ИЗМЕРИТЕЛЬ СТЕПЕНИ СУХОСТИ ПАРА

Изобретение относится к области средств измерений, а именно к устройствам, служащим для измерения степени сухости пара в системах контроля тепловых потерь при генерации пара, передаче его по паропроводам, определении коэффициента полезного действия турбинных агрегатов тепловых и атомных электростанций.

По определению степень сухости пара x есть отношение массы сухого пара m_С к массе влажного пара, равной сумме масс сухого пара m_С и капельной влаги m_К в том же объеме [1, стр. 119]:

Известно устройство для измерения сухости пара, включающее узел отбора пробы из паропровода, канала измерения давления пара в паропроводе, редуктор, проточный узел конденсации пара, каналы измерений расхода и температуры воды на входе и выходе узла конденсации, регулирующий клапан после расходомера воды на выходе узла конденсации и вычислитель [2]. Устройство обладает тремя существенными недостатками: технической сложностью, большой погрешностью измерений и экономической неэффективностью.

Для реализации устройства требуется большое количество измерительных средств, перечисленных выше. Поскольку каждое средство измерений и регулирования обладает погрешностью, увеличивающую общую погрешность результата измерений, то рассматриваемое устройство получается сложным и неточным.

Неэкономичность определяется безвозвратной потерей части энергии пара на нагрев холодной воды. Согласно тексту описания изобретения при экспериментальной проверке устройства были получены следующие результаты:

- Расход воды до узла конденсации G08=30,72 т/час;

- расход воды после узла конденсации G11=51,51 т/час.

Следовательно, на измерение степени сухости пара тратится пара больше 20 т/час, что ведет к большим экономическим потерям.

Наиболее близким по технической сущности является «Прибор для непрерывного измерения влажности пара» по авторскому свидетельству СССР 239610 [3]. Согласно описанию прибор содержит паропровод, входящий патрубок, вентиль, расходомер, пароперегреватель с электронагревателем внутри и измерителем затрачиваемой на нагрев электрической мощности, второй компенсационный электронагреватель по наружной поверхности пароперегревателя, датчики давления и температуры, включенные в систему автоматического регулирования и расходомерную диафрагму, установленную на выходе пароперегревателя и подключенную к системе автоматического регулирования расхода пара.

Прибор отличается сложностью и низкой точностью измерений сухости пара. Сложность обусловлена большим количеством пневматических и электрических элементов, датчиков и систем автоматического регулирования и их исполнительных механизмов (электродвигателей, регулируемых вентилей и т.д.). Низкая точность измерений определяется несколькими факторами. Во-первых, давление в пароперегревателе определяется полным давлением потока влажного пара, т.е. суммой статического давления и динамического напора. Следовательно, изменение скорости потока пара (при неизменной его влажности) приведет к изменению давления в пароперегревателе с соответствующими изменениями в положении регулирующих органов системы автоматического регулирования и изменением показаний прибора. Во-вторых, поддержание на расходомерной диафрагме постоянного перепада давления не гарантирует постоянство расхода пара, поскольку он зависит не только от перепада давления, но и от плотности пара, который согласно изобретению не контролируется.

Целью изобретения является упрощение измерителя сухости влажного пара и повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем паропровод, входной патрубок, пароперегреватель с электронагревателем, канал измерения температуры, включенный в систему автоматического регулирования, и канал измерения давления, выход пароперегревателя через выходной патрубок соединяют с паропроводом, причем во входном и выходном патрубке установлены запорные клапана, а провода питания электронагревателя и цепи управления клапанами подключены к системе автоматического регулирования.

На фигуре представлен пример реализации предлагаемого устройства. Измеритель содержит участок паропровода 1, входной патрубок 2, соединенный через запорный клапан 3 с пароперегревателем 4. В пароперегревателе расположены датчики температуры 5 и давления 6. По наружной поверхности пароперегревателя намотан электронагреватель 7. Преобразователи сигналов датчиков 5 и 6, система регулирования температуры в пароперегревателе 4 и управления работой клапанов 3 и 9 расположены в электронном блоке 8. Выход пароперегревателя 4 через запорный клапан 9 и выходной патрубок 10 соединен с паропроводом 1.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии клапана 3 и 9 открыты и в пароперегреватель 4 под действием скоростного напора из паропровода 1 поступает пар с абсолютными температурой T₁, давлением P₀ и степенью сухости x.

При наступлении термодинамического равновесия в пароперегревателе 4, определяемого по стабилизации показаний датчика температуры 6, клапан 3 закрывают. При этом часть пара возвращается через клапан 9 и выходной патрубок 10 в паропровод, обеспечивая в пароперегревателе 4 давление, равное статическому давлению в паропроводе P₁. Температуру T₁ и давление P₁ измеряют соответственно каналами с датчиком температуры 5 и давления 6.

После измерений давления и температуры клапан 9 запирают. Через короткий промежуток времени, достаточный для запирания клапана 9, с электронного блока подают ток на нагреватель 7 и температура в пароперегревателе 4 нарастает до температуры перегрева пара; при этом не имеет значения, на сколько градусов пар оказался перегрет. Указанное обстоятельство позволяет заложить величину перегрева ΔT (например, 20°C) заранее в память электронного блока 8 как константу. Таким образом, система автоматического регулирования температуры в пароперегревателе будет повышать температуру до значения T₂=T₁+ΔT.

Поскольку процесс происходит при постоянном объеме (изохорическое нагревание), то с ростом температуры растет давление массы m_С+m_К перегретого пара в камере. Производят измерения температуры T₂ и давления P₂ пара каналами измерений с датчиками температуры 5 и давления 6. После окончания измерений отключают ток на нагреватель 7 и открывают клапана 3 и 9. На этом цикл измерений завершается. Температура и давление в пароперегревателе 4 понижаются до значений этих параметров в паропроводе 1, пароперегреватель заполняет новая порция пара с параметрами, равными их значениям в паропроводе, и весь цикл работы устройства повторяется.

Полученные результаты измерений P₁, T₁, P₂, T₂ используются для вычисления сухости пара X. Выражение для вычислений получают из следующих соображений. В объеме v пароперегревателя исходно содержится объемная доля x сухого пара v_С и часть объема v_В, занятого капельной влагой, доля которой составляет 1-x:

Поскольку плотность жидкой воды на три порядка выше плотности пара, то, соответственно, занимаемый ею объем на три порядка меньше объема, занимаемого сухим паром. Поэтому в паропроводах, где массовая доля сухого пара x больше массовой доли жидкой фазы 1-x, первым слагаемым в правой части выражения (2) можно пренебречь и считать, что весь объем измерительной камеры v занят сухим паром при давлении P₁ и температуре T₁. Свойства сухого пара близки к свойствам идеального газа, поэтому с погрешностью не более единиц процентов их можно записать в виде уравнения Клапейрона:

где R - газовая постоянная водяного пара.

После нагрева объема v пара до температуры T₂ давление в камере P₂ будет определяться всей массой воды m_С+m_К, поскольку капельная фаза так же перейдет в состояние сухого пара и, следовательно,

Почленное деление выражения (3) на (4) после элементарных преобразований дает с учетом (1) искомую зависимость степени сухости пара от его измеренных параметров:

В случаях высоких давлений пара (выше 5 МПа) или повышенных требований к точности результатов измерений (относительная погрешность не должна превышать долей процента) вместо уравнения (5) необходимо пользоваться табличными значениями состояния пара.

Использование одних и тех же датчиков давления и температуры для измерения последовательно во времени параметров пара до и после нагрева позволяет сократить количество измерительных каналов и снизить погрешность измерения степени сухости пара. Погрешность снижается за счет снижения числа измерительных каналов до двух и того, что результаты измерений давлений одним датчиком (аналогично и температуры) содержат сильно коррелированные значения случайной погрешности измерений, ведущих к снижению случайной составляющей погрешности конечного результата, вычисляемого по выражению (5).

Дополнительным достоинством измерителя является то обстоятельство, что пар из системы измерений после выполнения измерительных процедур возвращается в паропровод, не снижая КПД генератора пара или паропровода.

Одна из составляющих погрешности измерения сухости пара связана с непостоянством скорости потока в паропроводе 1, создающим дополнительное (к статическому) давление в пароперегревателе 4 за счет скоростного напора. Указанную погрешность можно исключить, если при любой скорости потока в паропроводе 1 обеспечить в пароперегревателе 4 исходное давление пара, равное его статическому давлению в паропроводе. С указанной целью выходной патрубок 10 выполняется в виде трубки, заваренной на конце и расположенной по оси паропровода, а отверстия для выхода пара из пароперегревателя размещают на ее боковой поверхности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. Справочник, книга 2. Под общей редакцией Григорьева В.Α., Зорина В.М. - М.: «Энергоатомиздат», 1988.

2. Способ контроля степени сухости влажного пара - Патент России 2380694, G01N 25/60.

3. Прибор для непрерывного измерения влажности пара - Авторское свидетельство СССР 239610, G01K.