CN106687787B - 用于冷凝诱导的水冲击的预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在传输流体的部件，特别是管道(2)中对冷凝诱导的水冲击预警的装置(1)。流体的至少一个第一部分是蒸气相(2)，并且在冷凝形成的情况下第二部分呈冷凝物(4)的形式。所述装置包括至少两个温度传感器(7，8)和至少一个电子单元(11)，至少两个温度传感器(7，8)被布置在管道(2)中，并且由此接触流体。第一温度传感器(7)被布置成测量蒸气的温度(T_D)，并且第二温度传感器(8)被布置成测量冷凝物的温度(T_K)。所述至少一个电子单元(11)被设计成从蒸气的温度(T_D)和冷凝物的温度(T_K)确定温差(ΔT)，并且当温差(ΔT)达到特定阈值时生成报告。

Description

用于冷凝诱导的水冲击的预警系统

技术领域

本发明涉及用于在输送流体的部件中对冷凝诱导的水力冲击预警的装置和方法。这种情况下，流体至少以第一部分呈现为蒸气相，并且在冷凝物形成的情况下以第二部分呈现为冷凝物的形式。

背景技术

在水产生强机械冲击的情况下，术语“水力冲击(hydraulic shock、Wassereschlag)”涵盖了多种物理现象。这是因为水的可压缩性小。在呈蒸汽形式的蒸气系统的情况下，水力冲击以冷凝冲击的形式发生，冷凝冲击是可观测的，尤其在压力增加的情况下。原则上，在这方面区分三种现象，其均落入冷凝诱导的水力冲击的标签范围内。当蒸汽泡在水中内爆时，称为蒸汽锤。有时，该原理在文献中也称为水力冲击。相反，当液滴以高速度撞击于表面上时，液滴撞击也是存在的。而且，最后，气穴指的是微观形式的蒸汽锤。

冷凝诱导的水力冲击在蒸气系统、含有冷凝气体的管道，尤其是蒸气管线中是重要的，然而，在锅炉或热太阳能发电厂中也是重要的。例如，在通过将蒸气定向引入至液体中来加热流体的情况下，它们能够发生。然而，还有在操作期间，当冷凝物没有充分地从相应的含介质部件，如容器、锅炉或管道中移除，并且热蒸气流入冷液体中时，不期望的冷凝诱导的水力冲击会发生。结果，高达数百巴(bar)的压力峰值可能给相应的部件带来严重损害的后果。例如在蒸汽动力发电厂或蒸汽锅炉发电厂中，冷凝诱导的水力冲击属于严重事故的最频繁诱因。

从很多种出版物中该基础的机理是已知的。以下通过示例，将详细地描述蒸汽锤的发生。当蒸汽泡被夹带于更冷的冷凝物中时，蒸汽泡分别与进一步的蒸汽或能量供给切断，例如隔离。结果，蒸汽泡将其能量传递给冷凝物并冷却到冷凝物的温度。相应地，蒸汽泡中的压力也从数巴的开始值下降至几毫巴。由于蒸汽和冷凝物之间高的传热系数，该过程链在非常短的时间间隔中发生，通常在几毫秒内发生。

该过程链中，包围蒸汽泡的冷凝物表面，向蒸汽泡中心塌陷。在中心处，从不同空间方向来的冷凝物的表面在彼此上撞击。相应地，高压峰值瞬间产生，这自发地，但是也是重复发生的结果，导致对相应的含介质部件以及可能安装于其中或其上的测量装置带来显著损坏，直至爆裂发生导致相应的介质逸出到环境中。

在流体流经的管道中蒸汽锤发生的条件被列出，例如，在第8届核热水力、操作和安全国际专题会议记录中的作者为I.F.Barns、L.Varge和Gy.的题目为“SteamCondensation Induced Water Hammer Simulation for Different Pipelines inNuclear Reactor”的论文(http：//www.kfki.hu/～barnai/N8P0220.pdf，下载于2014年8月1日)中：

a)管线必须水平。

b)蒸汽与冷凝物之间的温差必须是至少20K。

c)管线的长径比必须大于24。

d)Froude值必须小于1，Froude值为流体力学系统内惯性力与重力的比，。

e)相邻蒸汽体积必须足够大。

f)出现的压力峰值必须超出最大允许操作压力10巴以上，以带来显著损坏。

该列表清楚地示出了，由冷凝诱导的水力冲击，特别是水锤的发生，通常取决于多个因素共同作用。相应地，预测冷凝诱导的水力冲击，特别是蒸汽锤将在什么时候发生绝不是轻易的事情。但是，因为由此引起的损坏可能是极大的，所以用于发生冷凝诱导的水力冲击的预警系统是期望的。

发明内容

本发明的目的因此是提供一种装置，其能够可靠地且早期地检测冷凝诱导的水力冲击的可能发生。

根据本发明，该目的通过用于在输送流体的部件，尤其是管道中对冷凝诱导的水力冲击预警的装置来实现，其中该流体至少以第一部分呈现为蒸气相，并且在冷凝物形成的情况下以第二部分呈现为冷凝物的形式，该装置包括至少两个温度传感器和至少一个电子单元，至少两个温度传感器被布置在管道中，并且因此是流体接触的，其中第一温度传感器被布置为使得第一温度传感器测量蒸气的温度(T_D)，其中第二温度传感器被布置成使得第二温度传感器测量冷凝物的温度(T_K)，其中至少一个电子单元被实现为使得至少一个电子单元确定蒸气的温度与冷凝物的温度之间的温差，并且当温差达到温差的预定极限值时生成报告。温差因此是用于冷凝诱导的水力冲击发生的可能性的度量。在达到与预定极限值对应的温差之后，相应地存在显著可能性，使得报告被生成。

因此，本发明还包括其他类型的介质输送部件，如以上所描述的。

评估蒸气与冷凝物之间的温差的原理基于对上面提到的管道中冷凝诱导的水力冲击的发生条件的以下分析。

条件a)、c)和e)在通常的蒸气系统或蒸气分配系统中一般是满足的，因为相应的管道或管线在延伸距离上不可避免地基本水平地布置。这样，隐含地，蒸气体积也是很大的。

通常，冷凝物位于管线的下部区域中。由于在基本水平布置的管线中通常低的梯度，冷凝物的流动速度非常小。因此，条件d)在很多情况下也是满足的。

条件f)能够基本上导致立即损坏，例如，因为密封件被压出其密封位置，一旦密封缺失则会导致介质从管线逸出。甚至当条件f)不满足时，长时间段的多次重复的压力峰值会导致损坏，这能够例如通过测量设备的故障来证明自身。

以上提到的管道中的条件几乎是不可避免的，然而，它们还不足以导致冷凝诱导的水力冲击的发生。这是由于剩下的条件b)。只有当蒸气(T_S)和冷凝物(T_K)之间的温差足够大时，那么冷凝诱导的水力冲击的风险变得显著。现在，情况是，确切地条件b)能够因而通过选择操作状态而被外部影响。因此，温度的监测足以对冷凝诱导的水力冲击做出预警。

本发明能够具体为不同的形式，其为从属权利要求的主题。特别地，在管道上或中布置温度传感器的不同方式都是可能的。

当第一温度传感器和第二温度传感器分别为具有第一壳体的第一温度检测器和具有第二壳体的第二温度检测器的子部件时是有益的，其中第一温度检测器和第二温度检测器被安装到管道的壁上并突出到管道的内部中，并且第一温度检测器和第二温度检测器在管道中被布置为使得第一温度传感器和第二温度传感器不接触管道的壁。因此，每个温度检测器包括温度传感器和壳体。此外，温度检测器当然还包括可能的电子部件，以读取和评估温度，给定情况中温度检测器还包括能量供给单元。优选的是，壳体提供与管道的壁的绝缘。绝缘以下述方式实现，使得壁的温度不影响两个温度传感器中的每一个的温度测量。例如，壳体可以具有圆柱体形状，其到管道中的穿透深度相应地与相应的几何形状适配，并且其材料具有低的热传导性。

优选的实施方式中，第一温度检测器被安装于管道的上部区域中，使得第一温度传感器位于沿着通过管道的竖直、沿直径的连接线的上三分之一处，并且第二温度检测器被安装于管道的下部区域中，使得第二温度传感器在管道的下侧位于与管道的壁直接邻近处。如此，能够保证第一温度检测器安全地测量蒸气的温度(T_D)，第二温度检测器安全地测量冷凝物的温度(T_K)。

可替换地，在其它优选的实施方式中，第一温度检测器被安装于管道的下部区域中，使得第一传感器元件位于沿着通过管道的竖直、沿直径的连接线的上三分之一处，并且第二温度检测器被安装于管道的上部区域中，使得第二温度传感器元件在管道的下侧位于与管道的壁直接邻近处。在该实施例中，第一温度检测器再次测量蒸气的温度(T_D)，同时第二温度检测器再次测量冷凝物的温度(T_K)。第一温度检测器从下部区域延伸的布置具有以下益处，即在第二温度检测器的壳体上流动的冷凝物不影响蒸气的温度(T_D)的测量。在这一实施方式的情况下，重要的是两个温度检测器中的每一个以如下方式定位，使得其接近管道的分别相对设置的壁，但不接触该壁。

在特别优选的实施方式中，第一温度检测器和第二温度检测器都安装于管道的上部区域中或管道的下部区域中，并且其中两个壳体具有不同长度。在从壳体的相同侧延伸布置的情况下，两个温度检测器能够特别简单地彼此接触以确定温差。

在可替换的实施方式中，第一温度传感器和第二温度传感器被布置在具有一个壳体的一个温度检测器中，其中该温度检测器被安装到管道的壁上并且向内突出到管道的内部中，并且其中温度检测器在管道中被布置为使得第一温度传感器和第二温度传感器不接触管道壁。这一实施方式比以上描述的那些实施方式能够更紧凑地实施。

更有益的是，当温度检测器被安装于管道的上部区域中或管道的下部区域中时，其中壳体实质上为杆形，且其中两个温度传感器被布置于壳体的不同区域中，使得第一温度传感器位于流体的冷凝部分的区域中，且第二温度传感器位于流体以蒸气相存在的区域中。

特别优选的实施方式中，压力传感器被一体化到管道的壁中，并且被实现用于记录管道中的静态压力，其中流体的蒸气压曲线被提供在电子单元中，并且其中对超过温差的极限值补充性地，仅当蒸气的温度大于根据蒸气压曲线与所测量的静态压力对应的参考温度时生成报告。静态压力的额外测量补充性地增加了对冷凝诱导的水力冲击的发生的预测精度。

本发明的目的进一步地通过用于在输送流体的部件，特别是管道中对冷凝诱导的水力冲击和/或蒸汽锤的预警的方法来实现，该流体以至少第一部分呈现为蒸气相，和在冷凝物形成的情况下以第二部分呈现为冷凝物的形式，其中测量蒸气的温度，其中测量冷凝物的温度，其中确定蒸气的温度与冷凝物的温度之间的温差，并且其中当温差达到温差的预定极限值时生成报告。

这种情况下，有益的是测量管道中的静态压力，其中将蒸气的温度与根据蒸气压曲线属于静态压力的参考温度进行比较，且其中仅当蒸气的温度大于参考温度时生成报告。

如权利要求中的至少一项要求保护的本发明的装置和/或本发明的方法优选用于过程技术和/或自动技术中。

附图说明

本发明以及其益处将基于附图进行更详细的解释，附图如下：

图1是权利要求3的装置的实施方式的示意图，

图2是权利要求4的装置的实施方式的示意图，

图3是权利要求5的装置的实施方式的示意图，

图4是权利要求6和/或7的装置的且具有另外的压力传感器的实施方式的示意图。

具体实施方式

图中，相同的特征具有相同的附图标记。本发明的装置整体上对应附图标记1。附图标记上的一个或多个角分符号(’)分别对应实施方式的不同实施例。

图1示出了如权利要求3限定的本发明装置1的实施方式的第一实施例的示意图。示出了管道2，流体流经管道2，该流体以第一部分呈现为蒸气相，即蒸气3，并且以第二部分呈现为冷凝物4。安装于管道2的壁上的是两个温度检测器5、6，两个温度检测器5、6具有相应的温度传感器7、8以及相应的壳体9、10。温度检测器5、6突出到管道2的内部中。温度传感器5、6不接触管道2的壁，使得壁的温度不影响蒸气3和冷凝物4的相应温度(T_D)、(T_K)的测量。在该实施例中，第一温度检测器5测量蒸气3的温度(T_D)，并且第二温度检测器6测量冷凝物4的温度(T_K)。最后，在电子单元11内，在可确定的时间点，在每种情况下，确定温差ΔT＝T_D-T_K，并且一旦超过某一确定的极限值就生成报告。

本发明的装置1’的实施方式的进一步的实施例示出于图2中。再一次，存在管道2，流体流经管道2，该流体以第一部分呈现为蒸气相，即蒸气3，并且以第二部分呈现为冷凝物4。第一温度检测器5’被安装于管道2的下部区域中，使得第一温度传感器7’被布置在沿着通过管道2的竖直、沿直径的连接线(未示出)的上三分之一处。相对地，第二温度检测器6’被安装在管道2的上部区域中，使得第二温度传感器8’在管道的下侧位于与管道2的壁直接邻近处。在这种情况下，又是第一温度检测器5’测量蒸气3的温度(T_D)，且第二温度检测器6’测量冷凝物4的温度(T_K)。将第二温度检测器5’安设于管道2的下部区域中的益处在于沉积在温度检测器5’上的冷凝物不会影响蒸气3的温度(T_D)的测量。

两个温度检测器以如下方式定位，使得它们接近管道2的相对设置的壁但不接触该壁。

图3示出了根据权利要求5的本发明的装置1”的实施方式。第一温度检测器5”和第二温度检测器6”均安装于管道2的上部区域中。这保证了两个温度检测器5”、6”中的一个记录蒸气3的温度，另一个记录冷凝物4的温度。两个温度检测器5”、6”的两个壳体9”、10”具有不同的长度，并且温度传感器7”、8”的每一个被布置在相应壳体9”、10”的末端区域中。当然，两个温度检测器5”、6”也能够在管道2的下部区域中安装到管道2的壁上。

本发明的装置1”’的另一个可替换方式示出于图4中。两个温度传感器7”’、8”’被布置在具有壳体9”’的一个温度检测器5”’中。温度检测器5”’被安装于管道2的壁上，并且突出到管道2的内部中。尽管温度检测器5”’在该视图中被安装于管道的上部区域中，但其当然能在另一变体中安装于管道2的下部区域中。壳体9”’是实质上的杆形且两个温度传感器7”’、8”’被布置于壳体9”’的不同区域中。每一种情况下，必须保证两个温度传感器中的一个7”’，即在这里示出的视图中的第一温度传感器，可靠地测量蒸气3的温度，且两个温度传感器的另一个8”’，即在这里示出的视图中的第二温度传感器，可靠地测量冷凝物4的温度(T_K)。

图4还示出了权利要求8的压力传感器12。这是可选的，并且因此，不必须存在于根据图4的实施方式中。压力传感器12用于记录管线中的静态压力。这反过来，在给定的情况下，增加了对管线内可能的冷凝诱导的水力冲击的预测的可靠性。

以下是本发明的装置1、1’、1”、1”’的可能操作状态，并解释了本发明方法的可能情景。

a)管道2被蒸气3排他地流过且没有冷凝物4。这种情况下，两个温度传感器7、8在差异几度内的程度，示出相同的温度。相应地，确定的温差ΔT＝T_D-T_K较小且没有报告生成。

b)管道2完全填充冷凝物4且不携带蒸气3。这种情况下，温差ΔT＝T_D-T_K也至多为几开尔文，且没有报告生成。

c)当管道2部分地被蒸气3且部分被冷凝物4流经时，温差ΔT＝T_D-T_K在正常情况下仅是几开尔文。这种情况下也没有报告生成。

d)如果管道2在情况c)中部分被冷凝物4且部分被蒸气3流经，并且两个相之间的温差ΔT＝T_D-T_K超过预定极限值，例如20K，则生成报告。这种情况下，其中补充性地，存在压力传感器11，仅当测量的蒸气4的温度(T_D)等于或大于基于蒸气压曲线确定的且属于所测量的静态压力的参考温度(T_R)时，生成报告。

当然，两个温度检测器5、6的多种其他布置也可应用，这类似地也落入本发明的范围内。类似的，能够使用多于两个温度传感器7、8。此外，能够提供用于使温度传感器7、8彼此接触，以及用于与电子单元11及其布置连接的最多样的选择。精确地实施温度测量的评估取决于这些特征。对于温度检测器5、6，温度检测器5、6中的温度传感器7、8的至少一个的布置，以及相应壳体9、10的实施方式，相同的情况也是真实的。最后，用于在温度检测器5、6中固定温度传感器7、8，相应地用于将温度检测器5、6固定至管道2的壁上，以及将它们一体密封到管道内部中的多种选择也是可用的，在此没有进行详细描述。

附图标记列表

1 本发明的装置

2 管道

3 蒸气

4 冷凝物

5 温度检测器1

6 温度检测器2

7 温度传感器1

8 温度传感器2

9 壳体1

10 壳体2

11 电子单元

12 压力传感器

Claims (11)

1.一种用于在输送流体的部件中对冷凝诱导的水力冲击进行预警的装置，所述部件是管道(2)，所述流体至少以第一部分呈现为蒸气相(3)，并且在冷凝物形成的情况下以第二部分呈现为冷凝物(4)的形式，所述装置包括至少两个温度传感器和至少一个电子单元(11)，所述至少两个温度传感器被布置在所述管道(2)中，并且因此是流体接触的，

其中，所述至少两个温度传感器中的第一温度传感器被布置为使得所述第一温度传感器测量所述蒸气的温度(T_D)，

其中，所述至少两个温度传感器中的第二温度传感器被布置为使得所述第二温度传感器测量所述冷凝物的温度(T_K),

其中，所述至少一个电子单元(11)被实现为使得所述至少一个电子单元(11)确定所述蒸气的温度(T_D)和所述冷凝物的温度(T_K)之间的温差(ΔT)，并且当达到所述温差(ΔT)的预定极限值时生成报告。

2.根据权利要求1所述的装置，

其中，所述第一温度传感器和所述第二温度传感器为具有第一壳体的第一温度检测器和具有第二壳体的第二温度检测器的子部件，

其中，所述第一温度检测器和所述第二温度检测器被安装于所述管道(2)的壁上，并且突出到所述管道(2)的内部中，并且

其中，所述第一温度检测器和所述第二温度检测器在所述管道中被布置为使得所述第一温度传感器和所述第二温度传感器不接触所述管道(2)的壁。

3.根据权利要求2所述的装置，

其中，所述第一温度检测器被安装于所述管道(2)的上部区域中，使得所述第一温度传感器位于沿着通过所述管道(2)的竖直、沿直径的连接线的上三分之一处，并且

其中，所述第二温度检测器被安装于所述管道(2)的下部区域中，使得所述第二温度传感器在所述管道(2)的下侧位于与所述管道(2)的壁直接邻近处。

4.根据权利要求2所述的装置，

其中，所述第一温度检测器被安装于所述管道(2)的下部区域中，使得所述第一温度传感器位于沿着通过所述管道(2)的竖直、沿直径的连接线的上三分之一处，并且

其中，所述第二温度检测器被安装于所述管道(2)的上部区域中，使得所述第二温度传感器在所述管道(2)的下侧位于与所述管道(2)的壁直接邻近处。

5.根据权利要求2所述的装置,

其中，所述第一温度检测器和所述第二温度检测器均安装于所述管道(2)的上部区域中或所述管道(2)的下部区域中，并且其中，所述第一壳体和所述第二壳体具有不同长度。

6.根据权利要求1所述的装置，

其中，所述第一温度传感器和所述第二温度传感器被布置在具有一个壳体的一个温度检测器中，其中，所述温度检测器被安装于所述管道(2)的壁上且向内突出到所述管道(2)的内部中，并且其中，所述温度检测器在所述管道(2)中被布置为使得所述第一温度传感器和所述第二温度传感器不接触所述管道(2)的壁。

7.根据权利要求6所述的装置，

其中，所述温度检测器被安装于所述管道(2)的上部区域中或所述管道(2)的下部区域中，其中，所述壳体为实质上的杆形，并且其中，所述两个温度传感器被布置在所述壳体的不同区域中，使得所述第一温度传感器位于所述流体的冷凝物(4)的区域中，并且所述第二温度传感器位于所述流体以蒸气相(3)存在的区域中。

8.根据权利要求1至7中的一项所述的装置，

其中，压力传感器(12)被一体化到所述管道(2)的壁中，并且所述压力传感器(12)被实现用于记录所述管道(2)中的静态压力，其中，所述流体的蒸气压曲线被提供在所述电子单元(11)中，并且其中，对超过所述温差(ΔT)的所述极限值补充性地，仅当所述蒸气的温度(T_D)大于根据所述蒸气压曲线与所测量的静态压力对应的参考温度(T_R)时生成报告。

9.一种用于在输送流体的部件中对冷凝诱导的水力冲击和/或蒸汽锤进行预警的方法，所述部件是管道(2)，所述流体以至少第一部分呈现为蒸气相(3)，并且在冷凝物形成的情况下以第二部分呈现为冷凝物(4)的形式，

其中，测量所述蒸气的温度(T_D)，

其中，测量所述冷凝物的温度(T_K)，

其中，确定所述蒸气的温度(T_D)与所述冷凝物的温度(T_K)之间的温差(ΔT)，并且其中，当达到所述温差(ΔT)的预定极限值时生成报告。

10.根据权利要求9所述的方法，

其中，测量所述管道中的静态压力，

其中，将所述蒸气的温度(T_D)与根据蒸气压曲线属于所述静态压力的参考温度(T_R)进行比较，并且其中，仅当所述蒸气的温度(T_D)大于所述参考温度(T_R)时生成报告。

11.根据权利要求1-8中的任意一项所述的装置在过程技术和/或自动技术中的使用。