Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Dampffeuchtigkeit
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Dampffeuchtigkeit durch Messung der Enthalpie-Anderung, die beim Vbergang des zu messenden Nassdampfes durch Wärmezufuhr in überhitzten Dampf eintritt.
Für den wirtschaftlichen Betrieb von Wärmekraftanlagen und ebenso von industriellen Dampfanlagen ist eine ständige Kenntnis der Dampffeuchtigkeit von besonderer Bedeutung, denn sie ermöglicht das Verfolgen des Wirkungsgrades der Dampfmaschinen, ihre Betriebssicherheit und auch ihre weitere konstruktive Entwicklung. Das gilt besonders für grosse Einheiten, wo man bestrebt ist, den Betrieb zu automatisieren. Von ausser ordentlicherWichtigkeit scheint die Messung der Dampffeuchtigkeit bei Dampfkreisen von Atomkraftanlagen zu werden. Auch bei Dampfnetzen und vor Dampfverbrauchern ist die Kenntnis der Dampfqualität von grosser Wichtigkeit.
Von den bisher bekannten Messmethoden der Dampffeuchtigkeit seien die Separationsmethode und die Mischungsmethode erwähnt, die sich des bekannten Drosselkalorimeters, des elektrischen oder eines kombinierten Kalorimeters bedienen, wobei die Messung wiederholt durchgeführt und die Kurve der zugeführten Wärmeleistung extrapoliert werden muss.
Die erwähnten Messmethoden zeigen sich im Betrieb sehr mühsam und zeitraubend, da die Messergebnisse auf komplizierte Weise geschätzt und bearbeitet werden müssen. Augenblickswerte sowie die kontinuierliche Anderungen des Dampffeuchtigkeitszustandes können nicht mit einer genügenden Genauigkeit erfasst werden.
Drosselkalorimeter eignen sich nicht zuverlässig zur Messung des Abdampfes bei den meisten Kondensationsturbinen, da sich auch bei einer grossen isenthalpischen Expansion der aus der Endstufe strömende Nassdampf nicht in überhitzten Dampf überführen lässt. Ein weiterer Nachteil der Separationskalorimeter ist auch der, dass sie nicht den Zustand des Austrittsdampfes angeben.
Bei den elektrischen Dampfkalorimetern scheint es als ein Nachteil, dass die Probenmenge gemessen werden muss, was wohl sehr oft Messfehler in die Messung bringt. Damit kompliziert sich die Messung und eine volle Automatisation wird unmöglich.
Wenn bei elektrischen Kalorimetern die Dampftemperatur bei verschiedenen zugeführten Leistungen gemessen wird, bekommt man als Funktion dieser gemessenen Grossen eine Kurve und durch ihre Extrapolation die nötige Wärme zur tYberführung einer Nassdampfprobe in Sattdampf, wobei vorausgesetzt wird, dass die Durchflussprobe während der Messung konstant bleibt.
Dabei kann auf die Volumenmessung, zu Ungunsten der Bereitschaft, der Geläufigkeit und Messungsgenauigkeit, verzichtet werden.
Alle diese Messmethoden verlangen einen verlustlosen Durchfluss der Probe durch die Kalorimeter, was nicht streng erfüllbar ist und zu Ungenauigkeiten des Messens führt. Deshalb wird eine Eichung nach jeder Zustandsänderung des geprüften Mediums nötig, damit der Einfluss der Wärmeverluste auf die Messresultate festgestellt werden kann. So kompliziert sich die Messung, die noch bei Schwankungen der Dampffeuchtigkeit versagt.
Die erwähnten Mängel werden bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten des Nassdampfes auf Grund eines Verfahrens gelöst, bei dem der Nassdampf zweistufig überhitzt wird, wobei die Uberhitzungsstellen sowie die Messstellen hintereinandergereiht werden. Diese Methode bewährt sich vollständig im Bereich der Strö- mungsgeschwindigkeit des Nassdampfes, in welchem der Unterschied des Wärmeübergangsfaktors im Gebiet des Nass-und überhitzten Dampfes vemachlässigbar ist. Bei hohen Geschwindigkeiten des Nassdampfes zeigt sich aber eine Verschiedenheit dieses Faktors in beiden Gebieten. Der Temperaturanstieg an einem Temperaturfühler, z.
B. einem Thermoelement, im Strom von überhitztem Dampf entspricht nicht dem Temperaturanstieg des Fühlers im Strom des Nassdampfes von gleicher Ge schwindigkeit, denn dieser hängt von der relativen Dampfnässe ab. Bei hohen Geschwindigkeiten des Mediums gilt also zwischen dem Gebiet von Nassdampf und überhitztem Dampf nicht eine Proportionalität. In der ersten Uberhitzungsstufe wird die Flüssigkeitskom- ponente des Nassdampfes in überhitzten Dampf überführt, wobei bei grossen Strömungsgeschwindigkeiten Begleiterscheinungen beim Verdampfen und eine wesentliche Vergrösserung des spezifischen Volumens erscheinen.
In der zweiten Cberhitzungsstufe ändert der Dampf seinen Aggregatszustand nicht mehr. Deshalb sind die Strömungsverhältnisse und mit ihnen verbundene Druckverluste bei den beiden Überhitzungsstufen verschieden.
Mit der Erfindung sollen diese Nachteile behoben werden. Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Nassdampfes einem Messgerät zugeführt wird, das mit zwei Messzweigen versehen ist, wobei eine ungemessene Durchflussmenge in einem Messzweig durch eine zugeführte Wärmemenge in einen Zustand der Uberhitzung überführt wird und eine weitere, ungemessene Durchflussmenge, die zu der Durchflussmenge im ersten Messzweig in einem be Dampfes festgestellt wird und die den Messzweigen zudurch eine zugeführte, andere Wärmemenge in einen dieser Wärmemenge entsprechenden Zustand der aber- hitzung überführt wird, wobei am Eintrittsrohr und in den Messzweigen des Messgerätes vor den Vberhitzern der Druck bzw.
die Temperatur des Nassdampfes gemessen wird und nach den Überhitzern in den Messzweigen der Druck und die Temperatur des überhitzten Dampfes festgestellt wird und die den Messzweigen zugeführte Wärmemenge und ihr Verhältnis bestimmt wird und die kontinuierlich gemessenen Grosse registriert werden, wobei mittels der gemessenen Parameter des überhitzten Dampfes und des Verhältnisses des Enthal pie-Anstieges in den Messzweigen der Feuchtigkeitsgrad des Nassdampfes festgestellt wird.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Eintrittsrohr des Messgerätes in zwei Messzweige verzweigt ist, deren Querschnitte in einem bestimmten Verhältnis stehen und die mit Heizkörpern, einer Wärmeisolation und mit Reguliervorrichtungen der Durchflussmengen versehen sind, wobei das Eintrittsrohr und die Messzweige mit Messstellen zum Messen des Nassdampfdruckes bzw.
der Temperatur im Eintrittsrohr und ausserhalb des Messgerätes, vor den Heizkörpern mit Messstellen zum Messen der Nassdampftemperatur und hinter den Heizkör- pern mit Messstellen zum Messen des Druckes und mit Messstellen zum Messen der Temperatur des überhitz- ten Dampfes versehen sind, wobei die Heizkörper mit Einrichtungen zum Regeln und Messen des Verhältnis- ses der zugeführten Wärmemengen zwecks Iberhitzung des Dampfes in den Messzweigen versehen sind.
Das Verfahren beruht auf folgendem Prinzip :
Einem Teil M, einer nicht gemessenen Durchflussprobe M vom Nassdampf mit einer Temperatur to und einem Druck p, und mit dem unbekannten Feuchtigkeitsgrad xO, wird eine Wärmemenge Qt zugeführt, wodurch dieser Teil in überhitzten Dampf mit einer Temperatur tt und einem Druck pi überführt wird. Einer anderen Menge M2 der nicht gemessenen Durchflussprobe M mit den gleichen Parametern to, po, xo wird eine Wärmemenge Q2 zugeführt und der Nassdampf in überhitzten Dampf mit einer Temperatur t2 und einem Druck p2 überführt.
Der Anstieg der Enthalpie vom Zustand to, po, xo in einen Zustand, der durch die Parameter tt, pi charakterisiert ist, ist gegeben durch : Ail = Qi und bei einem Anstieg vom Zustand to, po, x, in den Zustand mit den Parametern t2, p durch : '-''
M2
Da beide Enthalpie-Anderungen zugleich parallel durchlaufen werden, gilt :
AioMi.Qs
AiiM,.Qi
Da bei dem Messen das Verhältnis der Eintrittsquerschnitte in beiden Messzweigen konstant ist und auch die Strömungsgeschwindigkeiten in den Messzweigen durch bekannte Regelvorrichtungen konstant gehalten werden können, kann die Gleichung 3 vereinfacht werden :
/\ i'= K. Q2 4.
Ait qui und bei gleichen Querschnitten in beiden Messzweigen (da K = 1 wird), bekommt man für das Verhältnis des Anstieges der Enthalpien :
AisQz
Aii Qi
Die Gleichheit der nichtgemessenen Durchflussmengen in den Messzweigen wird durch Eichungsblenden, durch Drosselungsventile oder durch eine Regulation von Saugpumpen erzielt. Eine nötige Bedingung dabei ist, dass die Eintrittstemperaturen und die Eintrittsdrücke des Nassdampfes in den Messzweigen und vor dem Messgerät im Nassdampfstrom gleich sind. Dann müssen die Durchströmmengen in den Messzweigen gleich sein und die Strömungsgeschwindigkeiten müssen nicht gemessen werden.
Da die den Messzweigen zugeführten Wärmemengen Qi, Q2 z. B. durch Messen der zugeführten elektrischen Leistungen genau ermittelt werden können, kann man das Verhältnis
Aia
Aii genau bestimmen und den Feuchtigkeitsgrad xi aus geeigneten Wärmediagrammen, z. B. dem i-s Diagramm, ermitteln. Dabei werden nur die statischen Drücke, die Temperaturen und das Verhältnis der zugeführten elektrischen Leistungen gemessen.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird anhand der beiliegenden Zeichnungen beispielsweise erläutert.
In Fig. 1 ist ein (i-s) Diagramm dargestellt, in dem die Messzustände bezeichnet sind.
Fig. 2 stellt schematisch eine Vorrichtung beim Messen in einer Dampfrohrleitung dar.
Fig. 3 bringt ein Beispiel beim Messen im Turbinenaustritt bei Unterdruck,
Fig. 4 stellt eine beispielsweise Ausführung der Vorrichtung mit einer gemeinsamen Eintrittstelle der Messzweige dar.
Fig. 5 bringt eine beispielsweise Ausführung der erfindungsgemässen Vorrichtung mit getrenntem Eintritt des Nassdampfes in die einzelnen Messzweige.
Fig. 6 zeigt eine Messanordnung, bei der die Messzweige ausserhalb des gemessenen Mediums angebracht sind.
In Fig. 1 ist ein (i-s) Diagramm dargestellt, in dem die einzelnen Messzustände mit den Punkten A, B und C bezeichnet sind. Der gesuchte Zustand A entspricht den Parametern to pO und xi des Nassdampfes, der Punkt B den Parametern tl, pi des überhitzten Dampfes in einem Messzweig, der Punkt C dann dem Zustand t2, P2 des überhitzten Dampfes im weiteren Messzweig. Der Enthalpieanstieg A i, durch Uberhitzung in einem Messzweig ist durch die Strecke BD dargestellt ; den Enthalpieanstieg L i2, der der Uberhitzung des Nassdampfes im weiteren Messzweig entspricht, stellt die Entfernung CE dar.
Fig. 2 veranschaulicht ein Beispiel der Messung der Dampffeuchtigkeit bei einem Druck, der den atmosphärischen Druck überschreitet, z. B. in einer Dampfrohrleitung. Das mit einer Wärmeisolation 90 versehene Messgerät 100 ist mit dem Eintritt 10 entgegen der Strö- mungsrichtung in einer Dampfrohrleitung angebracht.
In den Austritten 21 und 22 aus den Messzweigen sind Regulierventile 200 eingeschaltet.
Im Falle, dass der Druck des Nassdampfes niedriger ist als der atmosphärische Druck, z. B. im Austritt aus der Turbine, wird die Messung nach der Fig. 3 durchgeführt. Das Messgerät 100 ist in der Austrittsleitung angebracht und in den Austritten der Messzweige 21 und 22 sind Regulierventile 200 eingeschaltet, die mit dem gemeinsamen Austritt an eine Pumpe 300 angeschlossen sind.
In Fig. 4 ist ein Messgerät 100 mit einem gemeinsamen Eintrittsrohr 10, das sich in diesem Beispiel in zwei Messzweige 21 und 22 verzweigt, dargestellt. Am Eintrittsrohr 10 sind Messstellen 30 zum Messen des Druckes po des durchfliessenden Nassdampfes und Messstellen 40 zum Messen des Druckes p, des umfliessen- den Nassdampfes durchgeführt. Jeder Messzweig hat eigene Messstellen.
Am Messzweig 21 sind Messstellen 61 zum Messen der Eintrittstemperatur to des Mediums, Heizkörper 81 zur Ylberhitzung des Mediums, weiter Messstellen 51 zum Messen des Druckes pt und Messstellen 71 zum Messen der Temperatur t1 des überhitz- ten Mediums vorgesehen. Ahnlich ist der weitere Messzweig mit Messstellen 62 zum Messen der Eintrittstemperatur to', mit Heizkörpern 82 zum Vberhitzen des Mediums, Messstellen 52 zum Messen des Druckes p2 und Messstellen 72 zum Messen der Austrittstemperatur t2 des überhitzten Mediums versehen.
Die Zufuhrleistungen der Heizkörper 81 und 82 werden in bekannter Weise geregelt und gemessen und können in einem bestimmten Verhältnis eingestellt werden.
Da es um eine Messung bei paralleler Uberhitzung und bei sonst gleichen Bedingungen geht, erübrigt es sich zwecks Korrektur auf Wärmeverluste der Heizkör- per zu messen. Es ist aber nötig, die tSberhitzungssek- tionen der Messzweige gegen die Umgebung und gegeneinander durch eine Wärmeisolation 90 zu isolieren. Zur richtigen Einstellung des Eintrittsrohres 10 des Messgerätes in die Richtung der Strömung des Nassdampfes sind mindestens vier Messstellen 40 am äusseren Umfange des Eintrittsrohres 10 so durchgeführt, dass sie in zwei gegeneinander senkrechten Ebenen liegen. Bei gleichen statischen Drücken in diesen Messstellen 40 ist das Messgerät in richtiger Richtung eingestellt.
Die Zufuhr des Nassdampfes in die Messzweige wird je nach den Messbedingungen, z. B. mit gemeinsamem Eintrittsrohr wie in Fig. 4, oder mit getrenntem Eintritt des Nassdampfes wie in Fig. 5 beschrieben, durchgeführt, oder mit konzentrischer Anordnung der Messzweige.
In Fig. 5 ist ein Messgerät 100 mit getrennten Eintrittsrohren 10 der Messzweige 21 und 22 dargestellt, in denen Messstellen 31 und 32 zum Messen des Druckes po des die Messzweige durchfliessenden Nassdampfes und Messstellen 40 zum Messen des Druckes pOt des das Messgerät umfliessenden Nassdampfes vorhanden sind.
Die Bedeutung der anderen Bezugszeichen bleibt die gleiche wie in Fig. 4 angegeben wurde. Diese Ausfüh- rung ist in technologischer Hinsicht besonders vorteilhaft.
Die Regelung des Durchflusses in den Messzweigen wird durch Regel-oder Drosselventile oder durch Absaugpumpen durchgeführt.
In besonderen Fällen, wenn z. B. der Messraum zu klein ist, werden die tSberhitzungssektionen des Messgerätes ausserhalb angebracht und im Messraum selbst werden nur die Eintrittstellen des Messgerätes untergebracht, wie in Fig. 6 gezeigt ist.
Durch das erfinderische Verfahren wird der Nassdampf, dessen Zustand im (i-s) Diagramm durch die Parameter pO ton xi des Punktes A dargestellt ist, in einem Messzweig in den Zustand mit Parametern pl, ti überhitzt, wozu im Diagramm (i-s) der Punkt B mit einem Enthalpieanstieg A ii entspricht. Im weitern Messzweig wird der Nassdampf bis zu Parametern pu, t2 überhitzt und im (i-s) Diagramm durch den Punkt C mit einem Enthalpieanstieg A i2 dargestellt.
In bekannter Weise werden die Temperaturen to, tl, t2 in den Messstellen 61,62,71 und 72 mit z. B. Thermoelementen oder Widerstandsthermometern und die Drücke po, po', pl und P2 im ganzen Durchflussquerschnitt gemessen, richtige Durchschnittsergebnisse bestimmt und dadurch die Punkte B und C im Diagramm z. B. (i-s) ermittelt.
Durch Messung der Wärmezufuhr in den Messzweigen und ihr Verhältnis, werden die Enthalpieanstiege A ii und A i2 und im z. B. (i-s) Diagramm der Punkt A bestimmt, welcher den Zustand des Nassdampfes mit der relativen Feuchtigkeit xi angibt.
Da im Bereich des Nassdampfes die Isobaren und Isothermen identisch sind, kann das Messen des statischen Druckes ausserhalb und im Eintrittsrohr des Messgerätes durch das Messen der Temperatur ersetzt werden und umgekehrt.
Das erfinderische Verfahren hat den grossen Vorteil, dass es von grösserer Genauigkeit als bisher ist, bei jeder Strömungsgeschwindigkeit und bei jedem Feuchtigkeitsgrad des Nassdampfes, den Feuchtigkeitsgrad bestimmen lässt. Das Messen kann kontinuierlich und auch bei Schwankungen des Feuchtigkeitsgrades des Nassdampfes durchgeführt werden, wobei die gemessenen Grossen registriert werden und ein Messen der Durchflussmengen nicht nötig ist.
Die Messimpulse können auch nach ihren Einstellwerten zur automatischen Betätigung von Regelorganen benützt werden. Das Messergebnis ist nicht mit dem Einfluss des Wärmeübergangsfaktors und der Druckverluste infolge der Änderung des Aggregatzustandes des Nassdampfes und mit diesen Faktoren verbundenen Fehlern belastet. Das erfindungsgemässe Verfahren hat gegenüber bisher bekannten Methoden noch den wesentlichen Vorteil, dass es hochempfindlich ist, weil selbst kleine Anderungen der Dampffeuchtigkeit grosse Anderungen der Werte L i bzw. Q zur Folge haben, wodurch Verstärker der Messimpulse überflüssig werden.
Die erfinderische Vorrichtung ist konstruktiv einfach, hat kleine Abmessungen und eignet sich zur kontinuierlichen Kontrolle des Nassdampfzustandes, zur Verfolgung von technologischen Prozessen und ermög- licht eine Fernregelung der Feuchtigkeit bei verschiedenen Apparaten und einen Schutz gegen unzulässige Feuchtigkeit.
PATENTANSPRtlCHE I. Verfahren zur Bestimmung der Dampffeuchtigkeit durch Messung der Enthalpie-Anderung, die beim Ubergang des zu messenden Nassdampfes durch Wärme- zufuhr in überhitzten Dampf eintritt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Nassdampfes einem Messgerät zugeführt wird, das mit zwei Messzweigen versehen ist, wobei eine ungemessene Durchflussmenge in einem Messzweig durch eine zugeführte Wärmemenge in einen Zustand der tSberhitzung überführt wird und eine weitere, ungemessene Durchflussmenge, die zu der Durchflussmenge im ersten Messzweig in einem bestimmten Verhältnis steht,
in einem weiteren Messzweig durch eine zugeführte andere Wärmemenge in einen dieser Wärmemenge entsprechenden Zustand der tJberhitzung überführt wird, wobei am Eintrittsrohr und in den Messzweigen des Messgerätes vor den Uberhitzern der Druck, bzw. die Temperatur des Nassdampfes gemessen wird und nach den Oberhitzern in den Messzweigen der Druck und die Temperatur des überhitzten Dampfes festgestellt wird und die den Messzweigen zugeführte Wärmemenge und ihr Verhältnis bestimmt wird und die kontinuierlich gemessenen Grossen registriert werden, wobei mittels der gemessenen Parameter des überhitz- ten Dampfes und des Verhältnisses des Enthalpie-Anstieges in den Messzweigen der Feuchtigkeitsgrad des Nassdampfes festgestellt wird.