Вопрос использования средств измерения перегретого пара для решения задач контроля тепла и массы в паропроводах влажного и насыщенного пара

Вопрос использования средств измерения перегретого пара для решения задач контроля тепла и массы в паропроводах влажного и насыщенного пара к. т. н., А. В. Коваленко Используемые измерители перегретого пара определяют: давление, температуру, и, один «расходный параметр». Как уже отмечалось, этой информации недостаточно для определения тепла и массы влажного пара [1].

С целью обеспечения возможности контроля тепла и массы влажного пара для таких измерителей планируют использование вычислителей с возможностью ввода коррекции по параметру «степени сухости». Однако такое решение задачи контроля параметров влажного пара, на базе известного уровня техники, следует признать недостаточно эффективным.

В паропроводах перегретого пара сигнал «расходного параметра» этих измерителей соответствует массовому расходу контролируемого потока. Расход перегретого пара может быть представлен следующим математическим выражением:

(1.1).

где: — расход перегретого пара;

— плотность перегретого пара;

— скорость перегретого пара в паропроводе;

— сечение контролируемого потока.

Плотность перегретого пара является известной функцией давления и температуры пара в контролируемом паропроводе.

Для определения скорости потока перегретого пара () может быть использован любой приемлемый измеритель «расходного параметра», например измерительная диафрагма.

Таким образом, расход перегретого пара определяется по измеряемым сигналам «расходного параметра», температуры и давления. Для определения параметров перегретого пара эта расчетная модель является идеальной.

Однако перегретый пар, в процессе использования, или потерь, его тепловой энергии, неизбежно становится влажным паром.

Расход влажного пара может быть представлен следующим математическим выражением:

(1.2).

где: — расход влажного пара;

• — расход паровой фазы влажного пара (фаза насыщенного пара);
• — расход жидкой фазы влажного пара;
• — истинное объемное паросодержание потока влажного пара;
• — скорость движения паровой фазы потока;
• — скорость движения жидкой фазы потока.

/ - насыщенный пар с температурой насыщенных паров; - влажный пар; - вода с температурой насыщенных паров /.

Плотности фаз влажного пара являются известными функциями давления пара в контролируемом паропроводе. Другие же параметры влажного пара, например, такие как:, ,, ,, измерителями перегретого пара не могут быть определены. В этой ситуации не имеет смысла коррекция сигнала «расходного параметра» измеренным значением степени сухости по той причине, что этот сигнал физически не соответствует расходу потока или его фаз. Такой сигнал «расходного параметра нуждается не в коррекции, а … в подгонке.

Обозначенная проблема контроля тепла и массы влажного пара может быть в деталях показана на конкретных примерах.

Пример системы измерения расхода. Система измерения расхода пара с использованием напорных трубок специальной конструкции по патенту на изобретение № 2 243 508 (RU). В этой системе (устройстве) определения расхода измеряются статическое давление и перепад давлений () между двумя напорными трубками в контролируемом потоке пара на выходе реактора, приемное окно одной напорной трубки направлено навстречу потоку, а другой — по потоку [2].

Из опубликованных источников известно, что результаты испытаний этой системы в паропроводах АЭС и ТЭС показывают преимущество использования напорных трубок перед другими измерителями параметров пара. В частности, показано их преимущество перед измерительными диафрагмами, в надежности и простоте конструкции, простоте и удобстве монтажа, в практическом отсутствии потерь напора [2].

В паропроводе реактора, например энергоблоков ВВЭР-1000, течет влажный пар со степенью сухости, не превышающей значение 0,98. В связи с этим перепад давления () измеряемый двумя напорными трубками устройства формируется обеими фазами контролируемого потока. Зависимость этого перепада давлений на напорных трубках от параметров потока может быть представлена следующим математическим выражением:

(1.3).

где: — коэффициент сигнала двух измерительных трубок;

• — истинное объемное паросодержание потока влажного пара;
• — скорость движения паровой фазы потока;
• — скорость движения жидкой фазы потока;
• — плотность паровой фазы;
• — плотность жидкой фазы.

Приведенное выше уравнение (1.3) содержит три неизвестных параметра потока (,) и коэффициент () сигнала измерительных трубок устройства. Другой информации для решения задачи в эту систему не поступает. В связи с этим задача определения расхода влажного пара не может быть решена без использования дополнительной информации или ввода ограничивающих условий.

Рассматриваемому устройству, для определения расхода контролируемого потока влажного пара необходимо как-то определять, или, где-то брать значения, , и .

Это устройство используется в системе регулирования уровня теплоносителя в реакторах АЭС. Система обработки информации устройства использует однофазную модель потока. Это следует из текста и формул в его описании [3]. Таким образом, реальное присутствие жидкой фазы, в контролируемом потоке, этим устройством игнорируется. Основная расчетная формула устройства по патенту на изобретение № 2 243 508 (RU) может быть представлена следующим образом:

(1.4).

То есть, используется уравнение (1.3) при фиксированном значении (равном единице) истинного объемного паросодержания (). Непосредственно из уравнения (1.4) видно как это искажает расчетное значение параметра скорости паровой фазы потока. Левая сторона формулы — измеряемый параметр, формируемый двумя движущимися с разными скоростями (сплошной паровой и, в ее объеме, дисперсной жидкой) фазами потока. Правая сторона формулы — произведение плотности паровой фазы (функция статического давления) на квадрат скорости паровой фазы потока.

Другой пример. Устройство по патенту № 2 444 726 (RU) содержит паропровод с избирательным (селективным) к свойствам и параметрам паровой фазы измерителем «расходного параметра» (например, трубку Пито приемное окно которой, направлено по потоку), измеритель статического давления, и, измеритель степени сухости [4].

• — По сигналу статического давления () определяют необходимые «табличные» параметры потока, например: плотности и удельные теплосодержания его фаз:
• — плотность паровой фазы;
• — плотность жидкой фазы;
• — энтальпию паровой фазы;
• — энтальпию жидкой фазы.
• — Сигнал измерителя динамического разрежения (если предварительно определен или где-то взят коэффициент) позволяет определить скорость паровой фазы потока:

(2.1).

где: — сигнал измерителя динамического разрежения;

• — коэффициент сигнала измерителя динамического разрежения;
• — плотность паровой фазы;
• — скорость паровой фазы потока влажного пара.
• — По сигналу измерителя степени сухости определяют отношение расхода паровой фазы (фазы насыщенного пара) к общему расходу контролируемого потока:

(2.2).

Решение системы двух уравнений (2.1) и (2.2) с тремя неизвестными параметрами:, ,, и четвертым неизвестным коэффициентом возможно только с привлечением дополнительной информации.

Такой дополнительной информацией для решения задачи может стать параметр скольжения фаз (). Отношение «местной» величины (истинное объемное паросодержание) к «расходной» величине (расходное объемное паросодержание) в технике именуемое параметром скольжения фаз (). Параметр скольжения фаз (), является слабой функцией давления, и может быть определен по эмпирической формуле () [5].

Таким образом, для решения задачи получают третье уравнение:

(2.3).

Если как-то определить или где-то взять коэффициенты (, ,) система трех уравнений (2.1), (2.2), (2.3) с тремя неизвестными параметрами потока (, ,) по сигналам измерителей устройства (по патенту № 2 444 726) позволяет решать задачу контроля тепла и массы потока влажного пара. Показанное решение выглядит весьма громоздким, однако в некоторых условиях реализации отмеченный недостаток является ничтожным. Следует так же принимать во внимание то, что определяемые этим устройством параметры пара отстают от текущего момента на время запаздывания определяемого параметра степени сухости (около 30- 40 сек).

В представленной работе на конкретных примерах показано, что:

— Известные измерители перегретого пара не обеспечивают возможности создания системы контроля тепла и массы влажного и насыщенного пара.

Следует признать бесперспективность узлов контроля тепла и массы влажного пара с использованием измерителей перегретого пара. Сами по себе они не контролируют тепло и массу потока влажного пара, а при их дополнении средствами контроля степени сухости, в лучшем случае, образуют, не обеспечивающую требуемой точности, громоздкую систему контроля с существенным запаздыванием определяемых параметров пара.

Следует обратить внимание на уровень техники доступный для решения задач контроля тепла и массы влажного пара: [6,7,8,9,10].

Предлагаемые технические решения являются ядром (варианта) системы контроля текущих параметров влажного пара обеспечивающей возможность нормирования точности по опорным сигналам измерителей степени сухости. Непосредственно нормируется точность контроля истинного объемного паросодержания и скоростей фаз потока. Детальное описание этого варианта системы контроля тепла и массы потока влажного пара будет позже представлено отдельной работой.

пар вычислитель контроль тепло.

• 1. Коваленко А. В. Вопрос создания системы контроля влажного пара для задач учета и технологических целей. Статья на портале РосТепло. Опубликовано 06.02.2012 г.
• 2. А. Г. Агеев, Р. В. Васильева, Ю. С. Горбунов, Б. М. Корольков. Испытания системы измерения расхода пара в паропроводах парогенераторов энергоблока № 3 Балаковской АЭС в динамических режимах. / Журнал «Новое в Российской электроэнергетике», № 11, 2007 г./
• 3. Агеев А. Г. и др. Патент РФ на изобретение № 2 243 508. Устройство для измерения расхода пара в паропроводе. Бюллетень изобретений, 27.12.2004 г. /Патентообладатель ЭНИЦ/
• 4. Коваленко А. В. Патент РФ на изобретение № 2 444 726 (RU). Устройство для контроля тепловой мощности, массового расхода, энтальпии и степени сухости потока влажного пара. Бюллетень изобретений № 7, 2012 г.
• 5. Тонг Л. Теплопередача при кипении и двухфазное течение. М.: Мир, 1969. -344 с.
• 6. Коваленко А. В. Патент РФ на изобретение № 2 380 694 (RU), МКП G01N25/60. Способ контроля степени сухости влажного пара / А. В. Коваленко // Бюллетень изобретений. 2010. № 3. № 2 008 119 269. Приоритет 15.05.2008 г.
• 7. Коваленко А. В. Патент РФ на изобретение № 2 459 198 (RU), Устройство для контроля степени сухости, энтальпии, теплового и массового расходов влажного пара. Бюллетень изобретений № 23, 2012 г.
• 8. Коваленко А. В. Заявка на изобретение № 2 011 129 977 (RU). Устройство для определения степени сухости потока влажного пара. Приоритет от 19.07.2011 г. Решение о выдаче патента на изобретение от 09.07.2012 г.
• 9. Коваленко А. В. Заявка на изобретение № 2 011 120 638 (RU). Способ контроля истинного объемного паросодержания и скоростей фаз потока влажного пара в паропроводе парогенератора. Приоритет от 20.05.2011 г. Решение о выдаче патента на изобретение от 12.10.2012 г.
• 10. Коваленко А. В. Заявка на изобретение № 2 011 121 705 (RU). Способ контроля истинного объемного паросодержания и скоростей фаз потока влажного пара в паропроводе на потоке. Приоритет от 27.05.2011 г. Решение о выдаче патента на изобретение от 12.10.2012 г.