双V锥组合测量饱和湿蒸汽的干度及流量研究

张 纯 静

（中煤科工集团重庆设计研究院， 重庆 400016）

V锥流量计出现在20世纪80年代中期，它是根据差压原理来测量流体流量的一种节流元件[1]，以前的节流装置都是将通过流体收缩到管道的中心线附近，而该流量计利用安装在管道中的V锥体将流体逐渐地收缩到管道侧壁处。由于流体被节流，所以在V锥体前后流体出现差压，再根据差压理论就可计算流体流量。

1 双V锥测量饱和湿蒸汽干度的算法的提出

图1 井口双V锥节流元件示意图Fig.1 Schematic diagram of wellhead double V-cone throttling components

如图1所示，在注汽管线上的安装规格和结构不同的两个V锥元件，由于两个测量单元安装在同一个管线中，并且距离非常的近，所以，流经前后两个测量单元的蒸汽质量流量相同、蒸汽体积流量和蒸汽干度也可视为相等。由此，通过双V锥蒸汽体积流量公式联立方程即可得到蒸汽干度值，再利用蒸汽干度和体积流量计算出蒸汽质量流量[2]。

蒸汽流过单V锥体积流量公式为：

式中：x—蒸汽干度。

由（1）可知，V锥蒸汽体积流量基础计算模型中蒸汽体积流量与 有关，于是将（1）变换成如下：

由式（2）和式（3）整理，最终单V锥蒸汽体积流量公式：

从（5）中可见DP，Ps是测量出来，只要qv和Ci已知即可得干度x值（采用双V锥再去掉一个未知量qv）。

2 双V锥测量湿蒸汽的算法模型

建立双V锥测量蒸汽干度计算模型。由于两个V锥安装距离近，可认为蒸汽体积流量和干度值相等，所以可推导：

前V锥的体积流量可如下计算得：

后V锥的体积流量可如下计算得：

由式（6）和式（7）整理可得双V锥测量蒸汽干度计算模型为：

式（8）中的DP，Ps测量出来，如果知道，即可得到蒸汽干度值。蒸汽干度已知，将其代入体积方程（2）即可得到蒸汽体积流量 qv，蒸汽密度 r=f(x, Ps)，所以可计算得到质量流量qm= qv×r，、可通过不同排量，不同蒸汽干度试验获取。

3 算法模型中影响因子的获取

将双 V锥安装在锅炉出口管线附近如图 2所示。由于锅炉出口安装蒸汽干度监测装置，所以锅炉出口的蒸汽干度x和蒸汽体积流量qv可知。双V锥与锅炉出口间管道内的热损失和压力降很小可以忽略。所以双V锥处的蒸汽干度和蒸汽体积流量可认为与锅炉出口的相等。

图2 锅炉出口双V锥节流元件示意图Fig.2 Schematic diagram of the boiler export double V cone throttling components

由式（8）可知蒸汽干度计算公式为：

V锥1常系数线性方程组为：

V锥2常系数线性方程组为：

4 试验结果及分析

4.1 单个V锥蒸汽干度检测对比

数据分析中首先对单V锥蒸汽干度值检测的准确性进行比对。三批数据共140个试验点数据所对应的前V锥、后V锥检测蒸汽干度值和手工化验干度值作如图3所示。

图3 φ89×13规格单V锥干度对比图Fig.3 Contrast figure ofφ89×13 specification single V cone dryness

图3中横坐标为φ89×13规格双V锥组合体试验总数据点数，均匀分布，纵坐标为蒸汽干度值，蓝色为手工化验干度值曲线，粉红色为前V锥监测干度值曲线，绿色为后V锥监测干度值曲线。从三个干度值曲线中可以看出，两个单V锥干度值检测综合相对误差在2%以内。

4.2 算法影响因子的求解与修正

为了寻找影响因子的规律，将φ89×13规格双V锥组合体试验得到的三批数据中，每个试验点的所对应的蒸汽干度、蒸汽压力、给水流量、前V锥差压值和后V锥差压值代入(12)，列出线性方程组求解影响因子，并将所求出的影响因子作了规律曲线。

图4 φ89×13规格双V锥组合体影响因子曲线Fig.4 Impact factor curves of double V cone combination of φ89×13 Specifications

如图4所示，横坐标为蒸汽的蒸干度值，纵坐标为影响因子。试验在工况状态下，改变排量分别为 18、17、16和15 t/h，并且干度从0.85至0.55中的所测点，干度以手工化验为准。将不同排量、不同干度下所求解的前V锥影响因子C1和C2，后V锥影响因子C1和C2的规律曲线作出。

并回归得到前V锥影响因子C2多项式方程：

回归得到后V锥影响因子C2多项式方程：

4.3 算法影响因子规律的应用

从上述的试验数据中获得了前 V锥影响因子C1、C2和后V锥的影响因子C1、C2规律曲线方程后，将其代入双V锥的组合公式中，求解第三批数据测量的蒸汽干度值，并与实际测量值比较，以此比对测量算法的精确度。比较结果如下图5所示。从图5中可见测量误差在8%～10%左右。由于误差较大需要对数据重新分析。

图5 φ89×13规格影响因子应用后所测干度曲线Fig.5 Test dryness curves ofφ89×13 specifications applied after the impact factor

4.4 提高测量精度的相关数据分析

为了提高蒸汽干度的测量精度，减少算法误差，重新对数据进行了影响因子与汽液密度比，干度与差压值，干度与双V锥差压的比值、干度与双V锥的差压的差值进行了分析。

4.4.1 影响因子与汽液密度比的关系

汽液密度比与影响因子的关系，体现了系统算法中蒸汽压力和蒸汽干度对影响因子的相互关联影响（图6）。

图6 φ89×13影响因子与汽液密度比关系曲线Fig.6 Ratio relation curves of impact factor and steam liquid density ofφ89×13

将双V锥组合体φ89×13规格的双V锥检测段，相关三批试验数据作成如图6所示的曲线，横坐标为蒸汽的汽液密度比，纵坐标为影响因子。试验在工况状态下，改变排量分别为18 t/h至15 t/h，并且干度从0.85至0.55中的所测点，干度以手工化验为准，回归影响因子曲线。汽液密度比值实质上体现了饱和压力的变化，当压力变大时，汽液密度比值会越大，相反压为变小时汽液密度比值会越小，所以，汽液密度比值对干度的影响应是蒸汽压力对干度影响的体现。

4.4.2 单位排量下前后V锥压差差值与蒸汽干度的关系

图7 单位排量下前后V锥压差与干度关系Fig.7 Relation of volume double V cone pressure difference and the dryness per unit output

将φ89×13规格双 V锥组合体试验得到的三批数据中，从排量为18 t/h至15 t/h的排量，干度从0.85至0.55所测得的数据中，分析在单位排量下前后V锥差压的差值与蒸汽干度关系，并用线性回归出规律方程，如图7所示。该曲线不仅能体现排量对干度的影响规律，也能体现双V锥差压值对干度影响规律。

4.4.3 双V锥压差与蒸汽干度的关系

φ89×13规格双V锥组合体试验得到的三批数据中，双V锥压差与蒸汽干度的关系如图8所示。

从φ89×13双V锥组合体的前后压差与蒸汽干度关系曲线中可知，相同排量下干度越高压差越大；相同干度下排量越高压差越大。

图8 不同排量下前后V锥压差与干度关系Fig.8 Relation of double V cone pressure difference and the dryness of different output

4.4.4 双V锥压差比值与蒸汽干度的关系

φ89×13规格双V锥组合体试验得到的三批数据中，前V锥压差和后V锥压差比值与蒸汽干度的关系如图9所示。

图9 不同排量下压差比值与干度关系Fig.9 Relation of volume pressure differential ratio and the dryness relation of different output

从φ89×13双V锥组合体的前后压差比值与蒸汽干度关系曲线中看出，双V锥组合体的前后压差比值近乎常数，其值大小受蒸汽干度和蒸汽流量影响不大，而与组合体的双V锥结构有关。

5 结 论

通过“双V锥”现场试验研究以及对数据的分析，可以得到以下的试验结论：

（1）双 V锥井口湿蒸汽干度在线测量相对误差≤4%；

（2）双 V锥井口湿蒸汽质量流量在线测量相对误差≤3%；

（3）在体积变化式蒸汽干度检测方法的基础上，通过改进干度和流量的计算模型，比如将其他的数学计算方法应用到该模型，或许计算精度会更高；

（4）实现在线计量、测量精度高、使用灵活可靠。

［1］孙淮清,王建中.流量测量节流装置手册(第二版)[M].北京:化学工业出版社, 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.