蒸汽干度测量方法研究

王纬国 吴浩达 葛岢岢

摘要：蒸汽作为一种常见的能量传递介质，在石油、化工、制药、纺织、烟草、民用供热等领域具有广泛应用。准确计量蒸汽干度能够帮助企业及时掌握用能情况、合理配热，提高生产效率，降低成本，强化管理水平。蒸汽干度研究一直是国内外学术热点，多年来设计出多种测量方法并进行实践验证。目前主流的蒸汽干度测量方法分为热力学、非热力学和数学模型法三大种类，本文主要对蒸汽干度计量方法的原理和特点进行分析研究。

关键词：石油化工;蒸汽干度;热力学法;非热力学法

中图分类号：TE355文献标识码：A文章编号：1672-9129（2018）06-0088-02

Research on Measuring Method of Steam Dryness

WANG Weiguo¹*， WU Haoda^2，3， GE Keke⁴

（1. China Petrochemical Co.， Ltd. Jinling Branch， Nanjing， 210000， China; 2. Anhui Zhongkong Instrument Co.， Ltd. Anhui Chizhou， 257000， China）（3.Beijing Gas Group Co.， Ltd. Fifth Branch， Beijing， 1000000， China; 4. Tianjin Oil Cube Technology Co.， Ltd.， Tianjin， 300450， China）

Abstract：As a common energy transfer medium， steam is widely used in petroleum， chemical industry， pharmaceutical industry， textile， tobacco and civil heating. Accurate measurement of steam dry degree can help enterprises to timely grasp the application of energy， reasonable heat distribution， improve production efficiency， reduce cost and strengthen management level. The research of steam dry degree has been a hot topic in China and abroad. At present， the main steam dry degree measurement methods are divided into three categories： thermodynamics， non-thermodynamics and mathematical model. In this paper， the principle and characteristics of the measurement method of steam dryness are analyzed.

Keywords：Petrochemical; Steam dryness; Thermodynamics; Non-thermodynamic

引用：王緯国， 吴浩达， 葛岢岢. 蒸汽干度测量方法研究[J]. 数码设计， 2018， 7（6）： 88-89.

Cite：WU Haoda， WANG Weiguo， GE Keke.Research on Measuring Method of Steam Dryness [J]. Peak Data Science， 2018， 7（6）： 88-89.

引言

蒸汽分为饱和蒸汽和过热蒸汽两种。饱和蒸汽又包括干饱和蒸汽和湿饱和蒸汽。水通过加热先变成湿饱和蒸汽，即湿蒸气。继续加热转变为干饱和蒸汽，干饱和蒸汽是一个临界状态，继续吸热变成过热蒸汽。过热蒸汽与饱和蒸汽的区别在于过热蒸汽中不含液滴或液雾，属于实际气体。

蒸汽发生器把水加热至过热蒸汽会使得水中的盐类物质停留在蒸汽发生器中结垢，降低其使用寿命。因此，实际应用中蒸汽大多为湿饱和蒸汽。湿饱和蒸汽本质属于气液两相流，只测量蒸汽的压力和温度不能确定蒸汽的实际状态，因此需要引入蒸汽干度这一参数。蒸汽干度是指单位质量湿蒸汽中气相所占比例。对于饱和水，蒸汽干度值为0%，此时没有气相。对于干饱和蒸汽和过热蒸汽，干度为100%，此时没有水相。

近年来，国内外很多专家学者对干度测试进行了大量研究。本文对这些计量方法进行了研究和分析。主要将蒸汽干度计量方法分为三类。第一类，热力学法，包括节流法、称重法、加热法、凝结法。第二类，非热力学方法，包括放射法、微波法、光学法、电导率法、电容法、示踪剂法、超声波法、光前光栅法、临界速度法。第三类，数学模型法，包括软测量法、体积变化式测量法。

1  人工化验方法

锅炉中的水加热生成蒸汽，蒸汽中无任何杂质，各种盐类只存在于剩余水和还没有汽化的饱和水中，人工化验法是通过对锅炉的给水与剩余水进行取样，依据二者含盐量的对比，得到蒸汽干度值。通常采用氯根法^[1]进行测量，使用采集装置采集供给水与剩余水试样，向试样中滴加硝酸银溶液，水中盐类物质会与硝酸银溶液发生化学反应，生成氯化银白色沉淀，继续滴加硝酸银溶液，试样会变成砖红色，此时停止滴加硝酸银。通过确定滴入的硝酸银量，可以计算出锅炉给水与剩余水的氯化物含量，这二者的比值即为锅炉所产蒸汽干度。

此方法简单，精确度相对较高，但分析需要时间较长，不能实时在线，测量结果还会受操作精细程度、熟练程度的影响。

2  热力学法

热力学法采用的是与热力学有关的理论来测量蒸汽干度。依据热力学原理测量蒸汽干度共同特点是都要对蒸汽进行取样，把取样蒸汽引向测量段进行测量，取样蒸汽的测量结果即代表管线中蒸汽的干度。

2.1  节流法

节流法是利用孔板等流量节流器来测量蒸汽干度。蒸汽流过节流件压力降低，使得节流后的蒸汽在该温度压力下处于过热状态，采集蒸汽节流前后的温度和压力，建立热力学守恒方程计算蒸汽干度。德国的Kahl核电站及Biblis核电站中用节该方法测量蒸汽湿度。国内西安热工研究院利用该原理研制了多级节流孔板的节流式量热计^[2]。

节流法原理简单，容易实现。但该方法前提是假设湿蒸汽是在绝热条件下进行节流，节流前后蒸汽焓值不变，但实际应用中，热量损失不可避免。

2.2  称重法

通过特定采集装置采集一定体积V的蒸汽，将蒸汽冷凝成水，称重其质量为G，该质量即为采样蒸汽实际质量。湿蒸汽比容v=V/G，通过测量蒸汽温度与压力，利用IAPWS-IF97公式或查表法计算该温度、压力下饱和水比容v₁和饱和蒸汽比容v₂。下列公式计算出蒸汽干度x：

（1）

2.3  加热法

加热法测量蒸汽干度，是利用采样装置抽取部分待测蒸汽，在特定装置下将采样蒸汽加热成过热蒸汽，测量加热前后蒸汽的压力和温度，计算该状态下的蒸汽的焓值，同时测量待测蒸汽试样的质量及加热成过热蒸汽需要的热量，进而计算出蒸汽干度值：

x=f（Q，q，m，h_l，h_g，h₂）                （2）

式中：x-干度值;h_l-加熱装置入口饱和水比焓;h_g-加热装置入口饱和蒸汽焓值;Q-加热量;q-散热量;m：采样蒸汽流量;h₂-加热装置出口端焓值;

英国电力中心实验室利用该方法研制了过热式量热计。西安交通大学的李炎锋设计一套新型双层套管结构，加热蒸汽试样。

但整个过程不能保证装置是绝热的，热量散失越大，计算结果误差就越大，修正工作也很复杂。如果解决散热问题，该方法在测量精度上将会有很大的改善。

2.4  凝结法

凝结法与加热法测量原理相反，它是将蒸汽到导入至冷凝器中，与冷却水进行换热将蒸汽冷凝结成水。通过测量一定时间内冷却水的吸热量、冷却水的质量，采样蒸汽的质量，以及蒸汽与冷却水变化前后的温度和压力等参数。利用能量守恒计算蒸汽干度。英国GEC公司研制的冷凝式量热计就是基于凝结法来测量蒸汽湿度。西北工业大学李世武教授也以该方法为基础研制了蒸汽干度的计量装置^[4]。

3  非热力学法

非热力学法包含的测量方法很多，有微波法、光学法、电导率法、电容法、示踪法、超声波法、光纤光栅法等^[5]。

3.1  微波法

微波是指特定波长的电磁波，传输性能良好，受温度、灰尘、强光等影响很小。微波检测是由发射天线发射微波，遇到被测物时微波被吸收或者反射，使功率发生变化，再利用接收天线，接收通过被测物体或由被测物反射回来的微波，并将它转换成电信号，再由测量电路测量和指示。

蒸汽干度的变化会影响蒸汽介质介电常数，通过测量一些与介电常数密切相关的物理量，如功率衰减、相位变化和谐振频率等，就能够判断湿蒸汽干度值，Toropainen等人提出了一种基于共振扰动技术的电磁湿度计^[6]。Rouleau等人提出了微波差分技术，提高了测量精度^[6]。

3.2  光学法

光学测量法是根据光线对蒸汽折射率的响应，通过对蒸汽中气液两相折射率采样、分析，得到气液两相比例、密度，由折射率的响应进一步计算得出其干度^[7]。

3.3  电导率法

盐类在水中的浓度不同，其导电能力也不相同。通过测量供给水与剩余水中电导率的不同来推导锅炉发生器所产蒸汽的干度值^[8]。

3.4  电容法

电容器在其他条件不变的情况下，电容量的大小只与电容器内电介质的介电常数大小有关^[9]。

电容传感器的充放电频率与蒸汽干度间的关系式可表示为：

x=F（ψ）                        （3）

式中：ψ-饱和蒸汽通过电容器时的频率值f₀与湿蒸汽通过电容器时的频率f值之差，ψ=f₀-f。具体的函数关系F可以通过电容器标定系统进行确定。

3.5  示踪法

示踪法^[10]有两种，一种是化学离子示踪法，一种是放射性元素示踪法，示踪法可用于蒸发器和锅炉的蒸汽干度测量，其原理是在锅炉给水中添加某种化学物质或放射性物质，水在高温下会蒸发，被带入蒸汽中的水滴里会溶入添加物的离子或放射性元素，通过测量给水中添加物的浓度与剩余水中添加物的浓度，便可以确定蒸汽干度。

3.6  超声波法

声波在气液两相流中的传播速度与气液两相的各相含量有关，声波在蒸汽中的传播速度采用Wood绝热声速进行计算：

（4）

（5）

式中：c1—该工况下饱和蒸汽的声速;ρg—饱和蒸汽的密度;ρw—饱和水的密度;ρ—两相湿蒸汽的密度;x—蒸汽干度;

通过超声波传感器检测出声波在蒸汽中的速度c，进而计算得到蒸汽干度^[11]。

3.7  光纤光栅法

光纤光栅的折射率和周期受蒸汽干度的影响，进而影响反射光波长，蒸汽干度变化时，反射光波长会发生漂移;通过测量反射光波长漂移量来确定蒸汽干度。

4  数据融合法

数据融合法是以智能算法为基础，比如人工神经网络理论、模糊数学方法、蚁群优化、支持向量机^[12]。通过采集蒸汽的温度，压力以及其他等輔助参数作为输入参数，利用模型内部计算输出蒸汽干度。

该方法需要通过训练集训练模型，室内进行大量的实验提高精度。

5  结束语

蒸汽干度测量是计量领域的难点，经过多年研究，科研人员在各个方法上都进行过试验，但目前还没有较成熟的技术和产品可以规模使用。各个技术都具有各自的优势，但也都存在着较大的应用局限性。

从研究的历程来看，单一的计量技术实现蒸汽的高精度计量难度较大，未来通过多种技术融合，以现有的智能模型为基础，实现蒸汽干度准确计量将会是成为新的发展方向。

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