Вопрос создания системы контроля влажного пара для задач учета и технологических целей

Вопрос создания системы контроля влажного пара для задач учета и технологических целей

к.т.н. А.В. Коваленко

Энергетические затраты в отраслях промышленности и в жилищно-коммунальном комплексе России более чем в три раза выше соответствующих затрат в развитых странах Запада. Причиной такого высокого уровня затрат в России является низкая эффективность при производстве, передаче и использовании тепловой энергии [1].

Определяющий приоритет в задачах повышения энергетической эффективности при производстве, передаче и использовании тепловой энергии был, и, остается за решением задач контроля тепла и массы в потоках пара на всех уровнях его энергетического состояния. Контроль пара необходим как в перегретых его потоках, так и в насыщенном и во влажном их состоянии, как на источниках пара, так и у потребителя, как для задач учета, так и для технологических целей.

Контроль потоков на источниках перегретого пара обеспечен существующими средствами измерения. Задачей требующей неотлагательного решения остается контроль тепла и массы потоков насыщенного и влажного пара. Отсутствие внимания к решению этих задач контроля, на примере объекта нефтедобывающего комплекса, показано в работе [4]. В этом материале демонстрируется, неконтролируемое службой эксплуатации, «скатывание» режимов работы парогенератора в зону низкой эффективности производства пара и уменьшения его реальной теплопроизводительности. пар энергетический тепловой энергия Поток влажного пара определяется тремя независимыми параметрами: истинным объемным паросодержанием, скоростью движения паровой фазы, и функциями давления, например: плотностей фаз и, параметра их скольжения [2].

Для контроля тепла и массы влажного пара складывается практика использования технических средств, имеющих физическое обоснование только для контроля однофазных сред, например перегретого пара. Используемые при этом расходомеры, в общем случае, измеряют: давление, температуру, и, «расходный параметр».

В случае контроля перегретого пара «расходный параметр» этих измерителей соответствует объемному и массовому расходу потока. В случае же влажного пара их «расходный параметр» не соответствует ни объемному, ни массовому расходу потока. В потоке влажного пара измерители однофазных сред занижают значение расхода — «теряют массу» (до 40 и более, процентов).

Есть мнение что, такая ситуация возникает вследствие того, что эти расходомеры, не реагируя на «пролетающую» жидкую фазу, правильно измеряют скорость или расход только паровой фазы потока. Этому мнению нет ни теоретического обоснования, ни экспериментального подтверждения.

Есть факты, которые позволяют считать идею использования расходомеров однофазных сред для контроля параметров влажного пара непродуктивной, например:

• 1. Неполный информационный базис измерителя. Так, для контроля двухфазного потока влажного пара необходимо знать: скорость паровой фазы, параметр скольжения фаз, степень сухости и, плотности фаз. Измеряются же только: статическое давление и, «расходный параметр», который без достаточного обоснования отождествляется с расходом паровой фазы потока.
• 2. «Расходный параметр» используемых в промышленности измерителей не является однозначной функцией расхода паровой фазы потока влажного пара.

В этой ситуации, если даже дополнить информационный базис этих измерителей сигналом параметра степени сухости, то не появляется основание для получения приемлемой точности определения тепла и массы контролируемого потока влажного пара.

Обратимся к возможной «расчетной схеме»: — по сигналу статического давления определяют необходимые «табличные» параметры потока, например: плотности и удельные теплосодержания фаз потока, параметр скольжения фаз (параметр скольжения фаз есть «слабая функция» давления, которую определили для ограниченного диапазона давления, расхода и геометрии паропровода [3]);

• — по сигналу измерителя степени сухости (предположим, что он есть) и значению параметра скольжения фаз определяют истинное объемное паросодержание потока;
• — по «расходному параметру» расходомеров переменного перепада давлений, в ограниченном диапазоне параметров может быть определена скорость движения паровой фазы (Для расходомеров другого типа нет информации о положительном результате их работы в потоке влажного пара).

По полученным, таким образом, промежуточным параметрам могут быть определены расход тепла и массы потока влажного пара, с оговорками:

• 1. Необходим аттестованный измеритель степени сухости влажного пара.
• 2. Должна быть строго обоснована селективность используемого измерителя «расходного параметра» к паровой фазе влажного пара.
• 3. Для конкретного трубопровода и диапазона расходов, должны быть исследованы и уточнены параметры эмпирической зависимости константы скольжения фаз от статического давления.

Уровень техники, характеризующий состояние вопроса контроля влажного пара:

• — Появились вычислители, в которых предусмотрена возможность ввода корректирующего коэффициента по параметру степени сухости.
• — Известны измерители качества (степени сухости) влажного пара в паропроводах на потоке, дающие возможность реализовать идею измерения расхода влажного пара расходомерами однофазных сред, дополнением их информационного базиса параметром степени сухости. До настоящего времени они остаются невостребованными.
• — Известно техническое решение идеи использования расходомера однофазных сред для контроля расходных параметров влажного пара [5]. Устройство, реализующее упоминаемую идею, использует все признаки способа контроля степени сухости [6] и, дополнительно содержит измеритель «расходного параметра» обладающий избирательностью к массовому расходу паровой фазы контролируемого потока влажного пара (например: трубки Пито-Прантля, сужающие устройства).

Информационный базис этого устройства обеспечивает решение задачи контроля расхода влажного пара. При этом используемый «расходный параметр» обладает избирательностью к массовому расходу паровой фазы (есть строгая функциональная зависимость от скорости движения паровой фазы). Степень сухости связана с истинным объемным паросодержанием. Статическое давление определяет значение плотностей фаз и параметр их скольжения в потоке.

Есть и, два других варианта реализации этой идеи. В каждом другом варианте используется другой измеритель степени сухости потока влажного пара.

Реализация такого расходомера влажного пара достаточно громоздкая. Как вариант, для «рабочего» контроля тепла и массы потока влажного пара это устройство вызывает сомнение. В то же время, для ряда объектов его использование идеально, так как, при этом, используется имеющееся в эксплуатации технологическое оборудование и уже установленные приборы, например на парогенераторе УПГ-60/16М [4].

Из представленного материала следует, что: создание технических средств контроля важного пара остается актуальной задачей.

Нужны более компактные и не сложные технические решения. Предпочтителен отказ от измерителей с безвозвратным отбором пробы пара. Необходима система исследования, настройки, аттестации и периодической метрологической поверки измерителей параметров двухфазного потока влажного пара. Расходомеры влажного пара должны реализовываться на информационном базисе трех измеряемых параметров: статического давления и, двух других независимых параметров имеющих физически обоснованную функциональную связь с истинным объемным паросодержанием, и скоростью движения паровой фазы.

От новых технических решений следует потребовать выполнение следующих функций:

А. Возможность экспериментального исследования рабочих и, образцовых средств контроля влажного пара. Возможность определения настроечных констант (коэффициентов) и, нормирования точности определения контролируемых параметров.

Б. «Рабочий контроль» степени сухости, энтальпии, теплового и массового расходов, а так же других параметров потока влажного и перегретого пара в паропроводах источников, передающих сетей и, потребителей пара с нормируемым значением точности.

В. Метрологическую поверку рабочих средств контроля на местах их эксплуатации или на специально оборудованных участках.

Выполнение названных функций обеспечиваются следующим составом технических решений:

• 1. Устройство для исследования средств контроля потока влажного пара. Приоритет 06.12.2011 г.
• 2. Устройство для контроля степени сухости, энтальпии, теплового и массового расходов влажного пара. Приоритет от 22.02.2011 г.
• 3. Способ контроля истинного объемного паросодержания и скоростей фаз влажного пара в паропроводе на потоке. Приоритет от 27.05.2011 г.

Комментарий по предлагаемым техническим решениям.

1.1. «Устройство для исследования средств контроля потока влажного пара» может создавать поток пара с перегревом, или поток влажного пара со степенью сухости от 1,0 до 0,3 и, ниже, в актуальном для исследований диапазоне расходов; с нормируемой точностью определения степени сухости, теплового и массового расходов, скоростей фаз и истинного объемного паросодержания.

Погрешность определения параметров не более 2,5%.

Устройство предназначено для определения настроечных констант, аттестации и, исследования рабочих и образцовых средств контроля влажного пара. В частности, на этом устройстве настраиваются и исследуются средства, предназначенные для «рабочих измерений»; средства контроля степени сухости потока влажного пара; средства, обеспечивающие метрологическую поверку измерителей влажного пара.

Устройство реализуется на источниках пара. Для его реализации используются стандартные узлы, применяемые на некоторых типах котельных агрегатов. Устройство содержит участок паропровода влажного пара для монтажа исследуемых средств контроля. Схема реализации и описание в настоящей работе не раскрываются.

В устройстве измеряют массовые расходы, давления и температуры. Погрешность измерения каждой из этих величины не превышает 1,5%.

Определяют тепло потока влажного пара;

Вычисляют степень сухости по измеряемым параметрам тепла и массы потока;

По известным значениям степени сухости, теплового и массового расходов, вычисляются другие параметры, например, истинное объемное паросодержание, скорости движения паровой и жидкой фаз потока влажного пара.

Точность определения вычисляемых параметров нормируется известными функциями погрешностей определения массового расхода, теплового расхода и статического давления потока.

• 2.1. «Устройство для контроля степени сухости, энтальпии, теплового и массового расходов влажного пара», так же как и его прототип [8] содержит:
  • — паропровод, с измерителями статического давления, динамического разрежения и динамического напора;
  • — вычислитель, с подключенными выходами измерителей.

Приемные окна измерителей статического давления, динамического разрежения, динамического напора расположены практически в одной плоскости поперечного сечения потока. Площадь сечения потока, в пределах измерительного участка_, сохраняет постоянное значение. То есть, взаимное положение и форма приемников измерителей, не оказывает возмущающего влияния на поток в зоне измерений. В пределах измерительного участка устройством обеспечивается равномерное распределение фаз по сечению и, равенство скоростей их движения. Для определения целевых и промежуточных параметров потока может быть использована как гетерогенная, так и гомогенная расчетные модели потока влажного пара. Гетерогенная модель потока показана, например, в опубликованной на сайте «РосТепло» статье «Решение задач контроля параметров влажного пара с использованием селективных измерителей». Схема реализации устройства в настоящей работе не раскрываются.

По сигналу измерителя статического давления определяются «табличные» параметры теплоносителя: плотность паровой фазы; плотность жидкой фазы; энтальпия паровой фазы; энтальпия жидкой фазы.

По сигналам измерителей динамического разрежения и динамического напора, для измерительного участка постоянного сечения и равенства скоростей фаз потока, определяют истинное объемное паросодержание.

Расходная плотность потока в пределах «гомогенизированного» измерительного участка соответствует «местной плотности» потока.

Используя известные соотношения, по измеренным, и полученным промежуточным параметрам определяют степень сухости, энтальпию, тепловой и массовый расход потока влажного пара.

3.1. «Способ контроля истинного объемного паросодержания и скоростей фаз влажного пара в паропроводе (на потоке)».

Устройство, осуществляющее предлагаемый способ содержит:

• — участок паропровода, с измерителем статического давления, измерителем динамического разрежения, измерителем динамического напора, и измерителем степени сухости;
• — регулирующую задвижку на входе, и регулирующую задвижку на выходе участка;
• — вычислитель.

Использование измерителей статического давления, динамического разрежения и динамического напора показано в прототипе [8]. В качестве измерителя степени сухости может быть использовано известное устройство, обеспечивающее выполнение этой функции [6].

Измеряют: статическое давление, динамическое разрежение, динамический напор, степень сухости. Измерения осуществляют как в исходном режиме, так и в двух дополнительных, измененных режимах течения потока, отличающихся по массовому расходу.

Истинное объемное паросодержание, и скорости фаз потока вычисляют по совокупности измеряемых параметров в исходном и в дополнительных режимах из системы двенадцати нелинейных уравнений:

; (1).

; (2).

; (3).

i = 1, 2, 3 (4).

где: — истинное объемное паросодержание;

• — скорости паровой и жидкой фаз потока;
• — плотности паровой и жидкой фаз потока;
• — коэффициент, учитывающий возмущение от измерителя динамического напора;
• — коэффициент, учитывающий возмущение от измерителя динамического разрежения;

— параметр скольжения фаз (отношение истинного объемного паросодержания к объемному расходному паросодержанию);

• — степень сухости потока влажного пара;
• — динамическое разрежение;
• — динамический напор.

В этой системе двенадцати нелинейных уравнений неизвестными являются следующие параметры:. Последовательность решения аналогичной системы уравнений показана в опубликованной работе [7].

Все полученные таким образом двенадцать параметров являются известными функциями четырех измеряемых величин (измеряют: статическое давление, динамическое разрежение, динамический напор, степень сухости). То есть, погрешность определения каждого из двенадцати параметров определяется известными функциями от погрешностей определения измеряемых величин.

Используя известные функции степени сухости, теплового и массового расходов от полученных значений двенадцати неизвестных параметров, вычисляют их расчетные значения, и значения погрешностей их определения.

Полученные таким образом значения теплового и массового расходов, а так же измеренные значения степени сухости являются образцовыми величинами.

«Рабочие значения» этих параметров определяются из тех же известных функций, однако в уравнениях используют значения коэффициентов, используемые устройством контроля в период его «рабочей эксплуатации».

Способ позволяет осуществлять метрологическую поверку изделия «Устройство контроля степени сухости, энтальпии, теплового и массового расходов влажного пара» на местах их эксплуатации. Дополнительным требованием, обеспечивающим возможность поверки этого устройства «на месте его эксплуатации» является наличие узла отбора проб для временного подключения аттестованного измерителя степени сухости.

Выводы

• 1. Задачей требующей неотлагательного решения остается контроль тепла и массы потоков насыщенного и влажного пара. Нужны более компактные и не сложные технические решения. Необходима система исследования, настройки, аттестации и периодической метрологической поверки.
• 2. Используемые в промышленности и в жилищно-коммунальном комплексе средства контроля не обеспечивают решения задач учета и технологического контроля потоков влажного пара. Их использование не имеет физического обоснования и, не способствует решению задач повышения энергетической эффективности при производстве, передаче и использовании тепловой энергии.
• 3. Представленная в работе совокупность технических решений обеспечивает реализацию всех функций, выполнение которых следует требовать от системы контроля параметров влажного пара для задач учета и технологических целей.

• 1. С. А. Михайлов, В. Г. Семенов. Теплоснабжение Российской Федерации в цифрах. «Новости теплоснабжения», № 08, август, 2002.
• 2. Кутепов А. М., Стерман Л. С., Стюшин Н. Г. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании. М.: Высшая школа, 1977, 350 с.
• 3. Тонг Л. Теплопередача при кипении и двухфазное течение. М.: Мир, 1969. 344 с.
• 4. Контроль теплопроизводительности и эффективности прямоточных парогенераторов влажного пара. «Новости теплоснабжения», № 06, июнь 2011 г.
• 5. Заявка на изобретение № 2 010 132 452 (RU). Устройство для контроля тепловой мощности, массового расхода, энтальпии и степени сухости потока влажного пара; Решение о выдаче патента на изобретение от 13 октября 2011 г.
• 6. Патент РФ на изобретение № 2 380 694 (RU), МКП G01N25/60. Способ контроля степени сухости влажного пара, Бюллетень изобретений. 2010. № 3.
• 7. А.с. СССР на изобретение № 1 288 568, МПК G01N25/60. Способ определения отношения истинного объемного паросодержания к объемному расходному паросодержанию потока влажного пара Бюллетень изобретений. 1987. № 5.
• 8. Патент РФ на изобретение № 1 742 698 (RU), МКП G01N25/60. Устройство для контроля параметров потока влажного пара. Бюллетень изобретений. 1992. № 23.