凝结式蒸汽干度仪优化设计

赵丰君

摘要：依据能量守恒原理以及凝结式干度仪测量原理，提出了提高凝结式干度仪测量精度与灵敏度的优化设计思路，根据优化设计的思路，设计研制得到了凝结式蒸汽干度仪，并通过测量实验，验证了该蒸汽干度仪达到了设计目标，具有较高的准确性和灵敏度。

关键词：湿蒸汽;凝结式于度仪;优化设计

一、引言

国内在稠油开采中，普遍采用蒸汽吞吐方式。湿蒸汽干度对稠油开发有着决定性的作用，由于供油系统及其他问题的影响，蒸汽干度波动大的问题一直困擾着稠油开发的管理者。常规的蒸汽干度测量方法是化学滴定法，人工因素造成测量的不一致性和不确定性，导致注汽干度管理相对粗放，并由此可能产生能源的浪费和注汽质量的不稳定，不连续的人工测量无法为自动控制蒸汽干度提供实时数据;为降低热采成本、提高效率，从监测、管理角度，湿蒸汽的干度在线检测控制势在必行[1-2]。

由于湿蒸汽干度是汽液两相流特有的参量，它与注汽锅炉多个运行参数有复杂的内在联系，同时检测的噪声很多，所以不能像压力和温度那样直接测量。虽然在实际应用中很重要，但由于两相流型的复杂性和汽液之间的相变，使得干度的测量成为国际上一直没有很好解决的一个难题。

目前，蒸汽干度测量的主要控制和测量方法有数学模型类、现场人工化验法、热力学类和非热力学类[3]。

二、凝结式干度仪测量原理

干度仪的示意图如图1所示。从图1中可以知道，假定湿蒸汽管道中入口焓值为h，换热后焓值为h，取样流量为W，二次侧冷却水入口焓值为h，出口烩值为h，流量为W。在考虑热量损失的情况下，尽管间壁式换热器采取了良好的保温，但也不可避免会对外界有少许散热。在实验之前，先通过单相水和单相汽对干度仪进行热平衡测试，获得热效率η。根据能量守恒方程;

从而可以计算出锅炉出口的干度值。

对式（4）进行变换，则可以把二次侧恰值变化表示为：

从上式中可以看到，二次侧出口温度T的变化量△T是△x的函数，而且△T随△x的变化关系主要取决于k值（即一、二次侧的流量之比）和一次侧湿蒸汽出口焓值的变化量△h。当W远远大于W（即k非常大）时，或者当△h非常大时，同时△x变化较小时，二次侧出口温度的变化量△T会非常的小，导致干度计不能灵敏地测量出锅炉出口湿蒸汽的干度变化。所以，进行凝结式干度测量仪必须确保即使样品湿蒸汽的干度发生微弱变化时，二次侧冷却水的出口温度明显变化较大，能够被热电偶准确测量。

三、干度测量装置优化设计

优化的路线如图2所示。首先确定优化目标，指的是湿蒸汽干度的变化量对二次侧冷却水出口温度的影响程度。例如，本次优化的目标是确保△x=0.02时，△T≥2℃;其次，设定湿蒸汽出口焓值不变，即△h=0，根据能量守恒，计算得到一次侧与二次侧之间的流量比，该流量比是影响△T的关键参数;最后根据确定的一、二次侧流量，结合其他位置的热工参数以及一些约束条件就可以确定干度仪间壁式换热器的最小换热面积。约束条件主要包括两个，第一个是一次侧湿蒸汽出口温度要低于对应压力下的饱和水温度，第二个是二次侧冷却水出口温度要低于对应压力下的饱和水温度。这两个约束条件是为了确保热电偶对上述两处的流体温度测量的准确性。

四、结论

（1）凝结式蒸汽干度测量方法具有测量原理简单、受待测蒸汽参数影响小、干度测量范围宽的特点，并能在工程实时测量中应用。

（2）为了提高凝结式蒸汽干度测量的准确性和灵敏度，提出了一种优化设计凝结式蒸汽干度仪的方法。

（3）根据优化设计的思路，设计研制得到了凝结式蒸汽干度仪，并通过测量实验，验证了该蒸汽干度仪达到了设计目标，具有较高的准确度和灵敏度。

参考文献：

[1]张明岳，于云华，时海涛.稠油热采锅炉远程监测系统的方案设计[J].化工自动化及仪表，2011，38（10）：1174-1176.

[2]柳富明，黄婷萍，申龙涉，于显永，谷文渊.油田热注蒸汽干度测量方法的研究进展[J].化工自动化及仪表，2012第39卷：151-155.

[3]徐英，吴经纬，杨会峰，等.内锥流量计流出系数预测方法研究[J].计算力学学报2009，26（5）：727-733.