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(guó)最具規(guī)模的化學(xué)工業(yè)園區(qū)，園區(qū)集聚了國(guó)內(nèi)外眾多在國(guó)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(duì)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(jī)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(jì)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(fù)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(yùn)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(wú)序變化，導(dǎo)致管網(wǎng)運(yùn)行的安全性不受控，向用戶供熱的可靠性和合同參數(shù)無(wú)法得到保證。管網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性不受控，各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和運(yùn)行參數(shù)偏離設(shè)計(jì)。由此可見(jiàn)，如此規(guī)模的熱網(wǎng)其實(shí)是一個(gè)無(wú)法調(diào)控的熱網(wǎng)，是一個(gè)被動(dòng)運(yùn)行的熱網(wǎng)[2,3]。從國(guó)內(nèi)調(diào)研及國(guó)外資料的查詢，熱網(wǎng)運(yùn)行模式和特性均和上?；^(qū)熱網(wǎng)大致相同，但是上?；^(qū)熱網(wǎng)的運(yùn)行要求遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)外同類型的熱網(wǎng)。因此相關(guān)熱網(wǎng)在線運(yùn)行仿真系統(tǒng)近幾年成為研究熱點(diǎn)。有文獻(xiàn)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)接，完成了供熱系統(tǒng)的在線運(yùn)行仿真，獲得全網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)（溫度、壓力、流向、流量）的理論值[4,5]。

本文的研究?jī)?nèi)容分兩個(gè)方面，一是對(duì)工業(yè)園區(qū)供熱管網(wǎng)系統(tǒng)中蒸汽供熱管道流動(dòng)情況進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，研制能同時(shí)測(cè)量管道內(nèi)過(guò)熱蒸汽流速、流向以及溫度、壓力的集成探針，對(duì)高溫高壓的過(guò)熱蒸汽狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線測(cè)量，以獲得真實(shí)的供熱管道內(nèi)部參數(shù)，從監(jiān)測(cè)試驗(yàn)角度掌握熱網(wǎng)管道上的流動(dòng)狀態(tài)。二是針對(duì)供熱管網(wǎng)管道損失的實(shí)際情況，采用基于傳熱學(xué)的流量計(jì)算方法，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)加裝溫度測(cè)點(diǎn)來(lái)測(cè)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(jì)量的問(wèn)題。

1 測(cè)量原理和方法

1.1 供熱管道在線測(cè)量原理與方法

綜合考慮測(cè)試需求和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)境，測(cè)試系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖1。采用模塊化設(shè)計(jì)，分為三大模塊，一是多功能蒸汽測(cè)試集成探針，用于同時(shí)測(cè)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(hào)數(shù)據(jù)采集和無(wú)線傳輸；三是測(cè)試終端，搭配有無(wú)線數(shù)據(jù)通訊模組的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)上位機(jī)。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)示意圖

多參數(shù)蒸汽測(cè)試集成探針中蒸汽溫度和壓力的測(cè)量采用溫度和壓力變送器實(shí)現(xiàn)。蒸汽速度的測(cè)量采用以下原理：常見(jiàn)的管道內(nèi)氣體流速測(cè)量方法為皮托管法，即通過(guò)測(cè)量管道中某一處的全壓和靜壓，再通過(guò)伯努利方程計(jì)算得到氣流流速。但此方法只能測(cè)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(dòng)探針，用于測(cè)量壓力和速度。

探針為L(zhǎng) 形，分為引壓延伸段、豎直段和水平段。引壓延伸段長(zhǎng)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(zhǎng)420 mm，可以滿足管徑不大于800 mm 的管道蒸汽參數(shù)的測(cè)試需求；水平段總長(zhǎng)110 mm，端部布置有5 個(gè)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(guò)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(cè)量過(guò)程中因熱對(duì)流引起的測(cè)量誤差。

圖2 多參數(shù)蒸汽測(cè)量集成探針

如圖3 所示，圓柱三孔型復(fù)合測(cè)壓管是在圓柱體的同一橫截面的表面上開(kāi)有三個(gè)感壓孔，各自用傳壓管將壓強(qiáng)引至測(cè)壓計(jì)上，測(cè)得三孔的壓強(qiáng)即可測(cè)量。

圖3 多孔探針端部引壓孔布置示意圖

兩個(gè)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(duì)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(gè)方向孔在同一平面內(nèi)呈直角分布。

三孔測(cè)速管探頭上的感壓孔布置為：兩個(gè)方向孔在同一平面內(nèi)呈直角分布，總壓孔開(kāi)設(shè)在兩個(gè)方向孔的角平分線。實(shí)際測(cè)量時(shí)，將探頭插入氣流中，慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)桿管，直到兩個(gè)方向孔P1和P3所感受到的壓力相等，使被校準(zhǔn)測(cè)壓管1，2，3 孔中感受的壓力。這時(shí)，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(shí)，氣流的速度V 和靜壓P 的關(guān)系為：

測(cè)壓管某原始位置到轉(zhuǎn)動(dòng)至最后位置間的角度，即測(cè)得氣流的方向。

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

1.2 小流量蒸汽測(cè)量原理和方法

常見(jiàn)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(jì)量閥有泄漏時(shí)，管內(nèi)將有溫度高于周圍環(huán)境溫度的蒸汽或水流動(dòng)。

圖4 熱網(wǎng)蒸汽管道構(gòu)造圖

管內(nèi)流體通過(guò)管壁與管外保溫層向外散發(fā)熱量，若蒸汽流量不變時(shí)，傳熱過(guò)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(guò)對(duì)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(jìn)行對(duì)流換熱將熱量傳遞至周圍空氣。管內(nèi)工質(zhì)通過(guò)管壁和保溫層以對(duì)流—導(dǎo)熱—導(dǎo)熱—對(duì)流向外傳熱，通常認(rèn)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(jìn)口工質(zhì)溫度t0已知，則可根據(jù)以上參數(shù)計(jì)算由于工質(zhì)流動(dòng)導(dǎo)致的散熱損失，從而計(jì)算管內(nèi)流體的流速和流量。

圖5 傳熱過(guò)程圖

四個(gè)傳熱過(guò)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(guò)溫度測(cè)量元件測(cè)量可知，其他相關(guān)參數(shù)：進(jìn)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(dòng)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(dòng)力黏度、Pr 數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)可通過(guò)計(jì)算或者測(cè)量得到。方程最終計(jì)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(jì)算的要求，計(jì)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(cè)量測(cè)試要求。在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中，對(duì)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(cè)點(diǎn)最為適宜，既能判斷閥門處流動(dòng)狀態(tài)的變化，且能使來(lái)流蒸汽或水不受閥門擾流特性影響；（2）熱電偶安裝時(shí)，保溫層與管道外壁之間無(wú)空隙，這是因?yàn)槟Ｐ涂紤]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(duì)流換熱情況，勢(shì)必導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)誤差。

2 測(cè)量結(jié)果

2.1 供熱管道多參數(shù)在線測(cè)量數(shù)據(jù)

利用多功能蒸汽測(cè)試集成探針在供熱管網(wǎng)上開(kāi)展測(cè)量試驗(yàn)，蒸汽壓力變化趨勢(shì)如圖6所示，三小時(shí)內(nèi)的蒸汽壓力比較穩(wěn)定，均值為2．32 MPa，實(shí)時(shí)壓力波動(dòng)范圍在0．6%以內(nèi)。

圖6 蒸汽壓力變化趨勢(shì)圖

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

圖7 蒸汽溫度變化趨勢(shì)圖

蒸汽流速變化趨勢(shì)如圖8 所示，三小時(shí)內(nèi)的蒸汽流速波動(dòng)較大，上下波動(dòng)范圍在3%以內(nèi)，經(jīng)分析，除了正常的流速波動(dòng)之外，測(cè)量過(guò)程中的流動(dòng)方向誤差，可能導(dǎo)致計(jì)算流速誤差偏大。

圖8 蒸汽速度變化趨勢(shì)圖

2.2 小流量蒸汽測(cè)量數(shù)據(jù)

表1給出了某時(shí)間段內(nèi)高壓蒸汽的管道測(cè)量溫度、計(jì)算流量與表計(jì)流量的數(shù)據(jù)(某半小時(shí)內(nèi)均值)。表計(jì)溫度裝置安裝在計(jì)量站之后，用于評(píng)價(jià)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(jì)溫度作為模型計(jì)算中的蒸汽溫度。

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比

從表1可見(jiàn)，熱用戶C 處于無(wú)供熱狀態(tài)，因此表計(jì)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(chǎng)安裝熱電偶的測(cè)量溫度與表計(jì)溫度相接近，利用表計(jì)溫度作為來(lái)流溫度，代入模型計(jì)算，得出計(jì)算流量值，與表計(jì)流量相比，誤差處于合理的范圍之內(nèi)。

3 總結(jié)

本文對(duì)工業(yè)園區(qū)供熱管網(wǎng)系統(tǒng)中蒸汽供熱管道流動(dòng)情況進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，研制能同時(shí)測(cè)量管道內(nèi)過(guò)熱蒸汽流速、流向以及溫度、壓力的集成探針，對(duì)高溫高壓的過(guò)熱蒸汽狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線測(cè)量，以獲得真實(shí)的供熱管道內(nèi)部參數(shù)，從監(jiān)測(cè)試驗(yàn)角度掌握熱網(wǎng)管道上的流動(dòng)狀態(tài)。此外，針對(duì)供熱管網(wǎng)管道損失的實(shí)際情況，采用基于傳熱學(xué)的流量計(jì)算方法，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)加裝溫度測(cè)點(diǎn)來(lái)測(cè)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(jì)量的問(wèn)題。

結(jié)果表明本測(cè)試方法能有效測(cè)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(yàn)數(shù)據(jù)支撐。