專利名稱：用于測量和可調(diào)控制在管道接頭處中的汽－液混合比的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及工業(yè)應用中所使用的兩相流體流動系統(tǒng)的改進，如在煉油廠、加工廠或類似地方使用的油田蒸氣注入或流體分配系統(tǒng)。更確切地說，本發(fā)明涉及在這樣的流體流動系統(tǒng)的管道接頭處，根據(jù)測量檢測和定量控制氣液混合比(蒸汽質(zhì)量)的裝置及方法、雖然下面的基本描述是有關(guān)蒸汽流動系統(tǒng)的，但不言而喻本發(fā)明的原則同樣適用于任何一個兩相流體流動系統(tǒng)。
在大多數(shù)蒸汽流的場合，來自蒸氣源或發(fā)生器的濕蒸汽是通過管道網(wǎng)絡分配到各個用戶。在管道接頭處會發(fā)生常說的“相分離”，即液相和氣相彼此分開的現(xiàn)象。在相分離的情況下，較輕的氣相一般沿管道的軸向高速移動而較重的液相易呈環(huán)狀并形成液膜依附在管道的內(nèi)壁上并沿之移動。液相基本上沿管道的內(nèi)圓周相對于管道的垂直直徑均勻分布。當發(fā)生這種相分離或分開的蒸汽遇到一個管道接頭，例如一個旁路T型接頭，時質(zhì)量不同的蒸汽(即氣液比不同)會離開接頭各相應支路。這個問題曾經(jīng)在美國專利5,415,195、5,407,274、5,250,104、5,218,985、4,574,837、4,522,218和4,516,986中提出過并公開了各種解決方法。
在某些應用中，可能要求利用相分離現(xiàn)象來實際測量并控制在旁路T型接頭處的蒸汽質(zhì)量。本發(fā)明提出了一些方法和裝置恰恰可以完成這樣的測量并可在濕蒸汽分配網(wǎng)絡的旁路T型接頭處給出可控并可調(diào)的氣液比。
在前面所引述的美國專利(5,415,195)中含有一個裝置，該裝置因本發(fā)明的受讓人的稱為SpliTgatorTM的商標而知名，用于平衡在旁路T型接頭處的出口支路中的氣液比或蒸汽質(zhì)量。在該裝置中的旁路T型接頭處的出口支路或主輸流管中，在輸流管的底部設置了一個集液槽。當發(fā)生相分離的濕蒸汽沿主輸流管流過時，基本上只有氣相才能從出口支管中通過，而液相則被集液槽截留，并被引導流過一個液流旁路管，其出口端在出口支管內(nèi)安裝的孔板的下游。液流旁路管的管道直徑小于主輸流管或支路管的直徑，并且設在出口支路的底部，再連回到旁路T型接頭處的輸出支路的中心。為了在系統(tǒng)的輸出管中產(chǎn)生恒定的、可控的蒸汽質(zhì)量，液流旁路管的直徑、輸出管中的蒸氣孔板的直徑、主輸流管的直徑以及輸出支路管的直徑都要按一定的尺寸制造。在本發(fā)明中在輸出管線的上游和下游安裝了直徑很小的取壓分接管。這可以使ΔPV，即蒸氣孔板兩側(cè)的壓差，以及PV，即在輸出輸流管的氣相段中蒸氣孔板上游的壓力，受到由適當?shù)膲毫鞲衅鞑粩喾磸偷乇O(jiān)視和測量。這些數(shù)據(jù)不斷反復地輸入到一臺控制計算機中。
在液流旁路管中，安裝有一個液流孔板，同時在其上游和下游安裝取壓分接管。這樣可以用適當?shù)膲毫鞲衅鞣磸捅O(jiān)視和測量ΔPL和PL，它們分別是液流孔板兩邊的壓差和液流旁路管上游測的壓力。這些數(shù)據(jù)也都分別輸入到控制計算機中。此外，在液流旁路管中，在液流孔板和與之相關(guān)的取壓分接管下游處，還有一個液體流速控制閥(或球閥)，該閥可以遠距離由電信號控制并也與控制計算機相聯(lián)。
這樣，控制計算機反復監(jiān)視蒸氣質(zhì)量流的流速(是通過已知ΔPV和PV以及輸入管直徑來測量)以及液流質(zhì)量流的流速(是通過已知PV和PL及液流旁路管直徑來測量)?？刂朴嬎銠C發(fā)送電信號來調(diào)節(jié)液體流速控制閥，或球閥，從而在支路接頭處的輸出管中，提供不超過整個蒸汽供給系統(tǒng)設計參數(shù)范圍的任何所需的氣液比。
參考隨后的詳細說明，并結(jié)合附圖，可以更好地理解本發(fā)明。說明文字和附圖僅僅是為了更好地解釋，而不是對本發(fā)明做限定。


圖1是一個顯示用在旁路T型接頭處的本發(fā)明的系統(tǒng)的局部剖分側(cè)視簡圖，；并且圖2是圖1的旁路T型接頭處的一個部分的俯視簡圖。
圖3是一個局部剖分側(cè)視簡圖，示出一個用作流體質(zhì)量流的流速測量工具的SpliTgator。
蒸汽發(fā)生器通常產(chǎn)生的蒸汽的氣液比(質(zhì)量)范圍為70％-80％。在某些應用中，需要精確測量并控制蒸汽質(zhì)量在一個特別適合的既定的比例上，而不是根據(jù)多用戶現(xiàn)場的要求、管線幾何形狀及發(fā)生器的一致性等令蒸汽的質(zhì)量從0％到100％變化。本發(fā)明恰好可以在濕蒸汽分配系統(tǒng)操作參數(shù)多變的情況下，提供此種測量并給出可控并可調(diào)的蒸汽質(zhì)量。
絕大多數(shù)蒸汽分配系統(tǒng)或是工作在分離流體系中，或是工作在一個環(huán)形流體系中。本發(fā)明的方法和裝置在其中任何一個體系中均可同樣地正常工作。在一個分離流體系中，液相僅僅占管道橫截面的底部的一小部分，而氣相充滿剩余的空間。在一個環(huán)形流體系中，液相形成了一個環(huán)形的薄膜粘著在管道內(nèi)壁周圍，這時氣相是在管道中沿軸向流動。這兩種流動模式都是相對于管道的垂直直徑或中心線對稱。在本發(fā)明中這種對稱性用來促成在T型管道接頭處的輸出支路上的均一的和可控的液相流動。這樣就可以將輸出蒸汽質(zhì)量控制在系統(tǒng)設計參數(shù)之內(nèi)。而且，可以測量氣相流和液相流之間的壓差，并可以用于控制計算機之中，以便根據(jù)這種測量結(jié)果改變液相流管道中的流動。
參考圖1和圖2所示出的是一個根據(jù)本發(fā)明的概念的完善的自動測量和控制系統(tǒng)的簡圖。圖1是該系統(tǒng)的一個局部剖分的側(cè)視圖，而圖2是主輸流管部分的頂視圖。
濕蒸汽流管線18通過本發(fā)明的系統(tǒng)連接到一個旁路T型接頭(通常用10表示)，希望在其中準確控制輸出支路11的蒸汽質(zhì)量。輸流管18還帶有一個集液槽30和旁路管25。無論是在管道18中的分離流還是在環(huán)形流的情況下，集液槽30都可有效地將在管18中流動的濕蒸汽的一部分液相與氣相分開。在輸出支路管11的起始段部分13中基本上只有純氣相流存在。在輸出管11的出口，在蒸氣孔板12的兩側(cè)配有小直徑的取壓分接管14和15。一個壓差傳感器16(如需要可選壓電類型的)跨接在取壓分接管14和15的兩側(cè)并在連接到控制計算機21的導線19上反復發(fā)出壓差測量ΔPV信號。計算機21可以是任何適合的可編程的微處理器，例如基于INTEL 80386或80486微處理器芯片，并包括一個適合的存儲元件及接口硬件以便與這里所描述的輸入與輸出設備接口。例如，如需要，可以使用一種基于INTEL 80486的臺式計算機Packard-Bell Model 20CD。
壓力傳感器17連接到蒸氣孔板12上游一側(cè)的取壓分接管15。傳感器17反復地檢測在孔板12上游的純氣相輸流管13中的壓力PV。來自傳感器17的信號通過導線20送到計算機21中，也通過適合的內(nèi)部接口硬件送入計算機21。通過已知的輸流管13及孔板12的直徑、ΔPV、及PV，計算機21可以測量和確定通過管道13流到輸出管11的氣體質(zhì)量流。
在蒸汽孔板12的下游一側(cè)，配有一個較小直徑的液流旁路管25和22，由此液相流可以再流回輸出管11。在集液槽30中的分離相流中采集的液體，靠重力吸引及壓力驅(qū)動流入液體輸流管25和22。輸流管25和22在液流控制閥23的上游配有一個液流孔板26。液流控制閥23通過導線24連接到計算機21，并能在導線24上送出和接收來自計算機21的控制信號。送入計算機21的信號顯示閥門23的百分流量開度(從0％到100％)。導線24上來自計算機21的信號可以在計算機21程序的控制下改變閥門23的開啟百分比，從0％到100％。
取壓分接管27和28跨接在液流孔板26上。取壓分接管27和28還連接到一個壓差傳感器33，如需要，該傳感器也可選用壓電類型的。壓差傳感器33反復輸出測量信號代表ΔPL，即在液流旁路管25和22中的液流孔板26兩側(cè)的壓降。一個同樣或類似類型的壓力計量傳感器32也連接到液流孔板26上游一側(cè)的取壓分接管27上。傳感器32可以對液流旁路管上游側(cè)25中的壓力PL進行反復的測量，并通過導線29送入控制計算機21中。如已知液流輸入管25的直徑、孔板26以及壓降ΔP1和壓力P1，計算機21可以測出在管22和25中通過液流旁路管的開口通到輸出管11的31的液流閥中的流速。
由于在接頭處氣體流速和液體流速都可測知，任何時候的氣/液比(蒸汽質(zhì)量)也為已知。這樣通過將如上所測得的蒸汽質(zhì)量與一個設定或希望值比較，控制計算機可以在導線24上發(fā)出打開或關(guān)閉液流閥門23的不斷反復的控制信號以增加或減少液流，從而在輸出支路或管11中達到和保持一個需要的或設定的蒸汽值。例如，假定需要在輸出管11中保持60％蒸汽質(zhì)量。計算機21取得采樣數(shù)據(jù)ΔPV、PV、ΔPL、PL，并測出在給定的時刻當前的蒸汽質(zhì)量為55％。之后計算機21在導線24上向液流閥門23發(fā)出一個控制信號來增加其開度并使管道22一側(cè)中更多的液流流到輸出管11中，其中閥門23可以是一種電操作閥門或類似的裝置。來自液流旁路管集液槽30的液體在管22與管線11的接頭處同流經(jīng)管線11的氣體在其對稱點重新會合在一起。這樣就可以確保在接頭10處的輸出支路11中的既定蒸汽質(zhì)量。
參考圖3是一個局部剖分的側(cè)視簡圖，示出一種根據(jù)本發(fā)明的概念的裝置，可用作兩相流體質(zhì)量流的流速測量裝置。在某些應用中，也許僅需要監(jiān)視在一個兩相流體輸流管(例如圖3的輸出管41)中的實際質(zhì)量流的流速，。主輸流管38配有一個集液槽50，它有一個類似于圖1和圖2中的31的出口51。一根液流旁路管或管55將在集液槽50中收集的液體通過管55在接頭處48送回到輸出管41中。接頭48恰好位于蒸氣孔板42的下游，該蒸氣孔板42與圖1中的孔板12相類似。因為幾何形狀和重力的作用，在孔板42上游的輸出支路43中，基本上只有氣相流體流動?？装?2的上面跨接著取壓分接管44和45。如果裝置按設計工作(即在管43中僅有氣相)，則通過測量在取壓分接管45中的壓力和孔板42兩側(cè)(即取壓分接管44和45之間)的壓差降，以及通過已知的輸出管41的橫截面積，就很容易確定并顯示氣相質(zhì)量流的流速(并因而確定總體質(zhì)量流的流速，因為管線55所選的直徑適合于維持需要的恒定的氣液比)，或者可以校準顯示計量表46或47中的一個以反映測量結(jié)果。
熟悉本專業(yè)的人員可能對前面的描述對本發(fā)明進行更動和修改。后面所列的權(quán)利要求書的目的是為了覆蓋所有精神實質(zhì)在本發(fā)明范圍內(nèi)的修改內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種控制方法，用在一個適于兩相流體流的管道(18)中，從一個接頭控制在輸出管(11)中的氣液比，其特征在于基本上將上述兩相流體流的氣相和液相分開，并使氣相從上述接頭處流入蒸氣管(13)中；在上述蒸氣管(13)中測量氣相流的質(zhì)量流的流速；使兩相流體中的液相流入一個液體流速可變的旁路管(25)中，并可以將上述液相和上述氣相基本上在上述輸出管(11)的垂直對稱平面上重新匯合；并且根據(jù)上述測量得到的上述氣相的質(zhì)量流的流速，調(diào)整在上述旁路管(25)中的上述液相的流動，從而在上述輸出管(11)中產(chǎn)生一個可控的氣液比。
2.如權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于測量上述氣相的質(zhì)量流的流速的步驟是測量蒸氣管(13)中的穿越一個氣流孔板(12)的壓力降ΔPV以及測量上述孔板上游一側(cè)的壓力PV。
3.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2中所述的方法，其特征在于在上述旁路管中的液相的流動可以通過在上述旁路管中提供一個液流控制閥(23)進行調(diào)節(jié)，上述閥門可電控調(diào)節(jié)并根據(jù)來自一臺控制計算機(21)的信號作出反應。
4.如權(quán)利要求1至3中的任何一項中所述的方法，其特征在于測量在上述旁路管(25)中的一個穿越液流孔板(26)兩側(cè)的壓力降ΔPL，并測量上述液流孔板(26)上游一側(cè)的壓力PL。
5.如權(quán)利要求4中所述的方法，其特征在于根據(jù)對上述壓力降ΔPL以及壓力PL的測量，可以測定上述液相的質(zhì)量流的流速，并且利用上述所測定的氣相和液相的質(zhì)量流的流速與所需的一個設定的蒸汽質(zhì)量，可以產(chǎn)生一個控制信號來調(diào)整上述旁路管中的上述液相流動。
6.一種用來從一個兩相流體流的管道(18)的一個接頭處向上述輸出管(11)提供一個可控氣液比的裝置，其特征在于包括一根蒸氣管(13)從上述接頭處分出并用于基本上僅為氣相的流體流；一個蒸氣孔板(12)，位于上述蒸氣管(13)中，以及第一和第二取壓分接管(14、15)，安裝在上述氣孔板相對的兩個側(cè)面；用來測量穿越上述蒸氣孔板(12)的壓力降ΔPV和上游一側(cè)的壓力PV的裝置(16、17)；一根液流旁路管(25)，其直徑比上述管(18)的直徑小，其輸入(31)來自上游端部的一個集液槽(30)，并且其輸出基本對稱地位于上述氣孔板(12)的下游的上述輸出管(11)中；一個液流孔板(26)，裝在上述旁路管(25)中，以及第一和第二取壓分接管(27、28)，裝在上述液流孔板相對的兩側(cè)；用來測量穿越上述液流孔板(20)的壓力降ΔPL和上游一側(cè)的壓力PL的裝置；一個可調(diào)節(jié)的液流控制閥(23)，位于上述液流孔板(26)下游的上述液流旁路管(25)中；以及裝置(21)可以根據(jù)上述ΔPV、PV、ΔPL和PL的測量，調(diào)節(jié)上述液流控制閥(23)，并在上述輸出管(11)中產(chǎn)生所需的氣液比。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于用于調(diào)節(jié)上述液流控制閥(23)的上述裝置(21)可以根據(jù)計算測量的氣液比并將其與所需的既定氣液比比較后進行操作以產(chǎn)生一個控制信號，從而開啟或關(guān)閉上述液流控制閥(23)。
8.一種用來從一個兩相流體流的管道(18、38)接頭處測量在輸出管(11、41)中的兩相流體的質(zhì)量流量的流速的裝置，其特征在于包括一根蒸氣管(13、43)，從上述接頭處分出并用于基本上僅為氣相的流體流；一個蒸氣孔板(12、42)，位于上述蒸氣管(13、43)中，并且第一和第二取壓分接管(14、15)安裝在上述蒸氣孔板相對的兩側(cè)面；用來測量穿越上述蒸氣孔板(12)兩側(cè)的壓力降ΔPV和上游一側(cè)的壓力PV的裝置(16、17、46和47)；一根液流旁路管(25、55)，其尺寸根據(jù)在穿越液流旁路管兩側(cè)的一個特定的壓力降的情況下可產(chǎn)生一個預先既定的液流質(zhì)量流的流速而確定，并從上述管(18、38)連接到上述蒸氣孔板(12、42)下游的上述輸出管(11、41)的一個位置(48)；以及裝置(21)，可以結(jié)合上述壓力的測量，給出在上述輸出管(11、41)中的上述蒸氣孔板(12、42)下游的氣體和液體的總質(zhì)量流的流速。
9.如權(quán)利要求8中所述的裝置，其特征在于用于測量壓力和壓力降的上述裝置(16、17、46和47)中包含壓電傳感器。
全文摘要
兩相流體流的氣相和液相,例如蒸汽,是分開的。氣相在一個蒸氣管(13)中流動,該管有一個孔板(12),在其兩側(cè)設有取壓分接管(14)和(15)。液相在一個旁路管(25)中流動,該管有一個孔板(26),在其兩側(cè)設有取壓分接管(27)和(28)。各相的質(zhì)量流的流速可以從上游的壓力和孔板兩側(cè)的壓力降的測量結(jié)果中獲知。各相在輸出管(11)的對稱平面重新匯合。流經(jīng)旁路管的液相流速可以通過一個閥門(23),根據(jù)所測量的質(zhì)量流的流速做相應的控制。
文檔編號G05D11/00GK1172977SQ9711532
公開日1998年2月11日 申請日期1997年8月4日 優(yōu)先權(quán)日1996年8月5日
發(fā)明者詹姆斯·雷蒙德·斯托伊, 詹姆斯·林賽·吉爾伯特·施羅特, 埃里克·李·伯杰 申請人:德士古發(fā)展公司