Verfahren zur Bestimmung der Dampffeuchtigkeit und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Dampffeuchtigkeit durch Messen des Anstieges der Enthalpie einer bestimmten Dampfdurchflussmenge bei ihrem Übergang aus dem Zustand des Nassdampfes in den Zustand des überhitzten Dampfes.
Für den wirtschaftlichen Betrieb von Wärmekraftanlagen ist eine ständige Kenntnis der Dampffeuchtigkeit von besonderer Bedeutung, denn sie ermöglicht das Verfolgen des Wirkungsgrades der Dampfturbinen. Ebenso für die konstruktive Entwicklung von Turbinen sind Erkenntnisse über die Strömung des Nassdampfes in der Rohrleitung und vor den Wärmeaustauschern von ausschlaggebender Bedeutung.
Ebenso wichtig und notwendig ist es, die Dampffeuchtigkeit in den Überhitzern bei den Dampfkesseln zu kennen. Die so gewonnenen Erkenntnisse dienen zur Feststellung der Turbinencharakteristik während des Betriebes. Die vorliegende Erfindung setzt sich zum Ziele, mit Hilfe technisch einfacher Mittel verlässliche Unterlagen zu schaffen, die die Entwicklungsarbeiten an Dampfturbinen ermöglichen und erleichtern. Die Anwendung der vorgeschlagenen Messeinrichtung ist selbstredend nicht nur auf Wärmekraftanlagen beschränkt, sondern kann überall dort ausgenützt werden, wo die ständige Kenntnis der jeweiligen Dampffeuchtigkeit betriebstechnisch wichtig ist, wie z. B. in der chemischen Industrie u. a. Bisher wurde die Dampffeuchtigkeit entweder durch die Separationsmethode bestimmt, häufiger noch durch Drosselkalorimeter.
Der Nachteil dieser bekannten Verfahren besteht darin, dass die Messungen mühsam und zeitraubend sind, wobei in den meisten Fällen nicht die Ergebnisse erzielt werden, die unerlässlich sind, besonders eine genügende Genauigkeit. So ist es z. B. nicht möglich, die Messmethode mit einem Drosselkalorimeter bei dem Austrittsdampf von Kondensationsturbinen anzuwenden, da sich auch bei einer grossen isenthalpischen Expansion der aus der Endstufe der Turbine strömende Nassdampf in einen überhitzten Dampf nicht überführen lässt.
Diese Nachteile sollen durch das erfindungsgemässe Verfahren beseitigt werden. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der Anstieg der Enthalpie aus der Heizleistung eines den Nassdampf, dessen Feuchtigkeitsgrad zu bestimmen ist, in überhitzten Dampf überführenden elektrischen Heizkörpers und der gewichtsmässigen Dampfdurchflussmenge durch kontinuierliche Messung dieser beiden Werte, bei gleichzeitiger kontinuierlicher Messung der Temperatur und des Druckes des Nassdampfes sowie des überhitzten Dampfes, ermittelt und der Feuchtigkeitsgrad durch Auftragen des Anstieges der Enthalpie direkt aus einem Wärmediagramm bestimmt wird.
Wird dem Nassdampf, dessen Temperatur mit t0 > der Druck mit pO und der unbekannte Feuchtigkeitsgrad mit x0 bezeichnet ist, mittels der Heizleistung eines Messfühlers eine entsprechende mit Q bezeichnete Wärmemenge zugeführt, so geht der Dampf in einen ganz bestimmten Zustand des überhitzten Dampfes über, dessen Temperatur mit t1 und der Druck mit p1 bezeichnet werden, wobei dieser Über- gang isobarisch erfolgen kann.
Bei der Messung der Durchflussgeschwindigkeit w (bzw. des Volumens vl) und des aus diesen Parametern in an sich bekannter Weise abgeleiteten gewichtsmässigen Durchflusses M, kann a, uf Grund der allgemein bekannten Beziehung für den Anstieg der Enthalpie zwischen den Parametern t5 und p1 des Endzustandes (des Zustandes des überhitzten Dampfes) und den Parametern t0 und pO des Ausgangszustandes (des Zustandes des Nassdampfes) = = Q
M der Grad der Dampffeuchtigkeit x0 direkt aus einem geeigneten Wärmediagramm festgestellt werden.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 ein IS-Diagramm des Wasserdampfes,
Fig. 2 einen Messfühler im Längsschnitt,
Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2,
Fig. 4 einen Querschnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 2,
Fig. 5 einen Querschnitt durch den Messfühler an der Stelle, bei der die Temperatur t0 bzw. t1 gemessen wird,
Fig. 6 die Verwendung eines Messfühlers hinter einer Turbine angeordnet und
Fig. 7 die Verwendung des Messfühlers zum Messen der Feuchtigkeit in einer Rohrleitung.
Fig. 1 stellt ein IS-Diagramm des Wasserdampfes dar. In dieser Figur bedeutet die voll ausgezogene Linie den linken sowie den rechten Teil der Grenzkurve mit dem darin eingetragenen kritischen Punkt K. b. Aus diesem Diagramm sind weiters die Isobaren ersichtlich, die den Drücken PO, pj entsprechen, ferner die Isothermen, die sich auf die Temperaturen t0 und t3 beziehen. Weiters enthält das Diagramm ein System von Kurven gleichen Feuchtigkeitsgrades x. Von diesen Kurven ist die stark ausgezogene, gestrichelte Kurve mit x0 bezeichnet; sie schneidet den Punkt A für den Zustand des Nassdampfes, dessen Feuchtigkeit zu bestimmen ist.
Der Punkt A entspricht den Parametern pO, t0 und x0 des Nassdampfes, der Punkt B den Parametern pt, t1 des überhitzten Dampfes. Die Enthalpie-Differenz der Zustände A-B, -bezeichnet mit Ji, ist durch die Lage der Punkte B-C gegeben. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, besteht das Wesen des beschriebenen Verfahrens darin, dass der Grad der Feuchtigkeit x0 direkt im Wärmediagramm, (z. B. einem IS-Diagramm) aus der Anderung der Enthalpie Aj bestimmt wird, die der Heizleistung Q und der Durchflussmenge M entspricht.
Zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens wird eine Einrichtung vorgeschlagen, die einen Messfühler enthält, der aus einem zylindrischen, vom Nassdampf durchflossenen und umflossenen Hohlkörper besteht, in dem sich eine Messstelle für die Messung des Druckes pO, eine Messstelle für die Messung des Druckes pn, d. i.
der Druck des ausserhalb des Messfühlers strömenden Dampfes, eine Messstelle zum Messen der Temperatur t0, ein Heizkörper, welcher dem Nassdampf von den Parametern p0J t, und x < ' die Wärme Q zuführt, durch deren Einfluss der Nassdampf in den Zustand des überhitzten Dampfes mit den Parametern t1 und Pi, überführt wird, eine Messstelle zur Messung des Druckes ps, eine Messstelle zur Messung der Temperatur tl, die Messstelle für die Messung der Strömungsgeschwindigkeit des überhitzten Dampfes mit Hilfe eines Prandtl-Messrohres, eines Anemometers oder eines Pitot-Messrohres. Die Austrittsseite des Messfühlers ist durch ein Austrittsrohr beendet.
In dem Falle, wo der Druck der Nassdampfes niedriger ist, als der atmosphärische Druck, wird an das Austrittsrohr eine Saugpumpe angeschlossen. Für den Fall, dass der Druck des Nassdampfes niedriger ist, als der Druck übersteigt, ist das Austrittsrohr mit einem regulierbaren Ventil versehen.
In den Fig. 2, 3, 4 und 5 ist eine Ausführungsvariante einer Messvorrichtung dargestellt. Fig. 2 stellt einen Messfühler im Längsschnitt dar. Fig. 3 veranschaulicht einen Querschnitt durch die Stelle, an der der Druck des Dampfes innerhalb des Messfühlers gemessen wird, d. h. der Druck pO bzw. Pl; Fig. 4 stellt den Querschnitt durch die Stelle dar, in welcher der Druck pO, d. i. der Druck des ausserhalb des Messfühlers strömenden Nassdampfes gemessen wird. Fig. 5 veranschaulicht einen Querschnitt durch die Stelle, an der die Temperatur t0 bzw. t gemessen wird.
In all diesen Figuren bezeichnet 1 den Körper des Messfühlers, 2 die Durchbrüche zum Messen der Drücke innerhalb des Messfühlers, die in einem gemeinsamen Rohr angeordnet sind, 3 den Anschluss für ein Mikromanometer. 2a ist die Messstelle des Druckes P0 2b die Messstelle des Drukkes p. Mit 4 sind Durchbrüche bezeichnet, die zum Messen des Druckes des umfliessenden Dampfes dienen, welche in einen gemeinsamen Raum führen, an den der Anschluss 5 für ein nicht dargestelltes Mikromanometer angebracht ist. 6 bezeichnet die Messstellen zum Messen der Temperaturen innerhalb des Messfühlers durch Thermoelemente. Diese Messstellen sind ebenfalls in einem gemeinsamen Verbindungsrohr zusammengefasst, durch das die Leitungsdrähte der Thermoelemente herausgeführt sind.
6a bezeichnet die Messstelle für die Temperatur t,; 6b die für die Temperatur t. 8 stellt einen Heizkörper dar, der durch ein direkt beheiztes Gitter oder ein System von Spiralen gebildet ist, die von dem Dampf umfiossen werden. 9 ist das Austrittsrohr des Messfühlers. 10 sind die Millivoltmeter zum Messen der Thermoelementströme. 11 ist der Bezugspunkt für die Messung der Temperatur mittels der Thermoelemente. 12 ist ein Wattmeter zur Messung der Heizleistung des Heizkörpers 8, d. h. des Wertes Q. 13 ist ein Potentiometer für die Regulierung der Heizleistung des Heizkörpers 8. 14 ist eine Einrichtung zum Messen der Durchflussgeschwindigkeit des überhitzten Dampfes, der in diesem Falle durch ein Prandtl-Messrohr dargestellt ist.
Es kann auch eine Einrichtung für das Messen des Volumens des durchflossenen überhitzten Dampfes verwendet werden, die sich anderer an sich bekannter Elemente bedient.
Fig. 6 und 7 stellen zwei Beispiele dar, für die Verwendung der Vorrichtung für einzelne Betriebszwecke. Fig. 6 veranschaulicht die Verwendung des Messfühlers zur Messung der Dampffeuchtigkeit hinter der Turbine, wo der Druck erheblich niedriger ist, als der atmosphärische Druck. In dieser Zeichnung stellt 1 den Körper des Messfühlers mit dem Austrittsrohr 9 dar, und der angeschlossenen Saugpumpe 15.
Die Fig. 7 stellt die Verwendung des Messfühlers für Zwecke der Messung der Dampffeuchtigkeit in der Rohrleitung, wo der Druck grösser ist als der atmosphärische Druck. In dieser Figur stellt 1 den Körper des Messfühlers dar, mit dem Austrittsrohr 9 und dem Regulierventil 16. Die angeführten Beispiele erschöpfen bei weitem nicht alle Möglichkeiten der Ausnützung des beschriebenen Verfahrens und der zu seiner Ausführung vorgeschlagenen Vorrichtung.
Dieselben können in verschiedenen Kombinationen den jeweiligen Betriebszwecken angepasst werden.
Die konstruktive Ausführung der Messvorrichtung kann unterschiedlich sein, so z. B. kann der Messfüh ler ausserhalb des strömenden Mediums angebracht werden, d. h. der Messfühler wird vom Nassdampf durchflossen, der einer von dem Dampf durch flossenen und umflossenen Abnahmesonde entnommen wird. In diesem Falle fallen die Messstellen 2a und 4, das heisst die Messstellen zum Messen der Drücke des Nassdampfes p0 (innerhalb der Abnahmesonde) und pO (ausserhalb der Abnahmesonde) beim Messfühler weg. Es ist auch möglich, alle Messungen des Druckes und der Geschwindigkeiten durch selbständige Einrichtungen auszuführen, z. B. so, dass der Messfühler 1 nur mit den Messstellen 6, d. h. den Stellen für die Messung der Temperaturen des Nassdampfes und des überhitzten Dampfes und dem Heizkörper 8 ausgestattet wird.
Die so gemessenen Werte werden einzeln für sich und dann gemeinsam mit der Heizleistung erfasst; in einem Wärmeflussdiagramm oder einem entsprechenden Nomogramm wird der Grad der Dampffeuchtigkeit bestimmt, indem alle Parameter, d. h. die elektrischen Werte der Temperatur, des Druckes und der Durchflussgeschwindigkeit des Dampfes, sowie der Heizleistung (die elektrischen Werte der Änderungen der Enthalpie) auf eine an sich bekannte Art in einer Auswertungsapparatur direkt auf den Feuchtigkeitsgrad überführt werden. Die Feuchtigkeit des Dampfes kann graphisch registriert werden, desgleichen die einzelnen ihn bestimmenden Parameter. Die Auswertungsapparatur kann gegebenenfalls auch mit einer automatischen potentiometrischen Kompensation ausgestattet werden.
Durch das beschriebene Verfahren können auch dynamische Erscheinungen (Schwankungen der Feuchtigkeit) mit Hilfe eines Oszillographen festgestellt werden.
Die Vorteile dieses Verfahrens bestehen darin, dass auch kleine Abweichungen der Dampffeuchtigkeit grosse Anderungen der Heizleistung herbeiführen, d. h. der Werte di, bzw. Q. Die Messung erfolgt daher bei höchster Empfindlichkeit, wobei alle erforderlichen Werte durch allgemein bekannte einfache Mittel mit grosser Genauigkeit festgestellt werden. Ein weiterer Vorteil besteht in seiner Betriebssicherheit, einfacher Funktion und der Möglichkeit, die Messmethode zu automatisieren. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist der, dass die Messung kontinuierlich erfolgen kann, bei ständiger Registrierung aller Angaben, so dass der Betriebszustand ständig überwacht werden kann.
Es können auch von dem Messgerät, je nach seiner Einstellung, für einen bestimmten Be triebsfall Impulse entnommen werden für die Steuerung von Einrichtungen, bzw. zur Betätigung von Schutzeinrichtungen gegen Beschädigungen der Anlage durch übermässige Dampffeuchtigkeit. Hierbei ist von Vorteil, dass mit Rücksicht auf die bei der Messung erhaltenen grossen elektrischen Werte dieselben als Impulse verwendet werden können, ohne dass sie verstärkt zu werden brauchen. Die beschriebene Methode lässt sich somit nicht nur für die ständige Kontrolle der Dampffeuchtigkeit verwenden, sondern auch zu ihrer automatischen Regulierung.
Method for determining steam moisture and device for carrying out the method
The present invention relates to a method for determining steam moisture by measuring the increase in the enthalpy of a certain steam flow rate during its transition from the state of wet steam to the state of superheated steam.
Constant knowledge of the steam humidity is of particular importance for the economic operation of thermal power plants, because it enables the efficiency of the steam turbines to be tracked. Findings about the flow of wet steam in the pipeline and in front of the heat exchangers are also of crucial importance for the structural development of turbines.
It is just as important and necessary to know the steam humidity in the superheaters on the steam boilers. The knowledge gained in this way is used to determine the turbine characteristics during operation. The present invention aims to use technically simple means to create reliable documents that enable and facilitate the development work on steam turbines. The use of the proposed measuring device is of course not only limited to thermal power plants, but can be used wherever constant knowledge of the respective steam moisture is important from an operational point of view, such as B. in the chemical industry u. a. Up to now, the vapor humidity was determined either by the separation method, more often by a throttle calorimeter.
The disadvantage of these known methods is that the measurements are laborious and time-consuming, and in most cases the results that are essential, especially sufficient accuracy, are not obtained. So it is e.g. For example, it is not possible to use the measuring method with a throttle calorimeter on the outlet steam from condensation turbines, since the wet steam flowing out of the final stage of the turbine cannot be converted into superheated steam even with a large isenthalpic expansion.
These disadvantages are intended to be eliminated by the method according to the invention. The method is characterized in that the increase in enthalpy from the heating power of an electric heater that converts the wet steam, the degree of humidity of which is to be determined, into superheated steam and the weight-based steam flow rate through continuous measurement of these two values, with simultaneous continuous measurement of temperature and pressure of the wet steam as well as the superheated steam, and the degree of moisture is determined by plotting the increase in enthalpy directly from a heat diagram.
If the wet steam, the temperature of which is denoted by t0> the pressure with pO and the unknown degree of humidity with x0, is supplied with a corresponding amount of heat denoted by Q by means of the heating power of a sensor, the steam changes to a very specific state of superheated steam, its Temperature can be designated with t1 and pressure with p1, whereby this transition can take place isobarically.
When measuring the flow rate w (or the volume vl) and the mass flow rate M derived from these parameters in a known manner, a, uf can be based on the generally known relationship for the increase in enthalpy between the parameters t5 and p1 of the final state (the state of the superheated steam) and the parameters t0 and pO of the initial state (the state of the wet steam) = = Q
M the degree of steam moisture x0 can be determined directly from a suitable heat diagram.
An exemplary embodiment of the invention is shown in the drawing. Show it:
Fig. 1 is an IS diagram of the water vapor,
2 shows a measuring sensor in longitudinal section,
3 shows a cross section along the line III-III in FIG. 2,
FIG. 4 shows a cross section along the line IV-IV in FIG. 2,
5 shows a cross section through the measuring sensor at the point at which the temperature t0 or t1 is measured,
6 shows the use of a measuring sensor arranged behind a turbine and
Fig. 7 shows the use of the probe to measure the humidity in a pipe.
1 shows an IS diagram of the water vapor. In this figure, the solid line denotes the left and right parts of the limit curve with the critical point K. b entered therein. This diagram also shows the isobars that correspond to the pressures PO, pj, and the isotherms that relate to the temperatures t0 and t3. The diagram also contains a system of curves with the same degree of humidity x. Of these curves, the strongly drawn-out, dashed curve is denoted by x0; it intersects point A for the state of the wet steam, the moisture of which is to be determined.
Point A corresponds to the parameters pO, t0 and x0 of the wet steam, the point B to the parameters pt, t1 of the superheated steam. The enthalpy difference of the states A-B, denoted by Ji, is given by the position of the points B-C. As can be seen from FIG. 1, the essence of the method described is that the degree of humidity x0 is determined directly in the heat diagram (e.g. an IS diagram) from the change in enthalpy Aj, that of the heating power Q and corresponds to the flow rate M.
To carry out the method described, a device is proposed which contains a measuring sensor which consists of a cylindrical hollow body through which wet steam flows and around which there is a measuring point for measuring the pressure pO, a measuring point for measuring the pressure pn, i.e. . i.
the pressure of the steam flowing outside the measuring sensor, a measuring point for measuring the temperature t0, a heating element which supplies the wet steam with the heat Q from the parameters p0J t, and x <', through the influence of which the wet steam changes into the state of superheated steam the parameters t1 and Pi, a measuring point for measuring the pressure ps, a measuring point for measuring the temperature tl, the measuring point for measuring the flow rate of the superheated steam with the help of a Prandtl measuring tube, an anemometer or a Pitot measuring tube. The exit side of the sensor is terminated by an exit pipe.
In the case where the pressure of the wet steam is lower than the atmospheric pressure, a suction pump is connected to the outlet pipe. In the event that the pressure of the wet steam is lower than the pressure exceeds, the outlet pipe is provided with an adjustable valve.
In FIGS. 2, 3, 4 and 5, a variant embodiment of a measuring device is shown. Fig. 2 shows a measuring probe in longitudinal section. Fig. 3 shows a cross section through the point at which the pressure of the steam within the measuring probe is measured, i.e. H. the pressure pO or Pl; Fig. 4 shows the cross section through the point in which the pressure pO, i.e. i. the pressure of the wet steam flowing outside the sensor is measured. 5 illustrates a cross section through the point at which the temperature t0 or t is measured.
In all these figures, 1 denotes the body of the measuring probe, 2 the openings for measuring the pressures inside the measuring probe, which are arranged in a common tube, 3 the connection for a micromanometer. 2a is the measuring point of the pressure P0 2b is the measuring point of the pressure p. With 4 openings are designated, which are used to measure the pressure of the flowing steam, which lead into a common space to which the connection 5 for a micromanometer, not shown, is attached. 6 denotes the measuring points for measuring the temperatures within the measuring sensor by means of thermocouples. These measuring points are also combined in a common connecting tube through which the lead wires of the thermocouples are led out.
6a denotes the measuring point for the temperature t 1; 6b for the temperature t. Figure 8 shows a radiator formed by a directly heated grille or a system of spirals around which the steam flows. 9 is the exit tube of the probe. 10 are the millivoltmeters for measuring thermocouple currents. 11 is the reference point for measuring the temperature using the thermocouples. 12 is a wattmeter for measuring the heating power of the radiator 8, i.e. H. of the value Q. 13 is a potentiometer for regulating the heating power of the heating element 8. 14 is a device for measuring the flow rate of the superheated steam, which in this case is represented by a Prandtl measuring tube.
It is also possible to use a device for measuring the volume of the superheated steam which has passed through, which device makes use of other elements known per se.
Figures 6 and 7 show two examples of the use of the device for individual operational purposes. Figure 6 illustrates the use of the probe to measure steam humidity downstream of the turbine, where the pressure is significantly lower than atmospheric pressure. In this drawing, 1 represents the body of the measuring probe with the outlet pipe 9 and the suction pump 15 connected.
Fig. 7 shows the use of the measuring probe for the purpose of measuring the steam moisture in the pipeline where the pressure is greater than atmospheric pressure. In this figure, 1 represents the body of the measuring sensor, with the outlet pipe 9 and the regulating valve 16. The examples given do not by any means exhaust all possibilities of utilizing the method described and the device proposed for its implementation.
These can be adapted in various combinations to the respective operational purposes.
The design of the measuring device can be different, such. B. the measuring sensor can be attached outside of the flowing medium, d. H. wet steam flows through the measuring probe, which is taken from a sampling probe that is flowed and surrounded by the steam. In this case, the measuring points 2a and 4, i.e. the measuring points for measuring the pressures of the wet steam p0 (inside the acceptance probe) and pO (outside the acceptance probe) at the measuring probe are omitted. It is also possible to carry out all measurements of the pressure and the speeds by independent devices, e.g. B. so that the sensor 1 only with the measuring points 6, d. H. the points for measuring the temperatures of the wet steam and the superheated steam and the heating element 8 is equipped.
The values measured in this way are recorded individually and then together with the heating output; In a heat flow diagram or a corresponding nomogram, the degree of steam moisture is determined by adding all parameters, i.e. H. the electrical values of the temperature, the pressure and the flow rate of the steam, as well as the heating power (the electrical values of the changes in enthalpy) can be converted directly to the degree of humidity in an evaluation apparatus in a manner known per se. The humidity of the steam can be recorded graphically, as can the individual parameters that determine it. The evaluation apparatus can also be equipped with an automatic potentiometric compensation if necessary.
The method described can also be used to determine dynamic phenomena (fluctuations in humidity) with the aid of an oscilloscope.
The advantages of this method are that even small deviations in the steam humidity lead to large changes in the heating output, i.e. H. of the values di or Q. The measurement is therefore carried out at the highest sensitivity, with all required values being determined with great accuracy by generally known simple means. Another advantage is its operational reliability, simple function and the possibility of automating the measurement method. Another advantage of the method is that the measurement can take place continuously, with constant registration of all information, so that the operating status can be continuously monitored.
Depending on its setting, pulses can also be taken from the measuring device for a specific operating case for the control of devices or for the actuation of protective devices against damage to the system due to excessive steam moisture. The advantage here is that, taking into account the large electrical values obtained during the measurement, they can be used as pulses without needing to be amplified. The method described can therefore not only be used for the constant control of the steam humidity, but also for its automatic regulation.