量計的質(zhì)量流量相同；管道經(jīng)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(jīng)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(biāo)k代表標(biāo)準(zhǔn)孔板處的參數(shù)。 下標(biāo)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(zhì)量流量、載熱量，同時對質(zhì)量流量、載熱量進(jìn)行累積運(yùn)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(diào)用。系統(tǒng)通過D/A通道 或標(biāo)準(zhǔn)通訊接口輸出干度、累積流量，供中央處理器使用。
權(quán)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(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)壓管、中央處理器、顯示器組成，標(biāo)準(zhǔn)孔板、文丘里管串聯(lián)在濕蒸汽管道中，標(biāo)準(zhǔn)孔板及文丘里管的正負(fù)壓引出管分別與冷凝器相連通，導(dǎo)壓管上連通有取壓閥，導(dǎo)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(diǎn)設(shè)置在標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(jīng)過標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)孔板、經(jīng)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(zhuǎn)換并傳輸標(biāo)準(zhǔn)信號，標(biāo)準(zhǔn)4～20mA信號經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換成1～5V電壓信號，進(jìn)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(diào)用汽、水性質(zhì)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(zhì)量流量、載熱量，同時對質(zhì)量流量、載熱量進(jìn)行累積運(yùn)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(diào)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(shí)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(fù)計算精度高，而運(yùn)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(quán)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(shè)備股份有限公司