Устройство для определения степени сухости, энтальпии, теплового и массового расхода влажного пара

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано для определения параметров влажного пара. Заявлено устройство для определения степени сухости, энтальпии, теплового и массового расхода влажного пара, содержащее паропровод с измерителем статического давления и двумя измерителями расходных параметров потока, один из которых избирателен к параметрам паровой фазы, например направленная по потоку трубка Пито, а другой избирателен к параметрам паровой и жидкой фаз потока, например направленная навстречу потоку трубка Пито, контроллер для обработки и хранения сигналов измерителей с подключенными выходами измерителей, турбулизатор потока, а также участок постоянного сечения потока, расположенный за турбулизатором, содержащий приемники всех измерителей. Причем устройство дополнительно содержит узел отбора пробы пара и модуль определения опорных значений степени сухости, подключенный к узлу отбора пробы пара и к контроллеру. Технический результат - повышение точности определения параметров влажного пара. 1 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к технической физике, а именно к области определения параметров влажного пара, и может быть использовано для определения степени сухости, энтальпии, массового и теплового расхода потока влажного пара.

Уровень техники

Аналогом изобретения является устройство для определения степени сухости, энтальпии, массового и теплового расхода потока влажного пара, содержащее: паропровод с измерителем статического давления и измерителем расходного параметра потока, избирательного к параметрам паровой фазы; контроллер для обработки и хранения сигналов измерителей с подключенными выходами измерителей; узел отбора пробы пара; модуль определения степени сухости, подключенный к узлу отбора пробы пара и к контроллеру [Патент №2444726 (RU), МПК G01N 25/60; «Устройство для контроля тепловой мощности, массового расхода, энтальпии и степени сухости потока влажного пара»; бюллетень изобретений. 2012. №7].

С существенными признаками изобретения совпадает следующая совокупность признаков аналога:

паропровод с измерителем статического давления и измерителем расходного параметра потока, избирательного к параметрам паровой фазы;

контроллер для обработки и хранения сигналов измерителей с подключенными выходами измерителей;

узел отбора пробы пара;

модуль определения степени сухости, подключенный к узлу отбора пробы пара и к контроллеру.

Недостатками аналога являются:

А. Низкая точность определения расходных параметров потока влажного пара.

Б. Большое запаздывание определения степени сухости - более 25 сек.

Прототипом изобретения является устройство для определения степени сухости, энтальпии, массового и теплового расхода потока влажного пара [Патент РФ №2459198; «Устройство для контроля степени сухости, энтальпии, теплового и массового расхода влажного пара»; Коваленко А.В.; Бюллетень изобретений. 2012. №23], содержащее:

паропровод с измерителем статического давления и двумя измерителями расходных параметров потока, один из которых избирателен к параметрам паровой фазы, например направленная по потоку трубка Пито, а другой избирателен к параметрам паровой и жидкой фаз потока, например направленная навстречу потоку трубка Пито;

контроллер для обработки и хранения сигналов измерителей с подключенными выходами измерителей;

турбулизатор потока;

участок постоянного сечения потока, расположенный за турбулизатором, содержащий приемники всех измерителей.

С существенными признаками изобретения совпадает следующая совокупность признаков прототипа: «паропровод с измерителем статического давления и двумя измерителями расходных параметров потока, один из которых избирателен к параметрам паровой фазы, а другой - к параметрам паровой и жидкой фаз потока;

контроллер для обработки и хранения сигналов измерителей, с подключенными выходами измерителей;

турбулизатор потока;

участок постоянного сечения потока, расположенный за турбулизатором, содержащий приемники всех измерителей». Недостатком прототипа является:

А. Погрешность определения степени сухости, энтальпии, теплового и массового расходов влажного пара, обусловленная отсутствием возможности определения и корректирования коэффициента сигнала измерителя, селективного к параметрам паровой фазы, и коэффициента сигнала измерителя, селективного к параметрам обеих фаз потока.

Сущность изобретения

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является: устройство для определения степени сухости, энтальпии, теплового и массового расходов влажного пара.

При осуществлении изобретения может быть получен следующий технический результат:

А. Нормируемая точность определения степени сухости, энтальпии, теплового и массового расходов влажного пара, обусловленная возможностью автоматического определения и корректирования коэффициента сигнала измерителя, селективного к параметрам паровой фазы, и коэффициента сигнала измерителя, селективного к параметрам обеих фаз потока.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство, содержащее:

паропровод с измерителем статического давления и двумя измерителями расходных параметров потока, один из которых избирателен к параметрам паровой фазы, например направленная по потоку трубка Пито, а другой избирателен к параметрам паровой и жидкой фаз потока, например направленная навстречу потоку трубка Пито;

контроллер для обработки и хранения сигналов измерителей с подключенными выходами измерителей;

турбулизатор потока;

участок постоянного сечения потока, расположенный за турбулизатором, содержащий приемники всех измерителей;

содержит:

узел отбора пробы пара;

модуль определения опорных значений степени сухости, подключенный к узлу отбора пробы пара и к контроллеру.

Признаки, отличительные от наиболее близкого аналога, выражаются следующей совокупностью признаков: «содержит:

узел отбора пробы пара;

модуль определения опорных значений степени сухости, подключенный к узлу отбора пробы пара и к контроллеру».

Таким образом, задача изобретения решена.

Перечень фигур чертежей

Рис.1. Устройство для определения степени сухости, энтальпии, теплового и массового расхода влажного пара.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На рис.1. показана схема реализации предлагаемого устройства для определения степени сухости, энтальпии, теплового и массового расхода влажного пара. Это устройство содержит:

- паропровод 1 с измерителем статического давления 2 и двумя измерителями расходных параметров потока, один из которых избирателен к параметрам паровой фазы, например направленная по потоку трубка Пито 3, а другой избирателен к параметрам паровой и жидкой фаз потока, например направленная навстречу потоку трубка Пито 4;

- контроллер 5 для обработки и хранения сигналов измерителей с подключенными выходами измерителей;

- турбулизатор потока 6;

- участок постоянного сечения потока (между отметками Z-Y), расположенный за турбулизатором, содержащий приемники всех измерителей;

- узел отбора пробы пара 7;

- модуль определения опорных значений степени сухости 8, подключенный к узлу отбора пробы пара и к контроллеру.

Турбулизатор 6 обеспечивает «за собой» наличие турбулизированного участка потока влажного пара, на котором жидкая дисперсная фаза равномерно распределена по всему сечению потока, и скорости движения обеих фаз равны.

По сигналу измерителя статического давления 2(Р_cm) определяют табличные параметры теплоносителя: ρ” - плотность паровой фазы;

ρ' - плотность жидкой фазы;

i” - энтальпию паровой фазы;

i' - энтальпию жидкой фазы.

Для неограниченного дискретного ряда моментов времени, при известных значениях коэффициентов k и k_P, по измеряемым параметрам контролируемого потока Р_cm, ΔР, ΔР_p из системы уравнений (1), (2) получают значения истинного объемного паросодержания (α) и скорости фаз потока (ω) на гомогенизированном измерительном участке после турбулизатора:

$$k\cdot \Delta P=\alpha \cdot {\rho }^{″}\cdot \frac{{\left(\omega \right)}^2}{2}+\left(1-\alpha \right)\cdot {\rho }^{\prime }\cdot \frac{{\left(\omega \right)}^2}{2};\text{ (1)}$$

$$k_p\cdot \Delta P_p={\rho }^{″}\cdot \frac{{\left(\omega \right)}^2}{2};\text{ (2)}$$

где ΔР_P - сигнал измерителя динамического разрежения;

k_p - коэффициент сигнала измерителя динамического разрежения;

ΔР - сигнал измерителя динамического напора;

k - коэффициент сигнала измерителя динамического напора.

Расходная плотность потока (ρ) в пределах гомогенизированного измерительного участка соответствует «местной плотности» потока (ρ_мест):

$$\rho ={\rho }_{мест}=\alpha \cdot {\rho }^{″}+\left(1-\alpha \right)\cdot {\rho }^{\prime },\left[\text{кг/м3}\right]\text{ (4)}$$

Для текущего (реального) момента времени вычисляют также и другие параметры потока влажного пара, а именно:

Степень сухости (χ) контролируемого потока влажного пара (определенная по параметру истинного объемного паросодержания на гомогенизированном участке):

$$\chi =\frac{\alpha \cdot {\rho }^{″}}{\alpha \cdot {\rho }^{″}+\left(1-\alpha \right)\cdot {\rho }^{\prime }};\left[б/р\right]\text{ (5)}$$

Энтальпия (i) контролируемого потока влажного пара:

$$i=\chi \cdot i^{″}+\left(1-\chi \right)\cdot i^{\prime };\left[ккал/кг\right]\text{ (6)}$$

Массовый расход (G) контролируемого потока влажного пара:

$$G=\rho \cdot \sqrt{\frac{2\cdot k_p\cdot \Delta P_p}{{\rho }^{″}}}\cdot F;\left[кг/сек\right]\text{ (7)}$$

Тепловой расход (Q) контролируемого потока влажного пара (определенный по параметру истинного объемного паросодержания на гомогенизированном участке):

$$Q=G\cdot i;\left[ккал/сек\right]\text{ (8)}$$

В системе двух уравнений (1), (2) и уравнении (7) используются коэффициент измерителя, избирательного к параметрам обеих фаз (k), и коэффициент измерителя, избирательного к свойствам паровой фазы потока (k_p). Эти коэффициенты определяются и корректируются системой автоматически. Такая возможность обеспечивается наличием в системе двух измерителей расходного параметра, один из которых обладает селективностью к параметрам и свойствам только паровой (газовой) фазы потока, в то время как сигнал другого измерителя формируется параметрами и свойствами обеих фаз двухфазного потока влажного пара. А также наличием турбулизатора потока, установленного перед измерительным участком, и измерителя опорных значений степени сухости.

В качестве измерителя опорных значений степени сухости (χ) могут быть использованы любые известные средства измерения, например устройство по патенту №2380694 (RU), устройство по патенту № (заявка №2011129977) или другое.

Требованием к такому (другому) устройству является: возможность получения нормируемых значений степени сухости в неограниченном дискретном ряде моментов времени.

Таким образом, для решения задачи определения коэффициентов используются уравнения вида (1), (2), (3):

$$k\cdot \Delta P_i={\alpha }_i\cdot {{\rho }^{″}}_i\cdot \frac{{\left(\omega \right)}^2}{2}+\left(1-{\alpha }_i\right)\cdot {{\rho }^{\prime }}_i{}^{}\cdot \frac{{\left({\omega }_i\right)}^2}{2};\text{ (1)}$$

$$k_p\cdot \Delta P_{pi}={{\rho }^{″}}_i\cdot \frac{{\left({\omega }_i\right)}^2}{2};\text{ (2)}$$

$$\begin{array}{l}{\chi }_i=\frac{{\alpha }_i\cdot {{\rho }^{″}}_i}{{\alpha }_i\cdot {{\rho }^{″}}_i+\left(1-{\alpha }_i\right)\cdot {{\rho }^{\prime }}_i};\text{ (3)}\\ \text{i}=\text{1}\text{, 2}\end{array}$$

Решение такой системы уравнений возможно на двух отличающихся по значениям «наборах» исходных данных. При этом для решения задачи получают шесть нелинейных уравнений с шестью неизвестными: α₁, ω₁, α₂, ω₂, k, k_p.

При решении этой системы уравнений необходимо принимать во внимание то, что перепады давлений и статическое давление определяются без существенного запаздывания, то есть: измерение и определение значений этих параметров производится в текущий реальный момент времени. Опорные значения параметра степени сухости, в каждый текущий момент определения, формируется из параметров потока в отстающем от текущего момента интервале времени, например в интервале времени τ секунд. То есть имеет место запаздывание аргумента χ к текущему моменту времени на отрезок временного интервала τ сек. В связи с этим корректный набор данных не может быть получен на текущий момент времени. В каждом наборе данных (для решения шести уравнений вида (1), (2), (3) при i=1,2) время определения измеряемых перепадов давлений и статического давления должно быть меньше времени определения степени сухости на величину запаздыванил этого аргумента. То есть:

- Измеряемые параметры: $${\chi }_1^{t_1}$$ , $${\chi }_2^{t_2}$$ , $$\Delta P_1^{t_1-\tau }$$ , $$\Delta P_2^{t_2-\tau }$$ , $$\Delta P_{p_i}^{t_1-\tau }$$ , $$\Delta P_{p_i}^{t_2-\tau }$$ , $$\left(P_{cm}^{t_1-\tau },P_{cm}^{t_2-\tau },\right)$$ .

Схема решения этой системы уравнений. По измеренным параметрам (исходного режима): - χ₁ (опорное значение степени сухости) на момент времени (t₁) и P_cm, ΔP₁, $$\Delta P_{p_1}$$ на момент времени (t₁-τ) - первый набор данных;

1. Для момента времени t₁-τ из уравнения (3) определяют α₁:

$${\alpha }_1=\frac{{\chi }_1\cdot {{\rho }^{\prime }}_1}{{{\rho }^{″}}_1-{\chi }_1\cdot {{\rho }^{″}}_1+{\chi }_1\cdot {{\rho }^{\prime }}_1}$$

2. Принимают k_р=1,0 (или другой величине из области вероятных его значений).

3. Из уравнения (2) при принятом значении k_p определяют скорость потока на гомогенизированном участке паропровода:

$${\omega }_1=\sqrt{\frac{2\cdot k_p\cdot \Delta P_{P_1}}{{{\rho }^{″}}_1}}$$

4. Из уравнения (1), используя определенные значения k_p и ω₁, получают значение k:

$$k=\left[{\alpha }_1\cdot {{\rho }^{″}}_1+\left(1-{\alpha }_1\right)\cdot {{\rho }^{\prime }}_1\right]\cdot \frac{{\left({\omega }_1\right)}^2}{2\cdot \Delta P_1}$$

По измеренным параметрам другого (изменившегося режима): - χ₂ (опорное значение степени сухости) на момент времени (t₂) и, Р_cm, ΔР₂, $$\Delta P_{p_2}$$ на момент времени (t₂-τ) - второй набор данных;

5. Для момента времени t₂-τ из уравнений (1), (2), (3), при i=2, и фиксированных значениях коэффициентов k_p, k, определенных по параметрам исходного режима, определяют невязку (δ) значений скорости потока, получаемых соответственно из уравнений (1) и (2):

$$\delta =\sqrt{\frac{2\cdot k\cdot \Delta P}{{\alpha }_2\cdot {\rho }_2{}^{″}+\left(1-{\alpha }_2\right)\cdot {\rho }_2{}^{\prime }}}-\sqrt{\frac{2\cdot k\cdot \Delta P_{p_2}}{{\rho }_2{}^{″}}}$$

Если значение невязки δ>|0,001|, то изменяют (увеличивают или уменьшают) принятое значение k_p, например, на 0,001 и возвращаются к шагу 3 алгоритма вычисления.

Увеличивать или уменьшать значение k_p на 0,001:

- если уменьшаемое больше вычитаемого и разность больше |0,001|, то увеличивать;

- если уменьшаемое меньше вычитаемого и разность больше |0,001|, то уменьшать.

Если δ<=|0,001|, то «утверждаются» значения коэффициентов k_p, k и, используя систему уравнений (1), (2), а также формулы (4), (5), (6), (7), (8), вычисляют текущие значения степени сухости, энтальпии, массового и теплового расхода потока влажного пара.

Вычисление текущих дискретных значений параметров потока производят, например, через каждые 100 мсек.

Определение коэффициентов k_р, k целесообразно выполнять при заметном изменении текущего значения любого из измеряемых параметров (например, на 5% или более) по отношению к его предшествовавшему значению на прошлом интервале времени.

Обновление значений коэффициентов возможно в любом текущем цикле опроса измеряемых параметров. Техническим критерием запуска алгоритма расчета коэффициентов является наличие исходной информации для решения: системы шести уравнений вида (1), (2), (3).

Устройство для определения степени сухости, энтальпии, массового и теплового расхода влажного пара, содержащее паропровод с измерителем статического давления и двумя измерителями расходных параметров потока, один из которых избирателен к параметрам паровой фазы, например направленная по потоку трубка Пито, а другой избирателен к параметрам паровой и жидкой фаз потока, например направленная навстречу потоку трубка Пито, контроллер для обработки и хранения сигналов измерителей с подключенными выходами измерителей, турбулизатор потока, участок постоянного сечения потока, расположенный за турбулизатором, содержащий приемники всех измерителей, причем устройство также содержит узел отбора пробы пара и модуль определения опорных значений степени сухости, подключенный к узлу отбора пробы пара и к контроллеру.