СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИСТИННОГО ОБЪЕМНОГО ПАРОСОДЕРЖАНИЯ И СКОРОСТЕЙ ФАЗ ПОТОКА ВЛАЖНОГО ПАРА В ПАРОПРОВОДЕ ПОСЛЕ УЗЛА СМЕШЕНИЯ ПОТОКОВ ПЕРЕГРЕТОГО ПАРА И ВОДЫ
METHOD OF DETERMINATION OF ACTUAL VOLUME STEAM CONTENT AND VELOCITIES OF WET STEAM FLOW IN STEAM LINE DOWNSTREAM ASSEMBLY FOR OVERHEATED STEAM AND WATER MIXING

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:
nn
nn
1. По измеряемым значениям расхода перегретого пара, его статического давления и температуры вычисляются значения массового (G) и теплового (Q) расходов входящего в узел смешения потока пара.
воды
воды
2. По измеряемым значениям расхода, статического давления и температуры во входящей линии воды вычисляются значения массового (G) и теплового (Q) 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;
пп
G - массовый расход перегретого пара к узлу смешения;
воды
G - массовый расход воды к узлу смешения.
Тепловой расход с потоком влажного пара после узла смешения:
где Q - тепловой расход влажного пара;
пп
G - тепловой расход перегретого пара;
воды
G - 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.
t
t
t-τ
t-τ
t
t-τ
t
t-τ
t
t-τ
p
t
t-τ
<mrow><msubsup><mi>P</mi><mi>t</mi><mrow><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>P</mi><mrow><mi>t</mi><mo>−</mo><mi>τ</mi></mrow><mrow><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ω</mi><mi>t</mi><mrow><mo>'</mo><mo>'</mo></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ω</mi><mrow><mi>t</mi><mo>−</mo><mi>τ</mi></mrow><mrow><mo>'</mo><mo>'</mo></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ω</mi><mi>t</mi><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ω</mi><mrow><mi>t</mi><mo>−</mo><mi>τ</mi></mrow><mo>'</mo></msubsup></mrow>
Из системы уравнений (9)…(18), в которой используются вычисляемые на текущий момент времени t значения степени сухости (x), массового расхода (G) и выбранные из памяти контроллера вычисляемые параметры степени сухости (x), массового расхода (G) момента времени t-τ в прошлом, отвечающего условию [(
) и (G≠G и(или) Q≠Q)], определяются девять неизвестных параметров (α, α,
,
,
,
, k, c, c) 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;
p
k - коэффициент измерителя динамического разрежения;
G - массовый расход влажного пара после узла смешения;
x - степень сухости потока влажного пара после узла смешения;
p
ΔP - динамическое разрежение потока после узла смешения;
t - текущий момент времени;
t-τ - выбранный (по условию) прошлый момент времени;
с - «константа» скольжения фаз.
<mrow><msubsup><mi>P</mi><mi>t</mi><mrow><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>P</mi><mrow><mi>t</mi><mo>−</mo><mi>τ</mi></mrow><mrow><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow></msubsup></mrow>
t
t-τ
Эта система уравнений может быть решена вводом ограничения на статическое давление (
). Выполнение этого ограничения дает основание считать c=c. (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:
p
p
1. Фиксируя k в точке из области изменения этого параметра (например, k=1,0);
<mrow><msubsup><mi>ω</mi><mi>t</mi><mrow><mo>'</mo><mo>'</mo></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ω</mi><mi>t</mi><mrow><mo>'</mo><mo>'</mo></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ω</mi><mi>t</mi><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ω</mi><mi>t</mi><mrow><mo>'</mo><mo>'</mo></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ω</mi><mi>t</mi><mo>'</mo></msubsup></mrow>
t
t
t
t
p
2. Из уравнения (11) определяют значение
. Используя полученное значение
, из уравнения (9) определяют значение α. Подставляя это значение α в уравнение (10) получают значение
. Подставляя полученные значения α,
,
в уравнение (12), получают значение c при фиксированном значении k.
p
t-τ
3. Из уравнений (13)…(16) при фиксированном значении k аналогичным образом получают значение c.
t
t-τ
p
4. Разность значений c и c определяет «невязку» решения при фиксированном значении k:
t
t-τ
c-c=δ.
<mrow><mrow><mo>|</mo><mi>δ</mi><mo>|</mo></mrow><mo>></mo><mn>0,0001</mn></mrow>
p
5. Если, например, абсолютное значение полученной «невязки» превышает значение ±0,0001 (
), то изменяют фиксированное значение k и возвращаются к пункту 2 алгоритма решения задачи.
<mrow><mrow><mo>|</mo><mi>δ</mi><mo>|</mo></mrow><mo>≤</mo><mn>0,0001</mn></mrow>
p
6. Если абсолютное значение полученной «невязки» не превышает значение ±0,0001 (
), то «утверждаются» принятое значение k 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.