DE1448217A1

DE1448217A1 - Method for determining the amount of water locally contained in a gas or vapor mixture and device for carrying out the method

Info

Publication number: DE1448217A1
Application number: DE19601448217
Authority: DE
Inventors: Lothar Dr-Ing Speidel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1960-05-04
Filing date: 1960-05-04
Publication date: 1971-04-15

Description

Verfahren zur Bestimmung der in einem Gas-bzw. Dampfgemisch örtlich enthaltenen Wassermenge und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens FUr die Untersuchung von Schaufelerosionen im Niederdruckteil von Dampfturbinen ist es erwunscht, die Dampfnässe sowie die Verteilung des Wassers und ggf. die Bewegungsrichtung festzustellen.Method for determining the in a gas or. Local steam mixture Amount of water contained and facility for carrying out the procedure for the Investigation of blade erosion in the low-pressure part of steam turbines, it is desirable determine the wetness as well as the distribution of the water and, if necessary, the direction of movement.

Bisher war man in derartigen F§llen auf die Ergebnisse theoretischer Uberlegungen angewiesen, ohne daB eine befriedigende meßtechnische Kontrolle möglich war.Up to now, the results have been more theoretical in such cases Considerations instructed without a satisfactory metrological control being possible was.

Die Erfindung geht von der Uberlegung aus, da. sich bei wasserenthaltenden Dampf-oder GaBgemischen die Möglichkeit bietet, bei Anwendung einer elektrischen Beheizung das Wasser zu verdampfen und hieraus Meßgrößen far die Bestimmung des Wassergehaltes durch die Feststellung der Verdampfungswärme abzuleiten.The invention is based on the consideration that there. with water-containing Steam or gas mixtures offer the option of using an electrical Heating to evaporate the water and from this measured variables for the determination of the Derive the water content by determining the heat of evaporation.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung der in einem Gas-bzw. Dampfgemisch örtlich enthaltenen Wassermenge, insb. zur Bestimmung der Wasserverteilung (Dampffeuchtemessung) bei im Naßdampfgebiet arbeitenden Turbinenteilen. Die Erfindung besteht darin, daß eine dem Naßdampf ausgesetzte Meßsonde elektrisch beheizt und zugleich ihre Temperatur gemessen wird und daß der Meßsonde eine solche Heizleistung bzw. W§rmemenge pro Zeiteinheit sugefUhrt wird, daß das an ihr befindliche Wasser verdampft, wobei der eingetretene Temperaturanstieg und die Heizleistung als Maß fUr die benötigte Verdampfungswärme und damit des Wassergehaltes des NaBdampfes herangezogen werden.The invention is a method for determining the in a Gas or Steam mixture locally contained amount of water, especially for determining the Water distribution (steam moisture measurement) in the case of turbine parts working in the wet steam area. The invention consists in that a measuring probe exposed to the wet steam is electrically heated and at the same time its temperature is measured and that the measuring probe is such Heating output or amount of heat per unit of time suggests that what is on it Water evaporates, whereby the temperature rise and the heating power as a measure of the required heat of evaporation and thus the water content of the wet steam can be used.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine vorteilhafte Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, welche in der Haupteache dadurch gekennzeichnet ist, daß die dem Naßdampf ausgesetzte Meßsonde einen elektrisch heizbaren Draht und einen elektrischen Temperaturfühler aufweist und daß in die elektrischen Zuleitungen Mittel zur Einatellung der Heizleistung und ein Temperaturanzeigegerät geschaltet sind.The invention also provides an advantageous device for Implementation of this procedure, which is characterized in the main ache is that the measuring probe exposed to the wet steam is an electrically heatable wire and an electrical temperature sensor and that in the electrical leads middle for adjusting the heating power and a temperature display device are connected.

Im folgenden sollen das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie mehrere AusfUhrungebeispiele der Einrichtung zu seiner DurchfUhrung näher anhand der Zeichnung erläutert werden, in welcher zeigen : Fig. 1 schematisch die Meßanordnung, Fig. 2 in einem Diagramm den Temperaturverlauf am Heizdraht der Meßsonde abhängig von der zuge£Ehrten elektrischen Leistung fUr trockenes Gas (Kurve a) und fUr Naßdampf (Kurvenäste b und c), Fig. 3 eine Eichkurve zur Ermittlung des Wassergehaltes (in Ordinate - in Abhängligkeit von der Heiz-####### ) leistung in kW - Abszisse -, Fig. 4 schematisch eine Meßsonde, eingebaut in eine Turbine, Fig. 5a, 5b und 6 das Ausführungsbeispiel einer MeBsonde im Detail, und zwar Fig. 5a in Seitenansicht z. T. im Schnitt mit Einsatzkörper, Fig. 5 eine Draufsicht auf die Sonde mit Zuleitungsrohren und Fig. 6 eine Ansicht von vorn auf die Sonde, z. T. im Schnitt, Fig. 7 schematisch einen in Strömungerichtung geeehen hinter der Meßsonde angeordneten Tropfenableitkdrper größeren Durchmessers, Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Me-sonde mit zwei, je einen ThermofUhler enthaltenden Meßschenkeln.In the following the principle of the method according to the invention and several execution examples of the facility for its implementation in more detail are explained in the drawing, in which: Fig. 1 shows schematically the measuring arrangement, 2 shows the temperature profile on the heating wire of the measuring probe in a diagram of the electrical power awarded for dry gas (curve a) and for wet steam (Curve branches b and c), Fig. 3 shows a calibration curve for determining the water content (in Ordinate - depending on the heating - #######) power in kW - abscissa -, Fig. 4 schematically shows a measuring probe installed in a turbine, Figs. 5a, 5b and 6 das Exemplary embodiment of a measuring probe in detail, namely FIG. 5a in side view z. T. in section with insert body, Fig. 5 is a plan view of the probe with supply pipes and FIG. 6 is a front view of the probe, e.g. T. in section, Fig. 7 schematically a drop deflector arranged in the direction of flow behind the measuring probe larger diameter, FIG. 8 shows a further exemplary embodiment of a measuring probe with two measuring legs each containing a thermocouple.

Fig. 1 der Zeichnung deutet schematisch die Anordnung an, mit welcher die Messung durchgeführt wird. In dieser Fig. bedeutet 1 einen Heizdraht der Meßsonde, dem sur Beheizung ein ggf. veränderlicher elektrischer Strom über Leitungen 1a, 1b zugefUhrt wird.Fig. 1 of the drawing indicates schematically the arrangement with which the measurement is carried out. In this figure, 1 means a heating wire the measuring probe, the sur heating a possibly variable electric current over Lines 1a, 1b is fed.

Die Temperatur dieses Heizdrahtes kann in bekannter Weise durch Widerstandameseung oder eingebaute Thermoelemente gemessen werden.The temperature of this heating wire can be determined in a known manner by measuring the resistance or built-in thermocouples can be measured.

2 bedeutet einen durch einen Pfeil angedeuteten Strom der die zu untersuchenden Wassertropfen in feiner Verteilung enthaltenden Dampf-oder Gasmenge. Das Diagramm der Fig. 2 veranschaulicht nun die Arbeitsweise der Meßeinrichtung. In diesem Diagramm sind in Abhängigkeit von der in der Zeiteinheit zugefAhrten Wärmemenge in kW bzw. WE die Temperaturkurven eingetragen, die sich fUr den Heizdraht der Meßsonde ergeben, je nachdem ob der Heizdraht von trockenem Gas oder trockenem bzw. erhitztem Wasserdampf angeströmt wird oder von Gas bzw. Dampf, dem Wassertropfen beigemischt sind. Kurve a gibt den Temperaturverlauf bei Anströmung mit trokkenem Gas s bzw. Dampf wieder. Sind das Gas bzw. der Dampf feucht, d. h. mit Wassertropfen vermischt, so ergibt sich bei völliger Verdampfung der Wassermenge an dem Heizdraht die verschobene Tempera, turkurve c des Heizdrahtes. Die Verschiebung entspricht der für die Verdampfung erforderlichen Verdampfungswärmer und ist gleichzeitig ein Ma. fAr die an dem Heizdraht verdampfte Wassermenge. Kurve b gibt noch den Temperaturverlauf des in dem Gas-bzw.2 denotes a current indicated by an arrow of those to be examined Fine droplets of water containing steam or gas. The diagram Fig. 2 now illustrates the operation of the measuring device. In this diagram are depending on the amount of heat supplied in the time unit in kW or WE entered the temperature curves that result for the heating wire of the measuring probe, depending on whether the heating wire is made of dry gas or dry or heated water vapor is flowed against or by gas or steam mixed with water droplets. Curve a shows the temperature curve when the flow is dry gas s or steam. Are the gas or steam moist, i. H. mixed with drops of water, so results When the amount of water on the heating wire is completely evaporated, the shifted tempera, curve c of the heating wire. The shift corresponds to that for evaporation required evaporation heater and is at the same time a measure. for those on the heating wire amount of water evaporated. Curve b gives the temperature profile in the gas or.

Dampfgemisches in Tropfform enthaltenen Wasseranteiles vor der vollständigen Verdampfung wieder.Steam mixture in drop form contained water content before the complete Evaporation again.

Die Messung erfolgt nun in der Weise, daB dem in dem strömenden Gas-bzw. Dampfwassergemisch angeordneten Heizdraht der MeBsonde eine zunehmende Heizleistung bzw. Wärmemenge zugefUhrt wird. Die Temperatur des Heizdrahtes verläuft hierbei zunächst nach der Kurve b, die durch die Temperatur des Wassers des Gemisches bestimmt ist.The measurement is now carried out in such a way that the gas or water in the flowing gas. Steam-water mixture arranged heating wire of the measuring probe an increasing heating power or amount of heat is supplied. The temperature of the heating wire runs here first according to curve b, which is determined by the temperature of the water of the mixture is.

Sobald das auftreffende Wasser völlig verdampft, tritt ein Knick in der Temperaturkurve ein. Die MeBtemperautr steigt nach der erweiterten Kurve steil an. Der Verlauf der Kurve c kann durch mehrere MeBpunkte bestimmt werden. Durch Verlängerung der Kurve c unterhalb des Schnittpunktes bis zum Schnittpunkt mit der Abszisse erhält man praktisch durch den Abstand zum Null-Punkt die Verdampfungsw Grme, welche erforderlich ist, die Wasserbestandteile des Gemisches zu verdampfen.As soon as the water that hits it has completely evaporated, there is a kink in the temperature curve. The measuring temperature rises steeply after the extended curve at. The course of curve c can be determined by several measuring points. By Extension of curve c below the point of intersection to the point of intersection with the The abscissa is practically obtained from the distance to the zero point, the evaporation value Grme, which is required to evaporate the water components of the mixture.

Um nun das mit der MeBsonde ermittelte MeBergebnis auswerten zu können, sind ausgehend von bekannten Gaswassergemischen bzw.In order to be able to evaluate the measurement result determined with the measuring probe, are based on known gas-water mixtures or

Dampfwassergemischen Eichkurven für den Heizdraht aufgenommen, in denen der Wassergehalt in g für eine gesec. cm gebene Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der ein Ma. Bfir die Verdampfungswärme darstellenden Heizleistung in kW aufgetragen ist. Eine entsprechende Eichkurve gibt Fig. 3 der Zeichnung wieder. Aus der Eichkurve kann nach Messung der Verdampfungswärme an der Meßsonde der Wassergehalt ermittelt werden.Steam water mixtures calibration curves for the heating wire recorded in where the water content in g for a sec. cm given speed as a function of the one ma. B is plotted for the heat output representing the heat of vaporization in kW is. A corresponding calibration curve is shown in FIG. 3 of the drawing. From the calibration curve the water content can be determined after measuring the heat of evaporation at the measuring probe will.

Erwähnt sei, daß bei der Ermittlung der Eichkurve-wie sie Fig. 3 zeigt-der Proportionalitätsfaktor berücksichtigt ist, der sich dadurch ergibt, daß ein Teil der auf die MeBsonde auffallenden Wassertropfen durch die Gasströmung von der Meßsonde herunter getragen wird. Die beschriebene Messung unterliegt zwar in gewissem Maße etwas dem Einfluß der Gasst mung. Dieser Einfluß ist jedoch unbedeutend, wenn berücksichtigt wird, da. die Verdampfungswärme sehr viel großer als die Wärmeabfuhr durch die Gasstromung ist und daß das vorgeschlagene Verfähren bzw. die vorgeschlagene Einrichtung nicht fUr Präzisionsmessung sondern fUr praktische Betriebsmessungen vorgesehen ist, bei denen kleine Ungenauigkeiten von wenigen Prozenten keine Rolle spielen. In der schematischen Zeichnung der Fig. 4 ist mit 10 das umlaufende System, mit 11 das feststehende System der Turbine mit den Leitschaufeln 11a bezeichnet. In den Lücken zwischen den Leitschaufeln sind nun Meßsonden 12 in der in der Zeichnung angedeuteten Weise angeordnet. Die Meßsonden bestehen im wesentlichen aus dem Heizdraht 13 und den als Träger dienenden Leitungen 14, die in einem Einsa. tzkorper 15 befestigt sind. Die Meßsonde ist vorteilhafterweise-wie näher Fig. 5a zeigt-im Bereiche der Durchführungsstelle des Gehäuses mit einem Zylinderkörper 22 versehen, in dem durch eingegoaaene Wandteile 23 die erwdhnten Leitungen 14 abgedichtet sind. Der die MeBsonde teilweise einschließende Zylinderkörper 22 bietet die Möglichkeit, durch eine Stopfbüchsendichtung 24 bzw. andere Dichtungen 25 einen dichten Abschluß gegenUber dem am Gehäuse 11 angeflanschten Einsatzkörper 15 zu erzielen. Diese Anordnung bietet die Möglichkeit, ggf. die Meßsonde bequem auszuwechseln oder radial zu veretellen, wobei der Zylinderkörper 22 in den Einsatzkörper 15 gleiten kann.It should be mentioned that when determining the calibration curve - as shown in FIG. 3 - the Proportionality factor is taken into account, which results from the fact that a part the water droplets falling on the measuring probe due to the gas flow from the measuring probe is carried down. The measurement described is subject to a certain extent somewhat to the influence of the gas. However, this influence is insignificant when taken into account will, there. the heat of evaporation is much greater than the heat dissipation through the gas flow and that the proposed method or device is not for precision measurement but for practical operational measurements where small inaccuracies of a few percent play no role. In the schematic Drawing of Fig. 4 is 10 with the revolving system, with 11 the fixed system of the turbine with the guide vanes 11a. In the gaps between the guide vanes measuring probes 12 are now arranged in the manner indicated in the drawing. the Measuring probes essentially consist of the heating wire 13 and the one used as a carrier Lines 14, which in a Einsa. tzkorper 15 are attached. The measuring probe is advantageously-like 5a shows in more detail in the area of the implementation point of the housing provided with a cylinder body 22, in which by einegoaaene wall parts 23 the mentioned lines 14 are sealed. The one partially enclosing the measuring probe Cylinder body 22 offers the possibility of using a stuffing box seal 24 resp. other seals 25 provide a tight seal with respect to the one flanged to the housing 11 To achieve insert body 15. This arrangement offers the possibility, if necessary, of the measuring probe easy to replace or to adjust radially, the cylinder body 22 in the Insert body 15 can slide.

Die Verstellbarkeit der Meßsonde gestattet, die Nässeverteilung über die ganze Länge der Schaufel zu bestimmen.The adjustability of the measuring probe allows the moisture distribution over determine the full length of the shovel.

Die Zuleitungen zu den Meßsosnden können - wie dies näher in Fig. 5a, 5b und 6 dargestellt ist-im wesentlichen durch Kupferrohre 20 größeren Querschnittes gebildet werden, zwischen denen an den abgeschlossenen Enden der als Röhrchen ausgebildete Heizdraht 21 angeordnet ist. Diese Anordnung gewährleistet, daß im wesentlichen nur der Heizdraht durch den zugefhhrten Strom beheizt wird, da die Stromdichte in den Stromleitungsrohren sehr gering ist. Ordnet man innerhalb des Heizdrahtes Thermoelemente an, so kUnnen die Meßleitungen durch die hohlen Zuleitungen aus Kupferrohr bequem aus dem Innern der Machine herausgeführt werden.The supply lines to the measuring sensors can - as shown in more detail in Fig. 5a, 5b and 6 is shown-essentially by copper pipes 20 of larger cross-section are formed, between those at the closed ends of the tube formed as a tube Heating wire 21 is arranged. This arrangement ensures that essentially only the heating wire is heated by the supplied current, since the current density in the power line pipes is very small. Arranges thermocouples within the heating wire on, the measuring lines can comfortably pass through the hollow feed lines made of copper tubing can be brought out from inside the machine.

Um die Verteilung der Feuchtigkeit an verschiedenen Stellen zu bestimmen, kann es zweckmäßig sein, eine Mehrzahl von Meßsonden über den Umfang verteilt oder in radialer Richtung der Turbine hintereinanderliegend vorzusehen.To determine the distribution of moisture in different places, it may be useful to have a plurality of measuring probes distributed over the circumference or to be provided one behind the other in the radial direction of the turbine.

Bei der Ausbildung der Widerstandskörper selbst müssen SUr den Heizdraht Formen gewthlt werden, an denen die auftretenden Wassertropfen stets zu gleichen Anteilen haften bleiben. Diese Forderung kann bei dünnen Drdhten mit einem Durohmesser unter 0, 5 mm erfüllt werden. Um bei stdrkeren Drähten Störungen durch Tropfenbildung an der Rückseite der angeströmten Heizdrähte auszuschließen, kann vorteilhafterweise die Heizdrahtanordnung so getroffen werden, daß die Heizdrähte eines mittleren Druchmessers z. B. von etwa 2 mm in der Nähe eines Tropfenableitkörpers großen Durchmessers angeordnet sind. Die Fig. 7 zeigt eine enteprechende Anordnung. Darin ist wieder 1 der Heizdraht, 30 ein Tropfenableitkörper. Bei der durch den Pfeil angedeuteten Anströmrichtung ergibt sich, daß sich etwa bildende Tropfen auf der Rückseite des Heizdrahtes nach Bildung einer Brücke liber den Ableitkörper 30 abgefAhrt werden.When forming the resistance body itself, SUr must use the heating wire Shapes are chosen in which the water droplets are always the same Shares stick. In the case of thin wires, this requirement can be met with a durometer below 0.5 mm are met. In order to avoid disturbances due to the formation of drops in the case of thicker wires at to exclude the back of the heating wires flowing against, can advantageously the heating wire arrangement can be made so that the heating wires of a medium diameter z. B. of about 2 mm in the vicinity of a large diameter droplet deflector are. 7 shows a corresponding arrangement. In it again 1 is the heating wire, 30 a drop deflector. With the direction of flow indicated by the arrow the result is that about forming drops on the back of the heating wire after Formation of a bridge over the discharge body 30 can be removed.

Fig. 8 zeigt eine andere vorteilhaftere Ausbildung der Heizdrähte, bei der ebenfalls eine Tropfenbildung auf der Rückseite der Heizdrähte verhindert werden kann. Die in dieser Fig. wiedergegebene Heizdrahtausbildung bietet die Möglichkeit, auch die Angströmrichtung, aus der Wassertropfen kommen, zu bestimmen, wenn in den Schenkeln 31a, 31b des Heizdrahtes gesonderte Thermoelemente zur Temperaturmessung vorhanden sind. Bei dieser Anordnung ergibt sich, daß die beiden Schenkendes Holzdrahtes nur dann eine gleiche Temperatur aufweisen, wenn die Auftreffrichtung des Wassers bezuglich beider Schenkeln des Heizdrahtes gleich ist. Aus der Verschiedenheit der Temperatur können Abweichungen des Anströmwinkels des wasserhaltigen Gas-bzw. Dampfgemisches ermittelt oder gemessen werden.Fig. 8 shows another more advantageous design of the heating wires, which also prevents the formation of drops on the back of the heating wires can be. The heating wire training shown in this figure offers the possibility of also determine the angstrom direction from which the water droplets come, when in the Legs 31a, 31b of the heating wire separate thermocouples for temperature measurement available. With this arrangement it results that the two legs of the wooden wire only have the same temperature if the direction of impact of the water is the same with respect to both legs of the heating wire. From the diversity of the Temperature deviations in the angle of attack of the water-containing gas or. Steam mixture determined or measured.

In Einzelheiten kann die beschriebene Neßeinrichtung abgeändert werden. So ist es möglich, durch ein selbsttätiges Schreibwerk die Kurven b und c (Fig. 2) abhängig von der Heizleistung aufzuzeichnen. Eine andere Möglichkeit zur Abwandlung der beschriebenen Anordnung besteht darin, eine selbsttätige Stromregelung vorzueehen, um einen bestimmten Temperaturpunkt der Kurve a einzuregeln, Es wird dann jeweila bei der Messung der Mittelwert bzw. Quadratmittelwert der Heizleistung fUr diesen Meßpunkt bestimmt.The measuring device described can be modified in detail. It is thus possible to use an automatic writing mechanism to trace curves b and c (Fig. 2) to be recorded depending on the heating output. Another possibility for modification the described arrangement consists in providing an automatic current control, in order to regulate a certain temperature point of the curve a, it is then respa when measuring the mean value or square mean value of the heating power for this Measuring point determined.

Claims

P a t e n t a n 8 p r U c h e 1. Procedure for determining the in a gas or. Vaccination mixture locally contained amount of water, especially for determination the water distribution (steam moisture measurement) in the case of turbine parts working in the wet steam area, characterized in that a measuring probe (12) exposed to the wet steam is electrical heated and at the same time their temperature is measured and there. the measuring probe such Heating power, or amount of heat per unit of time, is supplied so that it is located Tasser evaporates, whereby the temperature rise and the heating power as a measure of the required heat of evaporation and thus the water content of the wet steam can be used.

2. The method according to claim 1, characterized in that the heating current or the heating power for the measuring probe (12) in terms of compliance with a certain Temperature value can be set automatically.

3. Device for performing the method according to claim 1, characterized characterized in that the measuring probe (12) exposed to the wet steam has an electrical heated wire (13) and an electrical temperature sensor and that in the electrical supply lines (14) means for adjusting the heating power and a Temperature display device are switched.

4. Device according to claim 3, characterized in that several Measuring probes (12) within the blades of a steam turbine between the guide vanes (11a) are arranged distributed over the circumference.

5. Device according to claim 3 and 4, characterized in that one or more radially displaceable measuring probes (12) are provided.

6. Device according to claim 3, characterized in that @@@ heating wire (13) of each measuring probe (12) in an insert @ (15) of the turbine housing (11) attached leads (14) good electrical conductivity as well as sufficient mechanical strength is supported (Fig. 4).

7. Device according to claim 3 and 6, characterized in that Both the heating wire (21) and its supply lines (20) are designed as hollow bodies and thermocouples are arranged within the heating wire, their electrical Connection lines passed through the hollow supply lines (20) and the heating wire (21) are (Fig. 5a, 5b).

8. Device according to claim 3, characterized by a writing device for automatic recording of the heating wire temperature depending on the supplied Heating capacity.

9. Device according to claim 3 with one of the water in the form of drops containing gas or. Vapor mixture flowing against the heating wire, characterized in that that in the direction of flow behind the heating wire (1) a droplet discharge (30) in the form of a body having a larger diameter than the heating wire of cylindrical shape o. The like. Is present, due to the disturbing accumulation of droplets the side lying in the flow shadow of the measuring wire can be removed (Fig. 7).

10. Device according to claim 3, characterized in that the heating wire the measuring probe is bent at an angle (Fig. 8).

11. Device according to claim 10, characterized in that in each Leg (31a, 31b) of the angularly bent heating wire is a separate temperature sensor is arranged, the difference in temperatures as a measure of deviations the angle of attack of the wet steam is used (Fig. 8).

12. Device according to claim 3, characterized in that the measuring probe (12) in the area of the bushing through the housing the turbine is enclosed in a cylinder body (22) which is opposite the housing insert body (15) is sealed by at least one seal (gland seal 25) (Fig. 4).