Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ДАТЧИКАМИ СКОРОСТИ

Изобретение относится к области измерительной техники, предназначено для определения расхода теплоносителя.

Известен способ определения расхода теплоносителя. Способ определения расхода теплоносителя датчиком скорости заключается в том, что устанавливают датчик скорости в точку с координатой z=(0,242±0.012)R_тр, определяют расход теплоносителя в трубе Q=W_cpF_тр, где R_тр - радиус трубы, W_cp - средняя по сечению трубы скорость теплоносителя, F_тр - площадь поперечного сечения трубы (Расход жидкости и газа. Методика выполнения измерений по скорости в одной точке сечения трубы. ГОСТ 8.361-79 [1]).

Недостатки способа:

1. Равенство скорости W теплоносителя средней скорости W_cp в точке с координатой z=(0,242±0.012)R_тp справедливо только в области развитого турбулентного режима течения.

2. Определение расхода невозможно при нестабилизированном профиле скорости.

Известно, что стабилизация течения достигается на длине 40d_r и выше (Сборник трудов ГНЦ РФ ФЭИ в трех томах. Том 1. Гидродинамика и безопасность ядерных энергетических установок. Обнинск, 1999 г. [2]). Как правило, при измерении расхода установка датчиков производится на длине гораздо меньшей, чем та длина, на которой достигается стабилизация профиля скорости. В связи с этим профиль скорости еще не установлен и, следовательно, рекомендации по измерениям расхода датчиком скорости описанные выше, не корректны.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ определения расхода теплоносителя датчиком скорости, заключающийся в том, что устанавливают в точку измерения (точка, где W=W_макс, центр трубы) по сечению трубы датчик скорости, определяют скорость теплоносителя в точке установки датчика W_изм, определяют расход теплоносителя Q=k_vW_измF_тр, где k_v - предварительно заданный коэффициент расхода, k_v=W_cp/W_изм (Расход жидкости и газа. Методика выполнения измерений по скорости в одной точке сечения трубы. ГОСТ8.361-79 [1]).

Недостатки способа:

1. Для определения расхода необходимо знать k_v. Коэффициент расхода k_v в значительной мере зависит от коэффициента шероховатости ξ. В зависимости от ξ, расхождение в значениях k_v может доходить до 6-7% (П.В. Лобачев, Ф.А. Шевелев Измерение расхода жидкости и газов в системах водоснабжения и канализации. Изд. 2-е, переработанное и дополненное. Москва. Стройиздат 1985 [3]). Как правило, коэффициент шероховатости стенки трубы, в которой проводят измерение, неизвестен. Для повышения точности определения расхода необходимо экспериментально определять k_v. Точное определение k_v возможно выполнить лишь в лабораторных условиях. При определении расхода на промышленных установках экспериментальное определение k_v затруднено, а в ряде случаев практически невозможно.

Предлагается

Способ определения расхода теплоносителя датчиками скорости, заключающийся в том, что устанавливают в точку измерения по сечению трубы датчик скорости, измеряют скорость теплоносителя в точке установки датчика W_изм, определяют расход теплоносителя Q, отличающийся тем, что дополнительно устанавливают по крайней мере один датчик скорости, определяют расход теплоносителя на основе частного вида профиля скорости

где D_тр - диаметр трубопровода, W(r, φ) - частный вид профиля, а частный вид профиля скорости определяют на основе измеренных датчиками скорости значений скоростей и общего вида профиля скорости, а общий вид профиля скорости определяют на основе теоретических представлений и предварительных модельных опытов

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении точности определения расхода теплоносителя, что обеспечивается тем, что дополнительно устанавливают по крайней мере один датчик скорости, определяют расход теплоносителя на основе частного вида профиля скорости

где D_тр - диаметр трубопровода, W (r, φ) - частный вид профиля скорости, а частный вид профиля скорости определяют на основе измеренных датчиками скорости значений скоростей и общего вида профиля скорости, а общий вид профиля скорости определяют на основе теоретических представлений и предварительных модельных опытов

Достижение технического результата обеспечивается за счет определения на основе теоретических представлений и предварительных модельных опытов общего вида профиля скорости, определения на основе измеренных скоростей и общего вида профиля скорости частного вида

3

профиля, последующего интегрирования частного вида профиля и определения расхода теплоносителя.

Расход теплоносителя датчиком скорости определяется следующим образом:

1. Устанавливают в точки измерения по сечению трубы по крайней мере два датчика скорости.

2. Определяют скорость теплоносителя в точках измерения скорости W_изм.

3. Определяют на основе модельных экспериментов и теоретических представлений общий вид профиля скорости.

4. На основе общего вида профиля (функции), полученного предварительно на основе модельных опытов и теоретических представлений, определяют частный вид профиля скорости по измеренным значениям скорости.

5. Определяют расход теплоносителя на основе интегрирования частного вида профиля скорости

где D_тр - диаметр трубопровода, W(r, φ) - частный вид профиля скорости.

Пример конкретного выполнения

В настоящее время на паропроводах парогенераторов Балаковской АЭС установлены пневмометрические трубки ПТ, конструкция которых аналогична показанной на фиг. 1, аналогичная ПТ использована в (Патент России 2243508(13) С2, МПК3 G01F 1/34, 1/50 (2006.01). Устройство для измерения расхода пара в паропроводе / Б.И. Нигматулин, А.Г. Агеев, Р.В. Васильева, С.Ю. Будукин, Б.М. Корольков и др. // Заявка №2002126527 от 07.10.2002, опубликовано 20.04.2004 Бюл. №11, [4]). Все три ПТ установлены в одном сечении паропровода на расстоянии z=(0,242±0.012)R_тp.Сечение трубопровода (паропровода), в котором размещены ПТ, расположено на относительном расстоянии от гиба трубы l/d_тр=3.2.

Для определения общего вида профиля скорости, имеющего место в паропроводе Балаковской ПТ, были выполнены экспериментальные исследования, моделирующие ситуацию, имеющую место на паропроводах Балаковской АЭС.

При определении общего вида профиля использовались следующие положения теории моделирования.

1. Процессы в модели (труба с гибом на стенде) и образце (паропровод) относятся к одному классу явлений;

2. Эти процессы описываются одними и теми же уравнениями [5-7];

3. Соблюдается геометрическое подобие;

Известно, что коэффициенты сопротивления различных поворотов (гибов) оказываются независимыми от числа Re при Re≥10⁴ [6]. В нашем случае число Re в модельном трубопроводе 50000÷73700, что выше числа Re, при котором наступает автомодельный режим. При наличии автомодельности изучение различных характеристик можно проводить на моделях при числах Re, меньших, чем в натурном трубопроводе.

В качестве модельной жидкости использовалась вода, участок паропровода моделировался трубопроводом диаметром 90 мм с гибом радиуса 200 мм. Профиль скорости измерялся трубкой Пито-Прандтля.

На фиг. 2 показаны данные по измерению скорости потока в сечении за гибом трубы, построенные в безразмерных координатах , (линии с маркерами). Измерения проводились путем перемещения зонда в вертикальной плоскости (плоскости гиба трубы) по диаметру от одной стенки трубы до другой (снизу вверх) при различных скоростях среды. Как видно, фиг. 2, представленные профили скорости близки друг к другу и их можно рассматривать как подобные.

Измеренный в эксперименте профиль скорости в безразмерном виде был описан в общем виде сигмоидальной функцией (аналитической кривой)

где - безразмерная скорость, W_cp - средняя скорость потока, - безразмерная координата, отсчитываемая от выпуклой стенки трубы, D_тр - диаметр трубопровода, а ₁, а ₂, х₀ и р - свободные безразмерные параметры, δ_в - толщина вязкого подслоя, определялась на основе известных зависимостей.

На основе данных по скоростям среды, полученных в модельных экспериментах, методом наименьших квадратов были определены значения свободных параметров для общего вида профиля - зависимость (2). При этом были получены следующие значения

Используя геометрические размеры реального трубопровода (паропровода) и полученный общий вид профиля скорости, определяем в размерном виде, частный вид профиля скорости W(x), записанный функциональной зависимостью аналогичной (2). Значения параметров a ₁ и а ₂, имеющих в этом случае размерность скорости, вычислялись по показаниям двух датчиков скорости , установленных в реальном трубопроводе (паропроводе).

где - скорости, измеренные в точках с безразмерными координатами x_i, i=1,2. Значения параметров х₀ и р использовались те же самые, что были получены для безразмерного профиля скорости (см. (2)).

В данном случае искомый частный профиль W(r, φ) выражался следующим образом

где W₀(у) - аппроксимация профиля скорости в плоскости гиба трубопровода, у₀ - координата центра трубы, δ_в - толщина вязкого подслоя.

На основе полученного общего вида профиля скорости и значений скорости, определенных датчиками скорости (пневмометрические трубки) по предлагаемой методике был определен расход пара в паропроводе ПГ 3-го блока Балаковской АЭС. Сравнение с измеренным расходом воды (питательная вода) дало ошибку 1,5%.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить точность определения расхода теплоносителя. Последнее обеспечивается за счет определения на основе теоретических представлений и предварительных модельных опытов общего вида профиля скорости, определения на основе измеренных скоростей и общего вида профиля скорости частного профиля скорости, последующего интегрирования этого профиля скорости и определения расхода теплоносителя.

Источники информации

1. Расход жидкости и газа. Методика выполнения измерений по скорости в одной точке сечения трубы. ГОСТ 8.361-79.

2. Сборник трудов ГНЦ РФ ФЭИ в трех томах. Том 1. Гидродинамика и безопасность ядерных энергетических установок. Обнинск, 1999 г.

3. П.В. Лобачев, Ф.А. Шевелев Измерение расхода жидкости и газов в системах водоснабжения и канализации. Изд. 2-е, переработанное и дополненное. Москва. Стройиздат, 1985.

4. Патент России 2243508(13) С2, МПК3 G01F 1/34, 1/50 (2006.01). Устройство для измерения расхода пара в паропроводе / Б.И. Нигматулин, А.Г. Агеев, Р.В. Васильева, С.Ю. Будукин, Б.М. Корольков и др. // Заявка №2002126527 от 07.10.2002, опубликовано 20.04.2004 Бюл. №11.

5. Кутателадзе С.С. Анализ подобия в теплофизике. - Новосибирск, 1982. - 280 с.

6. Мигай В.К. Моделирование теплообменного энергетического оборудования. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1987. - 264 с.

7. Механика жидкости и газа: Учебное пособие для вузов, 2-е изд., перераб. и доп. / Под ред. B.C. Швыдкого. - М.: ИКЦ "Академкнига", 2003. - 464 с.

Способ определения расхода теплоносителя датчиками скорости, заключающийся в том, что устанавливают в точку измерения по сечению трубы датчик скорости, измеряют скорость теплоносителя в точке установки датчика W, определяют расход теплоносителя Q, отличающийся тем, что дополнительно устанавливают, по крайней мере, один датчик скорости, определяют расход теплоносителя на основе частного вида профиля скорости где D - диаметр трубопровода, W(r, φ) - частный вид профиля скорости, а частный вид профиля скорости определяют на основе измеренных датчиками скорости значений скоростей и общего вида профиля скорости, а общий вид профиля скорости определяют на основе теоретических представлений и предварительных модельных опытов.