DE102016100864B4 - Method for determining the thermal state point of the steam in steam turbines and measuring arrangement for carrying out the method - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Bestimmung des thermischen Zustandspunktes von Dampf in Dampfturbinen, umfassend die Zustandsgrößen Dampfmassenanteil und Dampftemperatur, unter Verwendung eines Infrarotlichtstrahlers (101), der Infrarotlicht in mehreren Wellenlängen abstrahlen kann, und eines Infrarotlichtdetektors (107), umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
- Aufnehmen jeweils eines, einen vorgegebenen Frequenzbereich umfassenden Hintergrund-Infrarotlichtspektrums bei Durchstrahlung in wenigstens einer Querschnittsebene jeweils entlang mindestens eines in der Querschnittsebene in einem vorgegebenen Probenraum (5) der Dampfturbine liegenden Strahlengangs (104) des Infrarotlichts durch den mit infrarotinaktiven Gas gefüllten Probenraum (5) der Dampfturbine;
- Aufnehmen mindestens eines, einen vorgegebenen Frequenzbereich umfassenden Transmissions-Infrarotlichtspektrums bei Durchstrahlung entlang mindestens eines des in der Querschnittsebene des Probenraums (5) liegenden Strahlengangs (104) durch den mit Dampf beaufschlagten Probenraum (5) der Dampfturbine;
- Auswerten der aufgenommenen Infrarotlichtspektren mittels einer Auswerteeinheit (108) hinsichtlich des Dampfmassenanteils unter Zuhilfenahme des Lambert-Beerschen Gesetzes zur Absorbanz von Strahlung; und
- Auswerten der aufgenommenen Infrarotlichtspektren mittels der Auswerteeinheit (108) hinsichtlich der Bestimmung der Dampftemperatur.
Method for determining the thermal state point of steam in steam turbines, comprising the state variables steam mass fraction and steam temperature, using an infrared light emitter (101) which can emit infrared light in several wavelengths, and an infrared light detector (107), comprising the following method steps:
Picking up a background infrared light spectrum comprising a predetermined frequency range when irradiated in at least one cross-sectional plane along at least one beam path (104) of the infrared light through the sample space (5) filled with infrared-inert gas in the given cross-sectional plane in a given sample space (5) of the steam turbine ) of the steam turbine;
- Recording at least one, a predetermined frequency range comprising transmission infrared light spectrum when irradiated along at least one in the cross-sectional plane of the sample chamber (5) lying beam path (104) through the steam loaded sample chamber (5) of the steam turbine;
- Evaluating the recorded infrared light spectra by means of an evaluation unit (108) with respect to the vapor mass fraction with the aid of Lambert-Beer's law on the absorbance of radiation; and
- Evaluating the recorded infrared light spectra by means of the evaluation unit (108) with respect to the determination of the steam temperature.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des thermischen Zustandspunktes des Dampfs in Dampfturbinen dargestellt durch Dampfmassenanteil und Dampftemperatur sowie eine Messanordnung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for determining the thermal state point of the steam in steam turbines represented by steam mass fraction and steam temperature and a measuring arrangement for carrying out the method.
Bekannt aus dem Schrifttum sind eine Reihe verschiedener Verfahren zur Ermittlung des thermischen Zustandspunktes aus mindestens zwei thermodynamischen Zustandsgrößen des Dampfs, nämlich des Dampfmassenanteils, der Dampftemperatur und/oder des Drucks. Die Messungen, die dafür erforderlich sind, beruhen u. a. auf Methoden der Messung der Lichtstreuung, elektrischen Feldmessungen oder der Analyse von abgezapftem Dampf aus dem Strömungskanal.Known from the literature are a number of different methods for determining the thermal state point from at least two thermodynamic state variables of the steam, namely the steam mass fraction, the steam temperature and / or pressure. The measurements required for this are u. a. on methods of measuring light scattering, electric field measurements or analysis of tapped steam from the flow channel.
Der Dampfmassenanteil ist eine wichtige Kenngröße zur betriebs- und leittechnischen Steuerung von thermischen Energiemaschinen, wie z. B. Dampfturbinen. Da im Nassdampfgebiet Druck und Temperatur korrelieren, muss zur Bestimmung des thermischen Zustandspunktes der Dampfmassenanteil bekannt sein. Bei Kenntnis des Dampfmassenanteils direkt hinter einer Kondensationsturbine kann der Wirkungsgrad der Energiemaschine ermittelt werden.The steam mass fraction is an important parameter for operational and process control of thermal energy machines, such. B. steam turbines. Since pressure and temperature correlate in the wet steam area, the steam mass fraction must be known in order to determine the thermal state point. With knowledge of the vapor mass fraction directly behind a condensation turbine, the efficiency of the energy machine can be determined.
Die Bestimmung des Wasseranteils im flüssigen Aggregatzustand ist wichtig, da bekannt ist, dass Nassdampf in Niederdruckturbinenstufen durch Tropfenschlagerosion erhebliche Schäden an Turbinenleit- und -laufschaufeln anrichtet, wobei diese Schäden z. B. durch Langzeitbestimmungen des Dampfmassenanteils aufgedeckt werden können.The determination of the proportion of water in the liquid state of matter is important, since it is known that wet steam in low-pressure turbine stages by drop impact erosion causes considerable damage to turbine guide and -anlaufschaufeln, said damage z. B. can be revealed by long-term determinations of the vapor mass fraction.
Die
In anderen konventionellen Verfahren wird nach bekannten thermischen Zustandsänderungen und mit Hilfe der Energiebilanz der Zustandspunkt bestimmt. Durch Überhitzung (Überhitzungskalorimeter) oder Drosselung (Drosselkalorimeter) eines Nassdampfmassestroms kann der Anteil an zuvor enthaltener flüssiger Phase der Probe bestimmt werden. Eine Kombination der zuvor genannten Kalorimeter zur Dampfmassenanteilbestimmung wird in
In Schatz, M. und Eberle, T., „Experimental study of steam wetness in a model steam turbine rig: presentation of results and comparison with computational fluid dynamics data“, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, März 2014, Vol. 228, Nr.2, S. 129-142 wird ein optisches Messverfahren angewendet, welches den Anteil der flüssigen Phase aus dem Anteil des an den Tropfen des Nassdampfstroms gestreuten Lichts bestimmt. Dabei wird zunächst die Volumenkonzentration aus dem Tropfenspektrum abgeleitet, womit sich unter Zuhilfenahme der Dichten der flüssigen und gasförmigen Phase der Dampfmassenanteil berechnen lässt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass eine Sonde in den Strömungskanal eingeführt werden muss und nur eine Punktmessung je Sondeneinstellung möglich ist, was dazu führt, dass keine gleichzeitige ortsauflösende Messung möglich ist. Ebenso ist eine Temperaturmessung nicht in der optischen Messung integriert und muss separat vorgenommen werden. Ähnliche Messanordnungen sind auch aus
Spektroskopische Verfahren zur Bestimmung des Dampfmassenanteils sind in
Aus
Nachteilig bei diesen Lösungen ist, dass sie im Anwendungsfall der Dampfturbinen entweder eine Sondeneinführung in den Dampfstrom erfordern oder eine Dampfabzapfung mit sich bringen, was in jedem Fall die Strömung beeinflusst. Wenn eine Abzapfung notwendig ist, findet die Messung zudem mit einer gewissen Verzögerung statt und der abgezapfte Dampfstrom kann zudem nicht an der kompletten Entspannung teilnehmen. Auch kann es durch die Abzapfung zu einer Zustandsänderung des abgezapften Dampfstroms und damit zu einem systematischen Messfehler kommen.A disadvantage of these solutions is that in the application of steam turbines they either require a probe insertion into the vapor stream or bring a Dampfabzapfung with it, which in any case affects the flow. In addition, if a tap is necessary, the measurement will take place with some delay, and the tapped vapor stream will not be able to participate in complete relaxation. The tapping can also lead to a change in state of the tapped-off steam flow and thus to a systematic measurement error.
Bei allen bekannten Verfahren, die in Dampfturbinen einsetzbar sind, ist eine ortsauflösende Bestimmung der Zustandsgrößen nur mit einer in den Strömungskanal eingeführten Sonde möglich, um z. B. den thermischen Zustandspunkt kontinuierlich in Abhängigkeit der radialen Position am Turbinenschaufelblatt angeben zu können. Sonden oder Probeentnahmestellen können prinzipiell zwar verstellt werden, was jedoch dazu führt, dass der thermische Zustand zu einem Zeitpunkt nur an einem Ort bestimmt werden kann.In all known methods that can be used in steam turbines, a spatially resolving determination of the state variables is possible only with an inserted into the flow channel probe to z. B. to specify the thermal state point continuously in dependence on the radial position on the turbine blade. Although probes or sampling points can in principle be adjusted, this means that the thermal state can only be determined at one point in one place.
Außerdem ist es mit den bekannten Verfahren nicht möglich, die Dampftemperatur gleichzeitig neben der simultan zur Bestimmung des Dampfmassenanteils aus der optischen Messung zu gewinnen, womit aus der Messung des Dampfmassenanteils stets nicht der thermische Zustandspunkt abgeleitet werden kann.In addition, it is not possible with the known methods, the steam temperature simultaneously to win next to the simultaneous determination of the vapor mass fraction from the optical measurement, so that from the measurement of the vapor mass fraction always the thermal state point can not be derived.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bestimmung des thermischen Zustandspunktes des Dampfs in Dampfturbinen sowie eine Messanordnung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen, wobei die zu dieser Bestimmung erforderlichen Messungen kontinuierlich, ohne Strömungsbehinderung, ohne Abzapfung des Dampfs und ortsaufgelöst innerhalb der Dampfturbinen stattfinden sollen.The object of the invention is to provide a method for determining the thermal state point of the steam in steam turbines and a measuring arrangement for carrying out the method, wherein the measurements required for this determination should take place continuously, without flow obstruction, without tapping the steam and spatially resolved within the steam turbine.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit den Merkmalen nach dem Patentanspruch 1 gelöst; zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 beschrieben, eine vorteilhafte Messanordnung zur Durchführung des Verfahrens ergibt sich aus Anspruch 10.The object is achieved according to the invention with the features of
Erfindungsgemäß beruht das Verfahren zur Bestimmung des thermischen Zustandspunktes des Dampfs auf der Ermittlung des Dampfmassenanteils und der Dampftemperatur durch wenigstens eine spektroskopische Messung im Infrarotbereich.According to the invention, the method for determining the thermal state point of the vapor based on the determination of the vapor mass fraction and the vapor temperature by at least one spectroscopic measurement in the infrared range.
Ein Lichtstrahl mit einem Einstrahlungsspektrum im infraroten Wellenlängenbereich wird von einem Infrarotlichtstrahler über eine Einstrahloptik entlang des Strahlengangs des Lichtstrahls in einen Probenraum einer Dampfturbine emittiert. Es findet eine Wechselwirkung des Lichtstrahls entlang seines Strahlgangs mit dem Dampf statt, wobei Licht von dem dem Dampf absorbiert wird. Nach Durchgang des Lichtstrahles durch den Probenraum wird ein Transmissions-Infrarotlichtspektrum über eine Detektoroptik von einem Infrarotlichtdetektor aufgenommen und in ein elektrisches Signal gewandelt, welches in einer Auswerteeinheit analysiert wird.A light beam with an irradiation spectrum in the infrared wavelength range is emitted by an infrared light emitter via a radiation optics along the beam path of the light beam into a sample chamber of a steam turbine. There is an interaction of the light beam along its beam path with the vapor, absorbing light from it to the vapor. After passage of the light beam through the sample space, a transmission infrared light spectrum is recorded by a detector optical system by an infrared light detector and converted into an electrical signal, which is analyzed in an evaluation unit.
Das Transmissions-Infrarotlichtspektrum weist eine in Abhängigkeit von Dampfmassenanteil und Dampftemperatur charakteristische Verteilung der Strahlungsintensität auf. So sind z. B. die Strahlungsintensitäten bei spezifischen Wellenlängen bzw. Wellenlängenintervallen, den sogenannten Absorptionsbanden, und/oder die Maxima der Strahlungsintensitäten in der Spektralverteilung repräsentativ für einen bestimmten Dampfmassenanteil bzw. eine bestimmte Dampftemperatur. Durch Vergleich des Transmissions-Infrarotlichtspektrums mit Spektralverteilungen, die für bekannten Dampfmassenanteil und Dampftemperatur ermittelt wurden und z. B. in einer Datenbank hinterlegt sind, kann der Dampfmassenanteil und die Dampftemperatur bestimmt werden.The transmission infrared light spectrum has a distribution of the radiation intensity which is characteristic of the proportion of steam mass and steam temperature. So z. For example, the radiation intensities at specific wavelengths or wavelength intervals, the so-called absorption bands, and / or the maxima of the radiation intensities in the spectral distribution representative of a certain steam mass fraction or a specific steam temperature. By comparison of the transmission infrared light spectrum with spectral distributions, which were determined for known steam mass fraction and steam temperature and z. B. are stored in a database, the steam mass fraction and the steam temperature can be determined.
Der Dampfmassenanteil ist als Masse des gasförmigen Wassers in Bezug zur Masse des gesamten, flüssigen und gasförmigen, Wassers definiert. Aufgrund der identischen molaren Masse ist das Massenverhältnis dem Stoffmengenverhältnis gleich. Der Dampfmassenanteil kann aus den Anteilen flüssigen und gasförmigen Wassers wie folgt berechnet werden:
Zur erfindungsgemäßen Bestimmung des Dampfmassenanteils wird zunächst ein Hintergrund-Infrarotlichtspektrum im leeren Probenraum ermittelt, d. h., der Probenraum oder ein Raum mit identischen geometrischen Abmaßen ist nur mit einem infrarotinaktiven Gas, z. B. mit trockener Luft, geflutet. Jeder spezifischen Wellenlänge des Infrarotlichtspektrums wird dabei eine Hintergrundintensität zugeordnet.To determine the vapor mass fraction according to the invention, a background infrared light spectrum in the empty sample space is first determined, ie. h., the sample space or a room with identical geometrical dimensions is only with an infrared-inactive gas, eg. B. with dry air, flooded. Each specific wavelength of the infrared light spectrum is assigned a background intensity.
Im Betrieb der Dampfturbine ist der Probenraum mit Dampf beaufschlagt. In diesem Zustand erfolgt die Aufnahme des Transmissions-Infrarotlichtspektrums, wobei jeder spezifischen Wellenlänge des Infrarotlichtspektrums eine Transmissionsintensität zugeordnet wird.During operation of the steam turbine, the sample space is exposed to steam. In this state, the transmission of the infrared transmission infrared spectrum takes place, wherein each specific wavelength of the infrared light spectrum is assigned a transmission intensity.
Aus der Hintergrundintensität und der Transmissionsintensität wird für jede spezifische Wellenlänge des Infrarotlichtspektrums eine Absorbanz, ein Maß für die Intensitätsschwächung des eingestrahlten Lichtes während der Transmission durch den Probenraum, berechnet.From the background intensity and the transmission intensity, an absorbance, a measure of the intensity attenuation of the incident light during transmission through the sample space, is calculated for each specific wavelength of the infrared light spectrum.
Die Absorbanz korreliert gemäß dem Lambert-Beerschen-Gesetz mit der Stoffmenge des flüssigen und des gasförmigen Wassers, wobei die Proportionalitätsfaktoren für unterschiedliche Wellenlängen verschieden sind.The absorbance correlates according to the Lambert-Beerschen law with the molar amount of liquid and gaseous water, the proportionality factors for different wavelengths are different.
Erfindungsgemäß werden zur Auswertung die Absorbanzen bei Wellenlängen herangezogen, bei denen die Intensitätsschwächung durch die flüssige Phase gering und durch die gasförmige Phase groß ist und umgekehrt. Aus dem Verhältnis dieser Absorbanzen kann nach einer Kalibrierung der Dampfmassenanteil bestimmt werden. Die Dampftemperatur korreliert mit den Absolutwerten der Absorbanzen und wird auf Basis dieser Korrelation unter Zuhilfenahme von Kalibrierwerten aus bekannten Dampfgemischen errechnet. Mithilfe der Kenntnis des Dampfmassenanteils und der Dampftemperatur wird der thermische Zustandspunkt bestimmt.According to the invention, the absorbances at wavelengths are used for the evaluation, in which the intensity attenuation by the liquid phase is low and by the gaseous phase is large and vice versa. From the ratio of these absorbances can be determined after a calibration of the vapor mass fraction. The steam temperature correlates with the absolute values of the absorbances and is calculated on the basis of this correlation with the aid of calibration values from known steam mixtures. Using the knowledge of the steam mass fraction and the steam temperature, the thermal state point is determined.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Messungen mit geringem technischem Aufwand durchgeführt werden können und die Bestimmung des Wirkungsgrades der gesamten Dampfturbine ebenso wie einzelner Stufen der Dampfturbine ermöglicht ist, z. B. für die konstruktive Optimierung der Dampfturbine. Es ist weiterhin möglich, Dampfturbinen in verschiedenen Betriebspunkten zu betreiben und Betriebskennfelder zu ermitteln, um den Betrieb einer spezifischen Stufe mit vorgegeben Dampfmassenanteil und damit in Kenntnis des Auftretens von Tropfenschlagerosion zu realisieren. Eine vollständige Vermeidung der Tropfenschlagerosion ist z. B. durch Regelung der Betriebsparameter auf Basis der Bestimmung des thermischen Zustandspunktes am Turbinenaustritt möglich, sodass hier ausschließlich Sattdampf vorliegt.The advantage of the invention is that the measurements can be carried out with little technical effort and the determination of the efficiency of the entire steam turbine as well as individual stages of the steam turbine is possible, for. B. for the structural optimization of the steam turbine. It is also possible to operate steam turbines at different operating points and to determine operating characteristics in order to realize the operation of a specific stage with given steam mass fraction and thus in the knowledge of the occurrence of drop impact erosion. A complete avoidance of drop impact erosion is z. B. by controlling the operating parameters based on the determination of the thermal state point at the turbine outlet possible, so that here only saturated steam is present.
Die Aufnahme und Auswertung des Transmissions-Infrarotlichtspektrums kann während der gesamten Betriebsphase der Dampfturbine kontinuierlich durchgeführt werden, wodurch der Zustand der Dampfturbine überwacht werden kann.The recording and evaluation of the transmission infrared light spectrum can be carried out continuously during the entire operating phase of the steam turbine, whereby the state of the steam turbine can be monitored.
Ebenso ist es mit dem Verfahren möglich, durch Auswertung von Intensitäten bzw. Absorbanzen für eine Mehrzahl unterschiedlicher Wellenlängen bzw. Absorptionsbanden auf dem Transmissions-Infrarotlichtspektrums eines Strahlenganges Messfehler zu verringern und die Genauigkeit der Bestimmung der Zustandsgrößen zu verbessern.Likewise, it is possible with the method to reduce measurement errors by evaluating intensities or absorbances for a plurality of different wavelengths or absorption bands on the transmission infrared light spectrum of a beam path and to improve the accuracy of the determination of the state variables.
Ein weiterer Vorteil ist es, dass die Messung des Dampfmassenanteils und der Dampftemperatur mit nur einer Messvorrichtung durchführbar ist und beide Kennwerte direkt aus der Transmissions-Infrarotlichtspektralverteilung bestimmt werden können.Another advantage is that the measurement of the steam mass fraction and the steam temperature can be carried out with only one measuring device and both characteristic values can be determined directly from the transmission infrared light spectral distribution.
Vorteilhaft ist weiterhin, dass keine Abzapfung des Dampfs aus dem Probenraum und keine Sondeneinführung in den Probenraum zur Messung erforderlich sind.A further advantage is that no tapping of the vapor from the sample space and no probe insertion into the sample space are required for the measurement.
Es kann vorgesehen sein, dass zur Bestimmung des thermischen Zustandspunktes die Daten aus der konventionellen Druckmessung in der Dampfturbine genutzt werden. Während für den Betrieb der Dampfturbine im Nassdampfbereich die Bestimmung des thermischen Zustandspunktes auf Basis von Dampffeuchte und Dampftemperatur erfolgt und der Druck unter Zuhilfenahme von Stoffdaten errechnet werden kann, werden für den Betrieb im Heißdampfbereich die Dampftemperatur und der Druck zur Bestimmung des thermischen Zustandspunktes angezogen.It can be provided that the data from the conventional pressure measurement in the steam turbine are used to determine the thermal state point. While for the operation of the steam turbine in the wet steam region, the determination of the thermal state point on the basis of steam humidity and steam temperature and the pressure can be calculated with the aid of substance data, the steam temperature and the pressure for determining the thermal state point are tightened for operation in the superheated steam region.
Der Dampfmassenanteil kann auf Basis der Absorbanzen bei zwei Wellenlängenintervallen bestimmt werden, welche die Streckschwingungsbanden der Wassermoleküle in flüssiger und in gasförmiger Phase bzw. deren Kombinations- oder Obertöne darstellen. Zunächst wird ein erstes Wellenlängenintervall ausgewählt, in dem die Absorbanz proportional zur Stoffmenge des gasförmigen Wassers ist, z. B. 1,85 ± 0,05·10-6 m, und ein zweites Wellenlängenintervall, in dem die Absorbanz proportional zur Stoffmenge des flüssigen Wassers ist, z. B. 2,00 ± 0,05·10-6 m oder 16 ± 4·10-6 m. Alternativ kann eines der Wellenlängenintervalle, welches proportional zur gesamten Stoffmenge aus flüssigem und gasförmigem Wasser ist, ausgesucht werden. Die Berechnung der Stoffmengen erfolgt nach dem Lambert-Beerschen-Gesetz. The vapor mass fraction can be determined on the basis of the absorbances at two wavelength intervals which represent the stretching vibration bands of the water molecules in the liquid and gaseous phase or their combination or overtones. First, a first wavelength interval is selected in which the absorbance is proportional to the molar mass of the gaseous water, z. B. 1.85 ± 0.05 x 10 -6 m, and a second wavelength interval in which the absorbance is proportional to the molar amount of liquid water, z. 2.00 ± 0.05 x 10 -6 m or 16 ± 4 x 10 -6 m. Alternatively, one of the wavelength intervals, which is proportional to the total molar amount of liquid and gaseous water, can be selected. The calculation of the amounts of substance according to the Lambert-Beerschen law.
Alternativ kann der Dampfmassenanteil aus den Absorbanzen bei Wellenlängen innerhalb der spektralen Feinstruktur der Rotationsschwingungsbanden angewandt werden. Hierbei wird eine erste Wellenlänge ausgewählt, für die die Absorbanz proportional zur Stoffmenge des gesamten (gasförmigen und flüssigen) Wassers ist und eine zweite Wellenlänge, für die die Absorbanz proportional zur Stoffmenge des flüssigen Wassers ist.Alternatively, the vapor mass fraction from the absorbances may be applied at wavelengths within the spectral fine structure of the rotational vibration bands. In this case, a first wavelength is selected for which the absorbance is proportional to the molar amount of the total (gaseous and liquid) water and a second wavelength for which the absorbance is proportional to the molar amount of the liquid water.
Die beiden Ausgestaltungsvarianten des erfindungsgemäßen Verfahrens können jeweils für mehrere Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche unabhängig voneinander vorgenommen oder kombiniert benutzt werden, wodurch eine höhere Genauigkeit der Bestimmung des Dampfmassenanteils erreichbar ist.The two embodiment variants of the method according to the invention can be used independently of each other for several wavelengths or wavelength ranges or used in combination, whereby a higher accuracy of the determination of the vapor mass fraction can be achieved.
Die Dampftemperatur kann aus einzelnen oder mehreren aufgenommenen Transmissionsintensitäten und Absorbanzen gemäß dem Stefan-Boltzmann-Gesetz oder aus deren spektraler Verteilung gemäß dem Planck'schen Strahlungsgesetz ermittelt werden. Dazu wird ein Vergleich von bekannten spektralen Verteilungen für bekannte Dampftemperaturen mit der detektierten spektralen Verteilung durchgeführt. Mittels Ausgleichsrechnung (Kurvenanpassung) wird die Dampftemperatur bestimmt. Diese Methodik entspricht der Temperaturbestimmung in klassischen Pyrometern.The steam temperature can be determined from single or multiple recorded transmission intensities and absorbances according to the Stefan-Boltzmann law or from their spectral distribution according to Planck's law of radiation. For this purpose, a comparison of known spectral distributions for known steam temperatures with the detected spectral distribution is performed. By means of compensation calculation (curve fitting) the steam temperature is determined. This methodology corresponds to the temperature determination in classical pyrometers.
Es kann vorgesehen sein, dass die Messung entlang des Strahlgangs des Lichtstrahls durchgeführt wird, der in einer senkrecht zur Rotationsachse der Dampfturbine ausgerichteten, und zwischen den Turbinenleit- oder -laufschaufeln angeordneten Querschnittsebene liegt. Alternativ kann die Messung in Dampfleitungen vor oder hinter der Dampfturbine realisiert werden.It can be provided that the measurement is carried out along the beam path of the light beam which lies in a cross-sectional plane oriented perpendicular to the axis of rotation of the steam turbine and arranged between the turbine guide vanes or vanes. Alternatively, the measurement can be realized in steam pipes in front of or behind the steam turbine.
Ferner kann die Messung entlang einer Mehrzahl von zueinander beabstandeten, vorzugsweise parallel zueinander angeordneten Strahlengängen durchgeführt werden. Für jeden Strahlengang werden nach dem beschriebenen Verfahren Dampfmassenanteil und Dampftemperatur ermittelt.Furthermore, the measurement can be carried out along a plurality of mutually spaced, preferably mutually parallel beam paths. For each beam path steam mass fraction and steam temperature are determined by the method described.
In dieser Ausprägung der Erfindung kann mittels Methoden, wie der inversen Radon-Transformation, eine ortsaufgelöste Karte der Zustandsgrößen Dampfmassenanteil und Dampftemperatur erstellt werden. Dadurch ist es ermöglicht, dass positionsspezifische Unterschiede der Zustandsgrößen, z. B. radial im Strömungskanal der Dampfturbine, erfasst werden. Auf diese Weise ist die Bewertung kritischer Positionen entlang der Länge eines Turbinenschaufelblatts in Bezug auf das Auftreten von Nässe und schädigender Tropfenschlagerosion realisierbar.In this embodiment of the invention can be created by methods such as the inverse radon transformation, a spatially resolved map of the state variables steam mass fraction and steam temperature. This makes it possible that position-specific differences of the state variables, eg. B. radially in the flow channel of the steam turbine can be detected. In this way, the evaluation of critical positions along the length of a turbine airfoil is feasible with respect to the occurrence of wetness and damaging drop impact erosion.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Bestimmung der Dampftemperatur auf Basis der Bandenbreite mindestens einer Absorptionsbande im Transmissions-Infrarotlichtspektrum durchgeführt. Für diese Methode ist eine spezifische Absorptionsbande auszuwählen deren Bandenbreite nur temperaturabhängigen Veränderungen unterlegen ist und keiner Veränderlichkeit in Bezug zum Dampfmassenanteil. Vorteilhaft kann eine Absorptionsbande, die nicht im Bereich der Totalabsorption liegt und gleichzeitig eine möglichst hohe Absorbanz gewährleistet, z. B. im Wellenlängenbereich von 1,96 ± 0,05·10-6 m angewandt werden.In one embodiment of the invention, the determination of the steam temperature is carried out on the basis of the band width of at least one absorption band in the transmission infrared light spectrum. For this method a specific absorption band is to be selected whose band width is inferior to temperature-dependent changes and no variability in relation to the vapor mass fraction. Advantageously, an absorption band, which is not in the range of total absorption and at the same time ensures the highest possible absorbance, z. B. in the wavelength range of 1.96 ± 0.05 · 10 -6 m are applied.
Ferner kann aus der Absorbanz in einem bezüglich der Wassermoleküle wechselwirkungsfreien Wellenlängenbereich des Transmissions-Infrarotspektrums, z. B. 1,67 ± 0,05·10-6 m, die mittlere Tröpfchengröße des Nassdampfs bestimmt werden. Hierzu werden zunächst Vergleichsmessungen der Absorbanz bei bekannter mittlerer Tröpfchengröße des Nassdampfs durchgeführt. Unter Ausnutzung der damit ermittelten Korrelation zwischen mittlerer Tröpfchengröße und Absorbanz wird die mittlere Tröpfchengröße des Dampfs während des Betriebs der Dampfturbine anhand der dabei gemessenen Infrarotspektren bestimmt. Die mittlere Tröpfchengröße ist neben dem Dampfmassenanteil ein wichtiges Kriterium zur Beurteilung des Schädigungsrisikos aufgrund von Tropfenschlagerosion.Furthermore, from the absorbance in a with respect to the water molecules interaction-free wavelength range of the transmission infrared spectrum, z. B. 1.67 ± 0.05 x 10 -6 m, the average droplet size of the wet steam can be determined. For this purpose, comparative measurements of the absorbance at a known mean droplet size of the wet steam are first carried out. Taking advantage of the thus determined correlation between average droplet size and absorbance, the mean droplet size of the steam during operation of the steam turbine is determined on the basis of the infrared spectra measured in the process. The average droplet size is, in addition to the vapor mass fraction, an important criterion for assessing the risk of damage due to drop impact erosion.
Die Messanordnung zur Bestimmung des thermischen Zustandspunktes umfasst die Einstrahloptik und die Detektoroptik, die am Turbinengehäuse angeordnet sind, wobei der Strahlengang von der Einstrahloptik auf die Detektoroptik ausgerichtet ist. Die Einstrahloptik ist mit dem Infrarotlichtstrahler gekoppelt und die Detektoroptik ist mit dem Infrarotlichtdetektor gekoppelt. Der Infrarotlichtdetektor ist mit der Auswerteeinheit elektrisch verbunden.The measuring arrangement for determining the thermal state point comprises the Einstrahloptik and the detector optics, which are arranged on the turbine housing, wherein the beam path of the Einstrahloptik aligned with the detector optics. The Einstrahloptik is coupled to the infrared light emitter and the detector optics is coupled to the infrared light detector. The infrared light detector is electrically connected to the evaluation unit.
Vorteilhaft sind die Einstrahloptik und die Detektoroptik in einer senkrecht zur Rotationsachse der Dampfturbine ausgerichteten, und zwischen den Turbinenleit- oder - laufschaufeln angeordneten Querschnittsebene positioniert, wobei der Strahlengang des Lichtstrahls innerhalb dieser Querschnittsebene liegt und von der Einstrahloptik auf die Detektoroptik ausgerichtet ist.The radiation optics and the detector optics are advantageously positioned in a cross-sectional plane aligned perpendicular to the axis of rotation of the steam turbine and positioned between the turbine guide vanes, the beam path of the light beam being within this cross-sectional plane and being aligned with the detector optics by the irradiation optics.
Es kann vorgesehen sein, dass der Infrarotlichtstrahler mit der Einstrahloptik mittels eines Sendelichtleiter und der Infrarotlichtdetektor mit der Detektoroptik mittels eines Detektorlichtleiters gekoppelt ist. Infrarotlichtstrahler und Infrarotlichtdetektor sind hierbei entfernt von der Dampfturbine, z. B. in separat gekapselten Gehäusen, angeordnet. Dies ist von Vorteil, um die empfindlichen elektronischen Bauteile, d. h. Infrarotlichtstrahler und insbesondere Infrarotlichtdetektor, außerhalb des Bereichs der Heißteile der Dampfturbine zu positionieren und Beschädigungen durch Hitzeeinwirkung zu vermeiden.It can be provided that the infrared light emitter is coupled to the Einstrahloptik means of a transmission light guide and the infrared light detector with the detector optics by means of a detector light guide. Infrared light emitter and infrared light detector are removed from the steam turbine, z. B. in separately encapsulated enclosures arranged. This is beneficial to the delicate electronic components, i. H. Infrared light emitter and in particular infrared light detector to position outside the range of hot parts of the steam turbine and to avoid damage due to heat.
In einer Ausprägung der Erfindung besteht die Messanordnung aus mehreren Einstrahloptiken und eine Detektoroptiken. Diese sind derart angeordnet, dass in der Querschnittsebene mehrere Lichtstrahlen mit voneinander beabstandeten, vorzugsweise parallel zueinander liegenden Strahlengängen liegen.In one embodiment of the invention, the measuring arrangement consists of several Einstrahloptiken and a detector optics. These are arranged such that lie in the cross-sectional plane of multiple light beams with spaced-apart, preferably mutually parallel beam paths.
Ferner kann der Infrarotlichtstrahler ein durchstimmbarer Laser im Wellenlängenbereich von 1,0·10-7 bis 7,8·10-3 m, vorzugsweise 1,0·10-6 bis 1,0·10-5 m, sein. Der durchstimmbare Laser ist geeignet für die Durchstrahlung des Probenraums bei langen Strahlengängen da er eine hochparallele Strahlung und eine hohe Lichtintensität bereitstellt.Further, the infrared light emitter may be a tunable laser in the wavelength range of 1.0 × 10 -7 to 7.8 × 10 -3 m, preferably 1.0 × 10 -6 to 1.0 × 10 -5 m. The tunable laser is suitable for the radiation of the sample space in long beam paths because it provides highly parallel radiation and high light intensity.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Dazu zeigen
-
1 : eine Dampfturbine im Bereich der Endstufen im Längsschnitt, -
2 : die Dampfturbine in der Querschnittsebene A-A aus der1 mit einer Messanordnung mit einer Einstrahloptik und einer Detektionsoptik, -
3 : die Dampfturbine in einer Querschnittsebene senkrecht zur Rotationsachse der Dampfturbine mit einer Messanordnung mit aus mehreren Einstrahloptiken und Detektionsoptiken, und -
4 : ein Diagramm des Dampfmassenanteils über dem Radius von der Rotationsachse der Dampfturbine ermittelt mit der Messanordnung entsprechend3 .
-
1 : a steam turbine in the area of the final stages in longitudinal section, -
2 : the steam turbine in the cross-sectional plane AA from the1 with a measuring arrangement with a radiation optics and a detection optics, -
3 the steam turbine in a cross-sectional plane perpendicular to the axis of rotation of the steam turbine with a measuring arrangement with a plurality of Einstrahloptiken and detection optics, and -
4 A diagram of the vapor mass fraction over the radius of the axis of rotation of the steam turbine determined with the measuring arrangement accordingly3 ,
In der
In der
In der Auswerteeinheit
Die Stoffmenge des gasförmigen Wassers im Dampf wird durch Berechnung gemäß dem Lambert-Beerschen Gesetz aus der Absorbanz der Streckschwingungsbande im Wellenlängenbereich von 2,00 ± 0,05·10-6 m ermittelt; die Stoffmenge des flüssigen Wassers im Dampf wird analog aus der Absorbanz der Streckschwingungsbande im Wellenlängenbereich von 1,85 ± 0,05·10-6 m bestimmt.The molar mass of gaseous water in the vapor is determined by calculation according to the Lambert-Beer law from the absorbance of the stretching vibration band in the wavelength range of 2.00 ± 0.05 · 10 -6 m; The molar mass of the liquid water in the vapor is analogously determined from the absorbance of the stretching vibration band in the wavelength range of 1.85 ± 0.05 x 10 -6 m.
Aus den Stoffmengen des flüssigen und gasförmigen Wassers wird anschließend durch Rechnung der Dampfmassenanteil bestimmt.From the molar amounts of liquid and gaseous water is then determined by calculation of the vapor mass fraction.
Die Bestimmung der Dampftemperatur erfolgt gleichzeitig anhand der spektralen Intensitätsverteilung, wobei hierzu ein Vergleich der für jede Wellenlänge ermittelten Absorbanzen mit Spektren, die durch das Planck'sche Strahlungsgesetz für spezifische Temperaturen vorhergesagt werden, vorgenommen wird. Die Methode entspricht der Wirkungsweise klassischer Pyrometer.The determination of the steam temperature takes place simultaneously on the basis of the spectral intensity distribution, for which purpose a comparison of the absorbances determined for each wavelength with spectra predicted by Planck's law of radiation for specific temperatures is carried out. The method corresponds to the mode of action of classical pyrometers.
In der
Mittels der inversen Radon-Transformation werden ortsaufgelöste Zustandsgrößen errechnet. Durch Zuordnung zu den Positionen am Turbinenschaufelblatt, ist ein Profil der Zustandsgröße entlang der Länge des Turbinenschaufelblatts darstellbar. In der
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- TurbinenlaufschaufelnTurbine blades
- 22
- Turbinenleitschaufelnturbine
- 33
- Turbinengehäuseturbine housing
- 44
- Turbinenrotorturbine rotor
- 55
- Probenraumsample space
- 101101
- InfrarotlichtstrahlerInfrared light emitters
- 102102
- Sendelichtleiter vom InfrarotlichtstrahlerTransmitting light guide from the infrared light emitter
- 103103
- EinstrahloptikEinstrahloptik
- 104104
- Strahlengangbeam path
- 105105
- Detektoroptikdetector optics
- 106106
- Detektorlichtleiter zum InfrarotlichtdetektorDetector light guide to the infrared light detector
- 107107
- InfrarotlichtdetektorInfrared light detector
- 108108
- Auswerteeinheitevaluation
- ri i
- Innenradius des TurbinenschaufelblattsInner radius of the turbine bucket blade
- ra r a
- Außenradius des TurbinenschaufelblattsOuter radius of the turbine bucket blade
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-
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