蒸汽热网内部流动多参数测量研究

薛明华 张汉贤 黄伟栋 苏明旭

1．上海明华电力科技有限公司

2．上海漕泾热电有限责任公司

3．上海理工大学

0 前言

上海化学工业区是我国最具规模的化学工业园区，园区集聚了国内外众多在国际上有影响力的化工企业。由于化工企业的特性，各企业对蒸汽的需求有着极高的要求，本着节能、环保和资源循环利用原则，上海化工区采用了集中供热模式[1]。

目前，一家燃机联合循环电厂作为热源单位承担上海化工区内用户的蒸汽供应。热网母管由高压蒸汽、中压蒸汽、减温水(即锅炉给水)、除盐水、冷凝水组成。热网母管由热电厂南侧引出，分东西两侧沿相关路线送至各热用户计量站，向热用户供热。高 压 供 热 蒸 汽 压 力 为4．4±0．1 MPa，温 度263．5±10 ℃。中压供热蒸汽的参数压力为2．2±0．1 MPa，温度为216±10 ℃。日常高压和中压供热蒸汽负荷接近600 t/h。

由于园区内各热用户的生产工艺和生产装置不尽相同，热源单位的发电工况和设备也各有特性，因此，使热网的运行呈现出多样性、复杂性，并直接反映在管道内的蒸汽流量、温度和流速的无序变化，导致管网运行的安全性不受控，向用户供热的可靠性和合同参数无法得到保证。管网运行的经济性不受控，各项经济指标和运行参数偏离设计。由此可见，如此规模的热网其实是一个无法调控的热网，是一个被动运行的热网[2,3]。从国内调研及国外资料的查询，热网运行模式和特性均和上海化工区热网大致相同，但是上海化工区热网的运行要求远高于国内外同类型的热网。因此相关热网在线运行仿真系统近几年成为研究热点。有文献显示，基于热网结构模型及数据，结合热网模型与实时数据对接，完成了供热系统的在线运行仿真，获得全网运行状态（温度、压力、流向、流量）的理论值[4,5]。

本文的研究内容分两个方面，一是对工业园区供热管网系统中蒸汽供热管道流动情况进行实际测量，研制能同时测量管道内过热蒸汽流速、流向以及温度、压力的集成探针，对高温高压的过热蒸汽状态参数进行实时在线测量，以获得真实的供热管道内部参数，从监测试验角度掌握热网管道上的流动状态。二是针对供热管网管道损失的实际情况，采用基于传热学的流量计算方法，通过现场加装温度测点来测试热用户站管道的微小流量，解决热用户站微小流量难以计量的问题。

1 测量原理和方法

1.1 供热管道在线测量原理与方法

综合考虑测试需求和现场试验环境，测试系统示意图见图1。采用模块化设计，分为三大模块，一是多功能蒸汽测试集成探针，用于同时测量蒸汽温度、蒸汽压力、蒸汽速度（大小和二维方向）；二是电气控制柜，用于设备供电、信号数据采集和无线传输；三是测试终端，搭配有无线数据通讯模组的数据监测上位机。

图1 测试系统示意图

多参数蒸汽测试集成探针中蒸汽温度和压力的测量采用温度和压力变送器实现。蒸汽速度的测量采用以下原理：常见的管道内气体流速测量方法为皮托管法，即通过测量管道中某一处的全压和静压，再通过伯努利方程计算得到气流流速。但此方法只能测量得到气流速度大小，得不到气流流向。在此基础上，研制加工了如图2 所示多孔气动探针，用于测量压力和速度。

探针为L 形，分为引压延伸段、竖直段和水平段。引压延伸段长为200 mm，为5 根内径0．8 mm的不锈钢管，用于安装压力变送器；竖直段总长420 mm，可以满足管径不大于800 mm 的管道蒸汽参数的测试需求；水平段总长110 mm，端部布置有5 个直径为0．8 mm 的引压管。引压管延伸到竖直段尾部，形成引压延伸段通过螺纹接口连接压力变送器。温度传感器放置在水平段，减少测量过程中因热对流引起的测量误差。

图2 多参数蒸汽测量集成探针

如图3 所示，圆柱三孔型复合测压管是在圆柱体的同一横截面的表面上开有三个感压孔，各自用传压管将压强引至测压计上，测得三孔的压强即可测量。

图3 多孔探针端部引压孔布置示意图

两个方向孔的压力P1、P3分别为：

若要使P1-P3出现最大值，可以对上式关于φ 偏导。并令偏导数为0，可得若要使P1-P3出现最大值，应使角度为45 ℃，也就是两个方向孔在同一平面内呈直角分布。

三孔测速管探头上的感压孔布置为：两个方向孔在同一平面内呈直角分布，总压孔开设在两个方向孔的角平分线。实际测量时，将探头插入气流中，慢慢转动杆管，直到两个方向孔P1和P3所感受到的压力相等，使被校准测压管1，2，3 孔中感受的压力。这时，气流方向与总压孔的轴线平行，总压孔的压力P2即是总压P＊。此时，气流的速度V 和静压P 的关系为：

测压管某原始位置到转动至最后位置间的角度，即测得气流的方向。

事实上，由于制造上的原因，各孔并不能严格按几何尺寸来加工，也有一些无法避免的随机因素，因此不能直接用测量数据求得气流的速度和静压，每根测压管在使用前必须进行标定，得到测压管校准曲线。

1.2 小流量蒸汽测量原理和方法

常见的热网蒸汽管道构造如图4 所示，一般情况下，供热或者计量阀有泄漏时，管内将有温度高于周围环境温度的蒸汽或水流动。

图4 热网蒸汽管道构造图

管内流体通过管壁与管外保温层向外散发热量，若蒸汽流量不变时，传热过程趋于稳态，则散发热量和管壁温度维持一定值，如图5所示，管道内流体通过对流换热方式传递给管道内壁，以热传导方式从内壁传递至外壁，再以热传导方式由钢管外壁传递至保温层外壁，最后进行对流换热将热量传递至周围空气。管内工质通过管壁和保温层以对流—导热—导热—对流向外传热，通常认为这四种方式传递的热量Q相等，若管道外壁温度t2，周围环境温度ta，管内流体压力p和进口工质温度t0已知，则可根据以上参数计算由于工质流动导致的散热损失，从而计算管内流体的流速和流量。

图5 传热过程图

四个传热过程中最终得到方程组[6-8]为：

式（8）中，钢管外壁温度t2，环境温度ta通过温度测量元件测量可知，其他相关参数：进口蒸汽温度、压力，钢管、保温层导热系数，保温层、管道尺寸，蒸汽密度、动力粘度、Pr 数、导热系数、定压比热容，空气定压比热容、动力黏度、Pr 数、导热系数可通过计算或者测量得到。方程最终计算得到的参数为：传热量Q，出口蒸汽温度tc，蒸汽流速V，管道内壁温度t1，保温层外壁温度t3。

根据模型计算的要求，计量站流量阀门前需安装K型铠装热电偶，热电偶安装在管道外壁，即保温层之内，底座采用卡箍形式与管道外壁接触，并且采用支架固定，以满足测量测试要求。在实际现场安装过程中，对于热电偶安装也有一定要求，主要满足以下方面：（1）阀门上游3～4 m 处安装温度测点最为适宜，既能判断阀门处流动状态的变化，且能使来流蒸汽或水不受阀门扰流特性影响；（2）热电偶安装时，保温层与管道外壁之间无空隙，这是因为模型考虑的是管道外壁与保温层之间的热传导换热，倘若存在空隙，则外壁与保温层间存在对流换热情况，势必导致计算结果出现误差。

2 测量结果

2.1 供热管道多参数在线测量数据

利用多功能蒸汽测试集成探针在供热管网上开展测量试验，蒸汽压力变化趋势如图6所示，三小时内的蒸汽压力比较稳定，均值为2．32 MPa，实时压力波动范围在0．6%以内。

图6 蒸汽压力变化趋势图

供热蒸汽温度变化趋势如图7 所示，三小时内的蒸汽温度也比较稳定，温度均值为238．8 ℃，在线测量温度波动范围在1．2%以内。

图7 蒸汽温度变化趋势图

蒸汽流速变化趋势如图8 所示，三小时内的蒸汽流速波动较大，上下波动范围在3%以内，经分析，除了正常的流速波动之外，测量过程中的流动方向误差，可能导致计算流速误差偏大。

图8 蒸汽速度变化趋势图

2.2 小流量蒸汽测量数据

表1给出了某时间段内高压蒸汽的管道测量温度、计算流量与表计流量的数据(某半小时内均值)。表计温度装置安装在计量站之后，用于评价到热用户供热蒸汽品质是否满足合同规定的要求，其中表计温度作为模型计算中的蒸汽温度。

表1 测量数据与计算数据对比

从表1可见，热用户C 处于无供热状态，因此表计温度为60 ℃，其余各用户站的温度均接近高压供气温度，现场安装热电偶的测量温度与表计温度相接近，利用表计温度作为来流温度，代入模型计算，得出计算流量值，与表计流量相比，误差处于合理的范围之内。

3 总结

本文对工业园区供热管网系统中蒸汽供热管道流动情况进行实际测量，研制能同时测量管道内过热蒸汽流速、流向以及温度、压力的集成探针，对高温高压的过热蒸汽状态参数进行实时在线测量，以获得真实的供热管道内部参数，从监测试验角度掌握热网管道上的流动状态。此外，针对供热管网管道损失的实际情况，采用基于传热学的流量计算方法，通过现场加装温度测点来测试热用户站管道的微小流量，解决热用户站微小流量难以计量的问题。

结果表明本测试方法能有效测量供热管网内部蒸汽压力、温度、流速、流向和微小流量参数，为工业蒸汽热网在线仿真和分析提供了试验数据支撑。