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        雙V錐組合測量飽和濕蒸汽的干度及流量研究

        2014-11-14 02:47:12
        當(dāng)代化工 2014年2期
        關(guān)鍵詞:干度組合體排量

        張 純 靜

        (中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院, 重慶 400016)

        V錐流量計(jì)出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代中期,它是根據(jù)差壓原理來測量流體流量的一種節(jié)流元件[1],以前的節(jié)流裝置都是將通過流體收縮到管道的中心線附近,而該流量計(jì)利用安裝在管道中的V錐體將流體逐漸地收縮到管道側(cè)壁處。由于流體被節(jié)流,所以在V錐體前后流體出現(xiàn)差壓,再根據(jù)差壓理論就可計(jì)算流體流量。

        1 雙V錐測量飽和濕蒸汽干度的算法的提出

        圖1 井口雙V錐節(jié)流元件示意圖Fig.1 Schematic diagram of wellhead double V-cone throttling components

        如圖1所示,在注汽管線上的安裝規(guī)格和結(jié)構(gòu)不同的兩個(gè)V錐元件,由于兩個(gè)測量單元安裝在同一個(gè)管線中,并且距離非常的近,所以,流經(jīng)前后兩個(gè)測量單元的蒸汽質(zhì)量流量相同、蒸汽體積流量和蒸汽干度也可視為相等。由此,通過雙V錐蒸汽體積流量公式聯(lián)立方程即可得到蒸汽干度值,再利用蒸汽干度和體積流量計(jì)算出蒸汽質(zhì)量流量[2]。

        蒸汽流過單V錐體積流量公式為:

        式中:x—蒸汽干度。

        由(1)可知,V錐蒸汽體積流量基礎(chǔ)計(jì)算模型中蒸汽體積流量與 有關(guān),于是將(1)變換成如下:

        由式(2)和式(3)整理,最終單V錐蒸汽體積流量公式:

        從(5)中可見DP,Ps是測量出來,只要qv和Ci已知即可得干度x值(采用雙V錐再去掉一個(gè)未知量qv)。

        2 雙V錐測量濕蒸汽的算法模型

        建立雙V錐測量蒸汽干度計(jì)算模型。由于兩個(gè)V錐安裝距離近,可認(rèn)為蒸汽體積流量和干度值相等,所以可推導(dǎo):

        前V錐的體積流量可如下計(jì)算得:

        后V錐的體積流量可如下計(jì)算得:

        由式(6)和式(7)整理可得雙V錐測量蒸汽干度計(jì)算模型為:

        式(8)中的DP,Ps測量出來,如果知道,即可得到蒸汽干度值。蒸汽干度已知,將其代入體積方程(2)即可得到蒸汽體積流量 qv,蒸汽密度 r=f(x, Ps),所以可計(jì)算得到質(zhì)量流量qm= qv×r,、可通過不同排量,不同蒸汽干度試驗(yàn)獲取。

        3 算法模型中影響因子的獲取

        將雙 V錐安裝在鍋爐出口管線附近如圖 2所示。由于鍋爐出口安裝蒸汽干度監(jiān)測裝置,所以鍋爐出口的蒸汽干度x和蒸汽體積流量qv可知。雙V錐與鍋爐出口間管道內(nèi)的熱損失和壓力降很小可以忽略。所以雙V錐處的蒸汽干度和蒸汽體積流量可認(rèn)為與鍋爐出口的相等。

        圖2 鍋爐出口雙V錐節(jié)流元件示意圖Fig.2 Schematic diagram of the boiler export double V cone throttling components

        由式(8)可知蒸汽干度計(jì)算公式為:

        V錐1常系數(shù)線性方程組為:

        V錐2常系數(shù)線性方程組為:

        4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        4.1 單個(gè)V錐蒸汽干度檢測對比

        數(shù)據(jù)分析中首先對單V錐蒸汽干度值檢測的準(zhǔn)確性進(jìn)行比對。三批數(shù)據(jù)共140個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)所對應(yīng)的前V錐、后V錐檢測蒸汽干度值和手工化驗(yàn)干度值作如圖3所示。

        圖3 φ89×13規(guī)格單V錐干度對比圖Fig.3 Contrast figure ofφ89×13 specification single V cone dryness

        圖3中橫坐標(biāo)為φ89×13規(guī)格雙V錐組合體試驗(yàn)總數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù),均勻分布,縱坐標(biāo)為蒸汽干度值,藍(lán)色為手工化驗(yàn)干度值曲線,粉紅色為前V錐監(jiān)測干度值曲線,綠色為后V錐監(jiān)測干度值曲線。從三個(gè)干度值曲線中可以看出,兩個(gè)單V錐干度值檢測綜合相對誤差在2%以內(nèi)。

        4.2 算法影響因子的求解與修正

        為了尋找影響因子的規(guī)律,將φ89×13規(guī)格雙V錐組合體試驗(yàn)得到的三批數(shù)據(jù)中,每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的所對應(yīng)的蒸汽干度、蒸汽壓力、給水流量、前V錐差壓值和后V錐差壓值代入(12),列出線性方程組求解影響因子,并將所求出的影響因子作了規(guī)律曲線。

        圖4 φ89×13規(guī)格雙V錐組合體影響因子曲線Fig.4 Impact factor curves of double V cone combination of φ89×13 Specifications

        如圖4所示,橫坐標(biāo)為蒸汽的蒸干度值,縱坐標(biāo)為影響因子。試驗(yàn)在工況狀態(tài)下,改變排量分別為 18、17、16和15 t/h,并且干度從0.85至0.55中的所測點(diǎn),干度以手工化驗(yàn)為準(zhǔn)。將不同排量、不同干度下所求解的前V錐影響因子C1和C2,后V錐影響因子C1和C2的規(guī)律曲線作出。

        并回歸得到前V錐影響因子C2多項(xiàng)式方程:

        回歸得到后V錐影響因子C2多項(xiàng)式方程:

        4.3 算法影響因子規(guī)律的應(yīng)用

        從上述的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中獲得了前 V錐影響因子C1、C2和后V錐的影響因子C1、C2規(guī)律曲線方程后,將其代入雙V錐的組合公式中,求解第三批數(shù)據(jù)測量的蒸汽干度值,并與實(shí)際測量值比較,以此比對測量算法的精確度。比較結(jié)果如下圖5所示。從圖5中可見測量誤差在8%~10%左右。由于誤差較大需要對數(shù)據(jù)重新分析。

        圖5 φ89×13規(guī)格影響因子應(yīng)用后所測干度曲線Fig.5 Test dryness curves ofφ89×13 specifications applied after the impact factor

        4.4 提高測量精度的相關(guān)數(shù)據(jù)分析

        為了提高蒸汽干度的測量精度,減少算法誤差,重新對數(shù)據(jù)進(jìn)行了影響因子與汽液密度比,干度與差壓值,干度與雙V錐差壓的比值、干度與雙V錐的差壓的差值進(jìn)行了分析。

        4.4.1 影響因子與汽液密度比的關(guān)系

        汽液密度比與影響因子的關(guān)系,體現(xiàn)了系統(tǒng)算法中蒸汽壓力和蒸汽干度對影響因子的相互關(guān)聯(lián)影響(圖6)。

        圖6 φ89×13影響因子與汽液密度比關(guān)系曲線Fig.6 Ratio relation curves of impact factor and steam liquid density ofφ89×13

        將雙V錐組合體φ89×13規(guī)格的雙V錐檢測段,相關(guān)三批試驗(yàn)數(shù)據(jù)作成如圖6所示的曲線,橫坐標(biāo)為蒸汽的汽液密度比,縱坐標(biāo)為影響因子。試驗(yàn)在工況狀態(tài)下,改變排量分別為18 t/h至15 t/h,并且干度從0.85至0.55中的所測點(diǎn),干度以手工化驗(yàn)為準(zhǔn),回歸影響因子曲線。汽液密度比值實(shí)質(zhì)上體現(xiàn)了飽和壓力的變化,當(dāng)壓力變大時(shí),汽液密度比值會越大,相反壓為變小時(shí)汽液密度比值會越小,所以,汽液密度比值對干度的影響應(yīng)是蒸汽壓力對干度影響的體現(xiàn)。

        4.4.2 單位排量下前后V錐壓差差值與蒸汽干度的關(guān)系

        圖7 單位排量下前后V錐壓差與干度關(guān)系Fig.7 Relation of volume double V cone pressure difference and the dryness per unit output

        將φ89×13規(guī)格雙 V錐組合體試驗(yàn)得到的三批數(shù)據(jù)中,從排量為18 t/h至15 t/h的排量,干度從0.85至0.55所測得的數(shù)據(jù)中,分析在單位排量下前后V錐差壓的差值與蒸汽干度關(guān)系,并用線性回歸出規(guī)律方程,如圖7所示。該曲線不僅能體現(xiàn)排量對干度的影響規(guī)律,也能體現(xiàn)雙V錐差壓值對干度影響規(guī)律。

        4.4.3 雙V錐壓差與蒸汽干度的關(guān)系

        φ89×13規(guī)格雙V錐組合體試驗(yàn)得到的三批數(shù)據(jù)中,雙V錐壓差與蒸汽干度的關(guān)系如圖8所示。

        從φ89×13雙V錐組合體的前后壓差與蒸汽干度關(guān)系曲線中可知,相同排量下干度越高壓差越大;相同干度下排量越高壓差越大。

        圖8 不同排量下前后V錐壓差與干度關(guān)系Fig.8 Relation of double V cone pressure difference and the dryness of different output

        4.4.4 雙V錐壓差比值與蒸汽干度的關(guān)系

        φ89×13規(guī)格雙V錐組合體試驗(yàn)得到的三批數(shù)據(jù)中,前V錐壓差和后V錐壓差比值與蒸汽干度的關(guān)系如圖9所示。

        圖9 不同排量下壓差比值與干度關(guān)系Fig.9 Relation of volume pressure differential ratio and the dryness relation of different output

        從φ89×13雙V錐組合體的前后壓差比值與蒸汽干度關(guān)系曲線中看出,雙V錐組合體的前后壓差比值近乎常數(shù),其值大小受蒸汽干度和蒸汽流量影響不大,而與組合體的雙V錐結(jié)構(gòu)有關(guān)。

        5 結(jié) 論

        通過“雙V錐”現(xiàn)場試驗(yàn)研究以及對數(shù)據(jù)的分析,可以得到以下的試驗(yàn)結(jié)論:

        (1)雙 V錐井口濕蒸汽干度在線測量相對誤差≤4%;

        (2)雙 V錐井口濕蒸汽質(zhì)量流量在線測量相對誤差≤3%;

        (3)在體積變化式蒸汽干度檢測方法的基礎(chǔ)上,通過改進(jìn)干度和流量的計(jì)算模型,比如將其他的數(shù)學(xué)計(jì)算方法應(yīng)用到該模型,或許計(jì)算精度會更高;

        (4)實(shí)現(xiàn)在線計(jì)量、測量精度高、使用靈活可靠。

        [1]孫淮清,王建中.流量測量節(jié)流裝置手冊(第二版)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2005:1-213.

        [2]Stewart D.G.,Hodges D.Wet gas metering with V-Cone meters[R].North sea flow measurement workshop 22nd-25th,2002.

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