凝結式蒸汽干度儀優化設計

趙豐君

摘要：依據能量守恒原理以及凝結式干度儀測量原理，提出了提高凝結式干度儀測量精度與靈敏度的優化設計思路，根據優化設計的思路，設計研制得到了凝結式蒸汽干度儀，并通過測量實驗，驗證了該蒸汽干度儀達到了設計目標，具有較高的準確性和靈敏度。

關鍵詞：濕蒸汽;凝結式于度儀;優化設計

一、引言

國內在稠油開采中，普遍采用蒸汽吞吐方式。濕蒸汽干度對稠油開發有著決定性的作用，由于供油系統及其他問題的影響，蒸汽干度波動大的問題一直困擾著稠油開發的管理者。常規的蒸汽干度測量方法是化學滴定法，人工因素造成測量的不一致性和不確定性，導致注汽干度管理相對粗放，并由此可能產生能源的浪費和注汽質量的不穩定，不連續的人工測量無法為自動控制蒸汽干度提供實時數據;為降低熱采成本、提高效率，從監測、管理角度，濕蒸汽的干度在線檢測控制勢在必行[1-2]。

由于濕蒸汽干度是汽液兩相流特有的參量，它與注汽鍋爐多個運行參數有復雜的內在聯系，同時檢測的噪聲很多，所以不能像壓力和溫度那樣直接測量。雖然在實際應用中很重要，但由于兩相流型的復雜性和汽液之間的相變，使得干度的測量成為國際上一直沒有很好解決的一個難題。

目前，蒸汽干度測量的主要控制和測量方法有數學模型類、現場人工化驗法、熱力學類和非熱力學類[3]。

二、凝結式干度儀測量原理

干度儀的示意圖如圖1所示。從圖1中可以知道，假定濕蒸汽管道中入口焓值為h，換熱后焓值為h，取樣流量為W，二次側冷卻水入口焓值為h，出口燴值為h，流量為W。在考慮熱量損失的情況下，盡管間壁式換熱器采取了良好的保溫，但也不可避免會對外界有少許散熱。在實驗之前，先通過單相水和單相汽對干度儀進行熱平衡測試，獲得熱效率η。根據能量守恒方程;

從而可以計算出鍋爐出口的干度值。

對式（4）進行變換，則可以把二次側恰值變化表示為：

從上式中可以看到，二次側出口溫度T的變化量△T是△x的函數，而且△T隨△x的變化關系主要取決于k值（即一、二次側的流量之比）和一次側濕蒸汽出口焓值的變化量△h。當W遠遠大于W（即k非常大）時，或者當△h非常大時，同時△x變化較小時，二次側出口溫度的變化量△T會非常的小，導致干度計不能靈敏地測量出鍋爐出口濕蒸汽的干度變化。所以，進行凝結式干度測量儀必須確保即使樣品濕蒸汽的干度發生微弱變化時，二次側冷卻水的出口溫度明顯變化較大，能夠被熱電偶準確測量。

三、干度測量裝置優化設計

優化的路線如圖2所示。首先確定優化目標，指的是濕蒸汽干度的變化量對二次側冷卻水出口溫度的影響程度。例如，本次優化的目標是確保△x=0.02時，△T≥2℃;其次，設定濕蒸汽出口焓值不變，即△h=0，根據能量守恒，計算得到一次側與二次側之間的流量比，該流量比是影響△T的關鍵參數;最后根據確定的一、二次側流量，結合其他位置的熱工參數以及一些約束條件就可以確定干度儀間壁式換熱器的最小換熱面積。約束條件主要包括兩個，第一個是一次側濕蒸汽出口溫度要低于對應壓力下的飽和水溫度，第二個是二次側冷卻水出口溫度要低于對應壓力下的飽和水溫度。這兩個約束條件是為了確保熱電偶對上述兩處的流體溫度測量的準確性。

四、結論

（1）凝結式蒸汽干度測量方法具有測量原理簡單、受待測蒸汽參數影響小、干度測量范圍寬的特點，并能在工程實時測量中應用。

（2）為了提高凝結式蒸汽干度測量的準確性和靈敏度，提出了一種優化設計凝結式蒸汽干度儀的方法。

（3）根據優化設計的思路，設計研制得到了凝結式蒸汽干度儀，并通過測量實驗，驗證了該蒸汽干度儀達到了設計目標，具有較高的準確度和靈敏度。

參考文獻：

[1]張明岳，于云華，時海濤.稠油熱采鍋爐遠程監測系統的方案設計[J].化工自動化及儀表，2011，38（10）：1174-1176.

[2]柳富明，黃婷萍，申龍涉，于顯永，谷文淵.油田熱注蒸汽干度測量方法的研究進展[J].化工自動化及儀表，2012第39卷：151-155.

[3]徐英，吳經緯，楊會峰，等.內錐流量計流出系數預測方法研究[J].計算力學學報2009，26（5）：727-733.