加热法测量蒸汽湿度的误差分析

第55卷第5期2013年10月汽轮机技术TURBINETECHN0L0GYVN155NO50CT2013加热法测量蒸汽湿度的误差分析苏云龙，王新军，谢金伟，宋钊西安交通大学能源与动力工程学院，西安710049摘要分析了加热法测量蒸汽湿度的原理与误差来源；推导出湿度的计算公式，编制程序对两个算例进行了计算，分析了加热管进出口速度、散热损失以及试样质量流量对湿度误差的影响。结果表明不考虑加热管内试样的流动速度变化将带来1的湿度误差；在本文的计算条件下，10的散热量产生的误差为126；理论分析了加热法湿度的测量误差，在取定的测量仪表精度下，测量误差为176。关键词流动湿蒸汽；加热法；湿度测量；误差分析分类号TK263文献标识码A文章编号10015884201305033904THEERRORANALYSISOFHEATINGMETHODFORMEASURINGSTEAMWETNESSSUYUNLONG，WANGXINJUN，XIEJINWEI，SONGZHAOSCHOOLOFENERGYANDPOWERENGINEERING，XIANJIAOTONGUNIVERSITY，XIAN710049，CHINAABSTRACTTHEPRINCIPLEANDERRORSOURCESOFHEATINGMETHODFORSTEAMWETNESSMEASUREMENTAREANALYZEDINTHISPAPERTHROUGHDEDUCINGTHECALCULATIONFORMULAOFWETNESSANDCALCULATINGTWOEXAMPLESBYPROGRAMMING，THEEFFECTSOFINLETANDOUTLETVELOCITIESOFHEATINGPIPE，HEATLOSSANDSAMPLEMASSFLOWRATETOWETNESSERRORAREANALYZEDTHERESULTSSHOWTHATTHEWETNESSERRORIS1IFTAKINGNOACCOUNTOFVELOCITYCHANGEINTHEHEATPIPEUNDERTHECALCULATIONCONDITIONOFTHISPAPERTHEERRORIS126WHILEHEATLOSSIS10THEWETNESSMEUREMENTERROROFHEATINGMETHODISTHEORETICALANALYZEDANDTHEMEASUREMENTERRORIS176UNDERTHEGIVENACCURACYOFMEASURINGINSTRUMENTKEYWORDSFLOWINGWETSTEAM；HEATINGMETHOD；WETNESSMEASURE；ERRORANALYSIS0前言过热蒸汽的热力状态可以根据压力和温度来确定，但湿蒸汽的压力和温度互为函数，不是相互独立的参数。因此，湿度就是确定湿蒸汽热力状态的一个重要参数。准确测量汽轮机内的蒸汽湿度与分布，可以深入地了解湿蒸汽的膨胀与流动特性，确定汽轮机的排汽状态与能量转换效率，为汽轮机的优化设计及内部除湿结构设计等提供依据，也为电站提供准确的汽轮机运行指标。蒸汽湿度的测量方法虽然很多，但真正应用于汽轮机内流动湿蒸汽的湿度测量主要有光学法和热力学法两类。光学法能够测量水滴的直径与分布以及直径平均值等，也有成功的应用实例I3。而热力学法分为加热法、节流法、凝结法等，具有测量原理简单、对环境没有特殊要求等优点。加热法是一种间接的湿度测量方法，它需要从汽轮机主汽流中抽取一定的试样，引入测量探针中进行相关参数的测量“J。测量装置一般由探针本体和辅助系统组成。探针本体完成对湿蒸汽的取样、加热至过热状态、过热蒸汽的排汽以及状态参数的测量；辅助系统使蒸汽试样凝结并完成对试样流量的测定。可以看出，蒸汽湿度的测量精度取决于3个环节一是取样质量；二是参数测量精度；三是湿度计算。本文主要分析相关参数对湿度计算精度的影响及参数测量引起的误差。1加热法湿度测量原理水蒸汽是由液相水经汽化而来的汽体，图1是水的相变过程与相图。可以看出，存在未饱和液体、湿饱和蒸汽和过热蒸汽3个相区；相应有5种状态未饱和水状态、饱和水状态、湿饱和蒸汽状态、干饱和蒸汽状态和过热蒸汽状态。其中湿饱和蒸汽状态是水的汽化与凝结达到动态平衡的状况。湿蒸汽是干饱和蒸汽与饱和水的两相混合物。蒸汽质量湿度的定义是湿蒸汽中所含水的质量占湿蒸汽总质量的百分比，用公式表示为式中，Y是湿蒸汽的湿度；M是湿蒸汽中干饱和蒸汽的质量；M为湿蒸汽中水的质量。图2是加热法测量流动湿蒸汽湿度的原理图。加热法是通过探针从被测流动湿蒸汽中连续抽取一定的试样，然后将试样加热到过热状态，测量出蒸汽试样的流量、加入的热量以及加热前后试样的热力参数变化量，通过计算得到主汽收稿日期20121115作者简介苏云龙1988一，男，西安交通大学能源与动力工程学院硕士研究生，主要从事叶轮机械气体动力学与两相流动的相关研究。340汽轮机技术第55卷薹蠢图1水的相变过程与相图图2加热法测量湿度的原理不惹图流的湿度。假定湿蒸汽试样的质量流量为M，压力为P，湿度为Y；加热管进、出口截面积分别为A和A，试样的进、出口平均速度分别为C和C；加热管对试样的加热量为Q，湿蒸汽试样被逐步加热到过热状态，加热后的试样压力和温度分别为P和T，加热过程的散热量为Q。根据能量方程，在探针加热管的进、出VL处有等2式中，H。为湿蒸汽试样的初始比焓值；H为加热后试样的比焓值。从式2可以推导出加热前的湿蒸汽试样的比焓值为半一3根据加热前试样的压力P和比焓值H，在焓一熵图上就可以确定出试样的初始湿度Y。湿度Y也可以用下面的公式来计算一望4二二二4探针加热管的进、出口速度可以表示为C5C6式中，H、R分别为压力P下的干饱和蒸汽比焓值和汽化潜热；P。”分别为P对应的饱和水与饱和蒸汽密度；P是在压力P和温度T下的过热蒸汽密度。在式4式6中，H、R,P。、P。”、P是蒸汽的物性参数，可以根据相关的测量参数得到数值大小；M是试样的质量流量，可以通过探针的辅助系统测得；比焓值H通过加热后的试样压力P和温度T来确定；A和A是在探针设计时就已确定；电加热量Q根据使用的电压和电流强度测量出；只有加热过程的散热量Q很难确定。显然，蒸汽湿度Y的测量就演变为对试样质量流量M、试样压力P、P、温度T、加热量Q与散热量Q的测量，然后通过式4式6间接计算出蒸汽初始湿度Y，。如果在探针设计中，采取一些特殊措施来切断散热损失产生的各种途径，使散热损失Q为零，则蒸汽湿度的表达式变为一一HGH2H一一一，Y一7如果加热管的进、出口速度相同CC，且没有散热损失Q0，蒸汽湿度的表达式变为Q一一HGY1_一82湿度计算的影响因素分析本文根据式4式6编制了程序，对两个算例进行了计算，分析了试样速度、散热损失以及试样流量对湿度计算值的影响。计算条件分别为1试样压力为P48KPA，质量流量为M15010KGS一75010KGS，加热管进、出口截面积为A1A2785410M，加热后的过热蒸汽压力P248KPA，温度T250OC。2试样压力为P012MPA，质量流量为M310。KGS15X10KGS，加热管进、出口截面积为A1A2785410M，加热后的过热蒸汽压力P012MPA，温度T2120C。21试样速度对湿度的影响图3和图4是在不考虑散热损失Q0和两种试样压力条件下，计算得到的加热管进、出口速度变化对湿度的影响规律。可以看出，试样初始湿度越大，需要的加热量也越大；如果不考虑加热管进、出口汽流速度的变化，则计算得到四琳图3试样速度对湿度的影响P48KPA第5期苏云龙等加热法测量蒸汽湿度的误差分析341世琳加热量QKW图4试样速度对湿度的影响P012MPA的湿度值略有偏大，与考虑速度能量变化时的湿度值相比，引起的最大误差为05。22散热量对湿度的影响图5和图6是在考虑加热管进、出口汽流速度变化即认为CC和两种试样压力条件下，计算得到散热损失对湿度值的影响。可以看出，散热损失对蒸汽湿度的计算有较大影响。散热量越多，试样吸收的热量就小，计算得到的试样湿度越小；如不考虑散热损失，计算湿度值与实际湿度值就有较大的偏差，加热量越大，散热量的影响也越大。在本文的计算条件和范围内，10的散热量将产生126的湿度误差。越蜊琳虹J魁蚓蜮加热量QKW图5散热量对湿度的影响PL48KPA图6散热量对湿度的影响PL012MPA23试样流量对湿度的影响图7和图8是在两种试样压力和两种加热量的条件下，计算得到的试样质量流量对湿度值的影响规律。可以看出，在加热量相同下，湿度计算中如果不考虑加热管进、出口的速度能量变化，则两种试样压力下的湿度值均不随试样流量变化；如果考虑进出口速度能量的变化，则湿度值随着试样流量的增大而降低。显然，不考虑加热管试样速度的变化，带来的是湿度的误差越来越大。原因在于随着试样流量的增大，加热管进、出口的汽流速度也增大，外界加入的热量部分转化为试样的动能。这种结果说明随着试样流量的增大，试样速度的变化对湿度测量精度的影响越来越大。删世蜮试样质量流量MGS图7试样质量流量对湿度的影响P148KPA012010008越蜊蜮00600400203691215试样质量流量MJS图8试样质量流量对湿度的影响P1O12MPA3探针测量误差分析根据湿度测量探针得到的相关参数，试样的初始湿度可以改写为下面的公式来计算。一旦一卫一卫9IR厶R厶R|LLF|LLI影响湿度测量精度的因素有湿蒸汽试样压力P和质量流量M、过热蒸汽的压力P和温度T、加热量Q和散热损失Q。根据误差传递理论，湿度测量误差可以归结为上述几个参数的测量误差对湿度的影响。误差分析通常采用均方根差的传递来进行，将一个变量V8V精确度定义为99的可信极限，则误差为JE，8VV10342汽轮机技术第55卷当变量是其它几个独立变量的函数即VA，B，C，时，则误差为E号E专詈E号E。】11如果所有的测量误差E。、E、E。等都在同样的可信极限内，则总的误差E也应该在可信极限内。将误差传递理论应用到公式9中，湿度测量误差E可以表示为POPL】，OHI一F堕OT，AC2OP2AC；2A“EQEQ2从式12可以看出，热力法测量湿度的误差与被测湿蒸汽试样的参数和测量仪器的精度有直接关系，其中加热量、试样质量流量的测量精度和散热量的估计对整体湿度误差的影响最大。以下列参数为例1被测湿蒸汽的试样参数湿蒸汽试样压力P48KPA；湿蒸汽试样湿度Y010；试样进口速度C1120MS；湿蒸汽试样流量M035410KGS；加入的热量口0098KW；过热蒸汽温度T50C。2仪器的测量误差压力测量误差E001；温度测量误差E001；加热量测量误差E。001；试样流量测量误差E0005；1的散热量E10。3根据蒸汽的物性，计算出各参数的变化率LLHAP166667KJKGKPA；C2LAP1一2826KJKGKPA；AH，AP，02083KJKGKPA；42AP2一41073KJKGKPA；AH，AT，188KJKGC；C2T200577KJKG。4按式12计算出的湿度测量误差为E00176。当然，湿度测量探针如果采用更高精度的仪器来测量相关汽流参数、加热量电压或电流以及对散热量的估计更为准确，则湿度测量误差将会进一步降低。4结论本文分析了加热法测量蒸汽湿度的原理，给出了根据探针测量参数计算湿度的公式，编制程序对两个算例进行了计算，分析了加热管进出口速度、散热损失以及试样质量流量对计算湿度的影响，分析了探针的测量误差。得到以下结论1在计算湿度时，如果不考虑加热管内试样流动速度的变化将带来05的湿度误差；测量探针的散热损失对湿度测量有较大影响，在本文的计算条件和范围内，10的散热量将产生126的湿度误差。2在给定的蒸汽参数和测量仪器精度条件下，加热法湿度测量探针的测量误差为176。参考文献1宁德亮，高雷，刘新全流动蒸汽湿度测量方法的研究与比较J热能与动力工程，2009，2421491532张弘，蔡小舒，王夕华汽轮机内湿蒸汽实验测量技术现状J热力透平，2007，361163YUPYW，VARTYRLLASERDOPPLERMEASUREMENTOFTHEVELOEITYANDDIAMETEROFBUBBLESUSINGTHETRIPLEPEAKTECHNIQUEJINTERNATIONALJOUMALOFMULTIPHASEFLOW，1988，1467657764李炎锋，王新军新型加热法测量流动湿蒸汽湿度的试验技术J热能动力工程，2001，1621531565MJMOORE等编蔡颐年，等译透平和分离器中的双相流M北京机械工业出版社，19836耿维明测量误差与不确定度评定M北京中国质检出版社。2011上接第384页6结语针对现行的由工频凝结泵与变频凝升泵串联组成的大中型机组凝结水系统，从进步节能的角度出发，首度提出了将工频转速的凝结泵改造成双速并在低负荷下切换至低速挡运行的方案，同时根据系统的具体情况给出了水泵原动力电机变磁极对数值的确定方法；尽管这一方案的提出看似简单，但通过案例的计算和对比分析证明了这种方案的科学性、可行性和必要性。即不但可进一步提高系统的运行经济性，而且还由于凝结泵转速的降低提高了该泵防汽蚀的能力，特别对于凝汽器中凝结水近乎饱和状况而言，则显尤为重要。该分析方法和结论，为现行的不同容量机组的凝结水系统如何进一步提