Способ определения истинного объемного паросодержания и скоростей фаз потока влажного пара в паропроводе после узла смешения потоков перегретого пара и воды

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано для исследования измерителей потока насыщенного и влажного пара. Заявлен способ определения истинного объемного паросодержания и скоростей фаз потока влажного пара в паропроводе после узла смешения потоков перегретого пара и воды, включающий измерение расхода, статического давления и температуры входящего в узел смешения потока перегретого пара, измерение расхода, статического давления и температуры входящего в узел смешения потока воды, измерение статического давления и температуры в паропроводе после узла смешения потоков перегретого пара и воды. Способ также включает измерение динамического разрежения в паропроводе после узла смешения потоков перегретого пара и воды, изменение режима течения влажного пара по параметрам теплового и/или массового расходов при сохранении значения статического давления, или пассивное ожидание момента возникновения такого обстоятельства, или выбор из памяти контроллера параметров течения влажного пара в прошлый момент времени с требуемым значением статического давления, теплового и массового расходов, определение в выбранном режиме всех параметров, измеряемых в исходном режиме, вычисление по совокупности всех измерений. Технический результат - повышение точности и достоверности получаемых данных. 1 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к технической физике, а именно к области определения истинного объемного паросодержания и скоростей фаз в паропроводе после узла смешения потоков перегретого пара и воды, может быть использовано для исследования измерителей потока насыщенного и влажного пара как средство, компенсирующее отсутствие эталонных и образцовых измерителей параметров влажного пара.

Уровень техники

Аналогом изобретения является способ контроля истинного объемного паросодержания и скоростей фаз потока влажного пара в паропроводе парогенератора, включающий: измерение статического давления и степени сухости пара и расхода исходной воды в двух режимах работы парогенератора, отличающихся по параметрам теплового и(или) массового расходов при сохранении значения статического давления [Патент RU №2488105, БИ №20 от 20.07.2013].

С существенными признаками изобретения совпадает следующая совокупность признаков аналога: «измерение статического давления, изменение режима по параметрам теплового и(или) массового расходов при сохранении значения статического давления, измерение в измененном режиме всех параметров, измеряемых в исходном режиме; вычисление по совокупности всех измерений».

Недостатком аналога является:

А. Недостаточная точность определения истинного объемного паросодержания и скоростей фаз. Этот недостаток обусловлен недостаточной точностью определения степени сухости по отбираемой пробе пара; а также расхода пара по расходу исходной воды парогенератора.

Прототипом изобретения является способ определения тепловых и массовых расходов, а также степени сухости влажного пара в паропроводе после узла смешения потоков перегретого пара и воды, включающий: измерение расхода, статического давления и температуры входящего в узел смешения потока перегретого пара; измерение расхода, статического давления и температуры входящего в узел смешения потока воды; измерение давления и температуры в паропроводе после узла смешения потоков перегретого пара и воды [Заявка RU №2011149664, МПК G01N 25/60. «Устройство для исследования средств контроля потока влажного пара», БИ №17, дата публикации 20.06.2013].

С существенными признаками изобретения совпадает следующая совокупность признаков прототипа: «измерение расхода, статического давления и температуры входящего в узел смешения потока перегретого пара; измерение расхода, статического давления и температуры входящего в узел смешения потока воды; измерение статического давления и температуры в паропроводе после узла смешения потоков перегретого пара и воды».

Известный способ позволяет с высокой точностью определять тепловые и массовые расходы, а также энтальпию и степень сухости в паропроводе влажного пара после узла смешения потоков перегретого пара и воды.

Однако прототип обладает недостатком:

А. Известный способ не позволяет определять истинное объемное паросодержание и скорости движения паровой и жидкой фаз потока влажного пара в паропроводе после узла смешения потоков перегретого пара и воды, что ограничивает область применения известного способа. Так, например, без возможности определения текущих значений истинного объемного паросодержания и скоростей фаз потока невозможно исследование «константы» скольжения фаз (параметр Бенкова). Физический параметр «константа» скольжения фаз определяет отношение истинного объемного паросодержания к расходному объемному паросодержанию потока влажного пара.

Сущность изобретения

Задача, на решение которой направлено изобретение, является: способ определения истинного объемного паросодержания и скоростей фаз потока влажного пара в паропроводе после узла смешения потоков перегретого пара и воды. При осуществлении изобретения может быть получен следующий технический результат:

А. Способ определения истинного объемного паросодержания и скоростей фаз потока влажного пара в паропроводе после узла смешения потоков перегретого пара и воды, компенсирующий отсутствие эталонных и образцовых средств аттестации и исследования измерителей насыщенного и влажного пара.

Указанный технический результат достигается тем, что способ,

включающий:

измерение расхода, статического давления и температуры входящего в узел смешения потока перегретого пара; измерение расхода, статического давления и температуры входящего в узел смешения потока воды; измерение статического давления и температуры в паропроводе после узла смешения потоков перегретого пара и воды;

включает:

измерение динамического разрежения в паропроводе после узла смешения потоков перегретого пара и воды;

изменение режима течения влажного пара по параметрам теплового и(или) массового расходов при сохранении значения статического давления;

или пассивное ожидание момента возникновения такого обстоятельства;

или выбор из памяти контроллера параметров течения влажного пара в прошлый момент времени с требуемым значением статического давления, теплового и массового расходов;

измерение (определение) в измененном (выбранном) режиме, всех параметров измеряемых в исходном режиме;

вычисление по совокупности всех измерений.

Таким образом, задача изобретения решена.

На рис. 1. показана схема устройства для осуществления способа определения истинного объемного паросодержания и скоростей фаз потока влажного пара в паропроводе после узла смешения потоков перегретого пара и воды.

Устройство, осуществляющее предлагаемый способ, содержит:

паропровод перегретого пара 1 с измерителем расхода 2, с измерителями статического давления 3 и температуры 4, с регулирующей и отсекающей (запирающей) арматурой 6, 8;

узел смешения потоков перегретого пара и воды 9 на участке паропровода после измерителя расхода, статического давления и температуры;

измерители статического давления 10 и температуры 11, а также измеритель динамического разрежения 5, после узла смешения;

линию подвода воды 14 к узлу смешения с измерителем расхода 15, с измерителем статического давления 16 и температуры 17, с регулирующей и отсекающей (запирающей) арматурой 18, 19;

контроллер 20, к входам которого подключены выходы всех измерителей.

В устройстве может быть использован узел смешения перегретого пара и воды показанный на схеме в известном источнике [Плетнев Г.П. Автоматическое управление и защита теплоэнергетических установок электростанций. - М.: Энергоиздат, 1986, с. 217, рис. 11.15].

В качестве датчика динамического разрежения могут быть использованы напорные трубки Пито-Прантля с приемным окном динамического разрежения, направленным по потоку пара.

Температура и давление воды, подводимой к узлу смешения, соответствует давлению насыщающих паров в отходящем от узла смешения паропроводе влажного пара.

В паропроводе, после узла смешения исходные два однофазные потока образуют двухфазный поток влажного пара. Параметры этого потока влажного пара однозначно определяются измеряемыми параметрами исходных потоков перегретого пара и воды:

1. По измеряемым значениям расхода перегретого пара, его статического давления и температуры вычисляются значения массового (G_nn) и теплового (Q_nn) расходов входящего в узел смешения потока пара.

2. По измеряемым значениям расхода, статического давления и температуры во входящей линии воды вычисляются значения массового (G_воды) и теплового (Q_воды) расходов входящего в узел смешения потока воды.

3. Исходя из того, что на узле смешения отсутствуют потери массы входящих в него потоков перегретого пара и воды, а тепловые потери могут быть минимизированы теплоизоляцией узлов устройства, параметры пара после узла смешения, на участке паропровода для установки исследуемых образцов с достаточной точностью, вычисляются контроллером устройства из следующих соотношений:

Массовый расход потока влажного пара после узла смешения:

где G - массовый расход влажного пара;

G_пп - массовый расход перегретого пара к узлу смешения;

G_воды - массовый расход воды к узлу смешения.

Тепловой расход с потоком влажного пара после узла смешения:

где Q - тепловой расход влажного пара;

G_пп - тепловой расход перегретого пара;

G_воды - тепловой расход с водой к узлу смешения.

Энтальпия потока влажного пара:

где i - энтальпия потока влажного пара.

Степень сухости потока влажного пара:

где x - степень сухости потока влажного пара;

i″ - энтальпия паровой фазы потока;

i′ - энтальпия жидкой фазы потока.

Значения энтальпии паровой (i″) и жидкой фаз (i′) влажного пара соответствуют статическому давлению, определяемому измерителем давления 10 после узла смешения.

Массовый расход паровой фазы потока влажного пара (G″):

Массовый расход жидкой фазы потока влажного пара (G′):

Тепловой расход с паровой фазой потока влажного пара (Q″):

Тепловой расход с жидкой фазой потока влажного пара (Q′):

Измеритель температуры (поз. 11) используют для контроля перехода перегретого потока пара во влажное состояние и обратно.

Точность определения степени сухости, массового и теплового расходов потока (и отдельных фаз) влажного пара на участке паропровода, отходящего от узла смешения, определяется по точности определения измеряемых расходов массы и тепла перегретого пара, и массы и тепла воды, подводимых к узлу смешения, а также по статическому давлению после узла смешения.

Из системы уравнений (9)…(18), в которой используются вычисляемые на текущий момент времени t значения степени сухости (x_t), массового расхода (G_t) и выбранные из памяти контроллера вычисляемые параметры степени сухости (x_t-τ), массового расхода (G_t-τ) момента времени t-τ в прошлом, отвечающего условию [( $$P_t^{ст}=P_{t-\tau }^{ст}$$ ) и (G_t≠G_t-τ и(или) Q_t≠Q_t-τ)], определяются девять неизвестных параметров (α_t, α_t-τ, $${\omega }_t^{\text{'}\text{'}}$$ , $${\omega }_{t-\tau }^{\text{'}\text{'}}$$ , $${\omega }_t^{\text{'}}$$ , $${\omega }_{t-\tau }^{\text{'}}$$ , k_p, c_t, c_t-τ) контролируемого потока:

где α - истинное объемное паросодержание;

ω″, ω′ - скорости паровой и жидкой фаз потока;

ρ″, ρ′ - плотности паровой и жидкой фаз потока;

F - площадь сечения измерительного участка паропровода;

k_p - коэффициент измерителя динамического разрежения;

G - массовый расход влажного пара после узла смешения;

x - степень сухости потока влажного пара после узла смешения;

ΔP_p - динамическое разрежение потока после узла смешения;

t - текущий момент времени;

t-τ - выбранный (по условию) прошлый момент времени;

с - «константа» скольжения фаз.

Эта система уравнений может быть решена вводом ограничения на статическое давление ( $$P_t^{ст}=P_{t-\tau }^{ст}$$ ). Выполнение этого ограничения дает основание считать c_t=c_t-τ. (Зависимость параметра скольжения фаз от статического давления показана в известной книге Л. Тонг «Теплопередача при кипении и двухфазное течение», М.: Мир, 1969, 344 с.).

Алгоритм решения системы уравнений (9)…(18) может быть представлен в следующем виде:

1. Фиксируя k_p в точке из области изменения этого параметра (например, k_p=1,0);

2. Из уравнения (11) определяют значение $${\omega }_t^{\text{'}\text{'}}$$ . Используя полученное значение $${\omega }_t^{\text{'}\text{'}}$$ , из уравнения (9) определяют значение α_t. Подставляя это значение α_t в уравнение (10) получают значение $${\omega }_t^{\text{'}}$$ . Подставляя полученные значения α_t, $${\omega }_t^{\text{'}\text{'}}$$ , $${\omega }_t^{\text{'}}$$ в уравнение (12), получают значение c_t при фиксированном значении k_p.

3. Из уравнений (13)…(16) при фиксированном значении k_p аналогичным образом получают значение c_t-τ.

4. Разность значений c_t и c_t-τ определяет «невязку» решения при фиксированном значении k_p:

c_t-c_t-τ=δ.

5. Если, например, абсолютное значение полученной «невязки» превышает значение ±0,0001 ( $$\left|\delta \right|>\mathrm{0,0001}$$ ), то изменяют фиксированное значение k_p и возвращаются к пункту 2 алгоритма решения задачи.

6. Если абсолютное значение полученной «невязки» не превышает значение ±0,0001 ( $$\left|\delta \right|\le \mathrm{0,0001}$$ ), то «утверждаются» принятое значение k_p и полученные расчетным путем значения других неизвестных параметров решаемой системы восьми нелинейных уравнений.

Таким образом, исключая время начального набора информации, например первые 20 мин работы системы, для каждого текущего момента времени t практически без запаздывания могут вычисляться истинное объемное паросодержание и скорости движения паровой и жидкой фаз потока влажного пара.

Способ определения истинного объемного паросодержания и скоростей фаз потока влажного пара в паропроводе после узла смешения потоков перегретого пара и воды, включающий измерение расхода, статического давления и температуры входящего в узел смешения потока перегретого пара, измерение расхода, статического давления и температуры входящего в узел смешения потока воды, измерение статического давления и температуры в паропроводе после узла смешения потоков перегретого пара и воды, измерение динамического разрежения в паропроводе после узла смешения потоков перегретого пара и воды, изменение режима течения влажного пара по параметрам теплового и/или массового расходов при сохранении значения статического давления, или пассивное ожидание момента возникновения такого обстоятельства, или выбор из памяти контроллера параметров течения влажного пара в прошлый момент времени с требуемым значением статического давления, теплового и массового расходов, определение в выбранном режиме всех параметров, измеряемых в исходном режиме, вычисление по совокупности всех измерений.