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Anordnung zur Messung der Dampffeuchte, vorzugsweise von Wasserdampf
in Kernkraftwerken des Wasser-Wasser-Typs nach der Drosselmethode.
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der Dampffeuchte,
vorzugsweise von Wasserdampf in Kernkraftwerken des Wasser-Wasser-Typs, nach der
Drosselmethode.
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In den Kernkraftwerken des Wasser-Wasser-Typs wird Dampf geringer
Feuchte erzeugt. Dieser Naßdampf wird in speziellen NaBdampfturbinen entspannt.
Um diesen Prozeß wirtschaftlich zu betreiben, müssen die Eigenschaften und der Zustand
des Naßdampfes bekannt sein, d. h., es muß die Feuchte im Dampf gemessen werden.
Dabei müssen Feuchten zu 0,5 % meßbar sein.
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Von den bekannten Feuchtemeßverfahren zur Messung geringer Dampffeuchten
eignet sich im wesentlichen nur die Drosselmethode, bei der eine Naßdampfprobe aus
der dampfführenden Rohrleitung einem Drosselkalorimeter zugeführt und aus der Wärmebilanz
infolge der Druck- und Temperaturveränderung der Dampfprobe die Feuchte bestimmt
wird.
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Alle anderen Verfahren zur Feuchtemessung, wie Kondensations-, Uberhitzungs-
und psychrometrische Verfahren, auf Dichtemessung beruhende Verfahren, Mischungsverfahren
und mechanische Verfahren mit Umlenk-, Aufprall- und Zentrifugalabscheidern, weisen
zu große Meßfehler auf, die allein durch die Toleranz der Meßtechnik bedingt und
kaum veränderbar sind. Dies läßt sich analytisch genau nachweisen. Eine bekannte
Vorrichtung zur Bestimmung des Feuchtegehaltes von Wasserdampf durch Messung der
Wärme abnahme nach Überströmen in einem Raum von geringerem Druck weist ein Überströmgefäß
aus einer Anzahl konzentrisch angeordneter Behälter auf,
die nacheinander
in entgegengesetzten Richtungen von dem durch ein Drosselventil in den zentralen
Teil eintretenden Dampf vor dessen Austritt ins Freie durchstrichen werden. Das
Überströmgefäß ist von einem gegen Wärmeverluste schützenden Mantel umgeben. Innerhalb
des zentralen Teils ist ein Thermometer angeordnet, Nach Ablesen der Temperatur
kann mit Hilfe einer speziellen Tabelle der Feuchtigkeitsgehalt des Dampfes ermittelt
werden.
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Diese Vorrichtung sieht jedoch keine Mittel vor, die eine Aussage
über die Verteilung der Feuchte über den Rohrleitungsquerschni erlauben und eine
isokinetische Probenahme aus dem zu untersuchenden Dampf gewährleisten. Nachteilig
ist ferner, daß keine direkte und schreibende Anzeige der Dampffeuchte erfolgt,
sondern Tabellen herangezogen werden müssen. Dadurch ist die Messung bei geringen
Dampffeuchten noch zu ungenau.
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Bekannt ist ferner eine Vorrichtung zur Bestimmung der Feuchte von
Medien, insbesondere Wasserdampf, bei der der elektrische Ausgang einer Wärmeinhaltsmeßanordnung
dem elektrischen Ausgang einer Naßdampfzustandsmeßanordnung entgegengeschaltet ist,
derart, daß der fließende Strom proportional der Feuchte ist, wobei in den Stromkreis
schreibende Meßgeräte, Sicherheitseinrichtungen oder Datenverarbeitungsanlagen geschaltet
sind. Bei dieser Vorrichtung erfolgt zwar eine direkte und schreibende Anzeige der
Feuchte.
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Sie gestattet aber nicht eine Aussage über die Verteilung der Feuchte
innerhalb der dampfführenden Rohrleitung und gewährleistet nicht eine isokinetische
Probenahme, so daß diese Vorrichtung nicht als Betriebsfeuchtemeßgerät verwendbar
ist. Für den Betrieb von Kernkraftwerken sind Messungen über den gesamten Rohrleitungsdurchmesser
erforderlich.
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Zweck der Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen und ein
Betriebsfeuchtemeßgerät zu entwickeln, das nach der Drosselmethode arbeitet und
zur genauen Messung geringer Feuchten von Dämpfen geeignet ist und die Meßergebnisse
direkt und geschrieben liefert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung ZU1 Dampf
feuchtemessung mit Mitteln zu schaffen, die eine Probenahme an
verschiedenen
Stellen des Querschnitts der Rohrleitung und bei variablem Naßdampfdruck gewährleisten.
Dabei wird für die Anzeigeeinheit von der bekannten Vorrichtung mit direkt anzeigenden
und schreibenden Anzeigeinatrumenten Gebrauch gemacht.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß eine Probenahmeeinrichtung
mit einer während des Betriebes in der naßdampfführenden Rohrleitung verschiebbaren
Sonde vorgesehen ist, die über ein Drosselorgan mit dem Drosselkalorimeter verbunden
ist, wobei ein Regler, der durch einen Umformer mit einer Hochdruck-U-Säule zur
Erfassung der statischen Druckdifferenz am Sondenkopf beeinflußt wird, derart auf
das Drosselorgan einwirkt, daß eine isokinetiscbe Probenahme erfolgt, und daß an
ein vor der Sonde gespeistes Sammelrohr in der Probenahmeeinrichtung ein Umformer
zur Naßdampfdruckmessung und an das Drosselkalorimeter Je ein weiterer Umformer
zur Druck- und Temperaturmessung angeschlossen sind, deren Ausgänge zu der Einheit
für die direkte und schreibende Anzeige führen, Für die Genauigkeit der Messung
ist es vorteilhaft, wenn der Umformer für die Naßdampfmessung mit einem Kolbenmanometer,
der Umformer für die Kalorimeterdruckmessung mit einem Präzisions-Differentialmanometer
und der Umformer für die Kalorimetertemperaturmessung mit einer Präzisionsmeßeinrichtung
für Doppelmantelthermoelemente mit teilweiser Kompensation der Thermospannung versehen
sind.
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In der Einheit für die direkte und schreibende Anzeige ist der elektrische
Ausgang einer Wärmeinhaltsmeßanordnung, in der die Kalorimeterdruck- und Kalorimetertemperaturmessung
ausgewertet werden, dem elektrischen Ausgang einer Naßdampfzustandsmeßanordnung,
in der die Naßdampfdruckmessung ausgewertet wird, entgegengeschaltet, derart, daß
der fließende Strom proportional der Feuchte ist, wobei in dem Stromkreis ein schreibendes
Meßgerät liegt.
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Damit vor der Druck- und Temperaturmessung im Drosselkalorimeter durch
eine hohe Verwirbelung der Probe thermodynamisches Gleichgewicht herrscht, besteht
zweckmäßig das Drosselkalorimeter aus
einer Anzahl konzentrisch
angeordneter Rohrstücke, die abwechselnd an ihren Stirnseiten abgeschlossen sind,
derart, daß sie nacheinander von innen nach außen in entgegengesetztem Sinne von
dem durch ein Drosselventil eintretenden Dampf durchstrichen werden, wobei sich
der Meßort für Druck und Temperatur vor der letzten 1800-Umlenkung befindet. Die
Rohrstücke sind mit einem vor Wärmeverlust schützenden Mantel umgeben.
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Die Probenahmeeinrichtung mit der verschiebbaren Sonde besteht in
weiterer Ausgestaltung der Erfindung aus einem über einen Flansch mit der Robrleitung
verbundenen Behälter, in dessen Stirnwand eine Stopfbucbse angeordnet ist, die im
Bereich des Behälters eine Innenbohrung mit Gewinde aufweist und eine Gewindespindel
aufnimmt.
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An dem zur Rohrleitung zeigenden Ende trägt die Gewindespindel eine
Platte, in der ein die Sonde tragendes und die Probe ableitendes Rohr und die von
der Sonde kommenden Impulsleitungen gebaltert sind. Das Rohr und die Impulsleitungen
ragen Jeweils in durch die Stirnwand des Behälters geführte Sammelrohre und tragen
am Umfang Dichtungsringe, die die Sammelrohre gegenüber dem Behälter abdichten.
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In Weiterbildung der Erfindung läßt sich der apparative Aufwand der
Einheit für die direkte und schreibende Anzeige erheblich verringern, wenn die Feuchte
auf der Grundlage der Beziehung f = p . (t' = p t VB ermittelt wird, in der p als
Proportionalitätsfaktor bei Drosselung gegen Atmosphäre (pk = 1,05 kp/cm2) den Wert
p = 1 96 %~Feuchte annimmt, t8 die Temperatur darstellt, die bei Drossel grd des
trocken gesättigten Dampfes im Drosselkalorimeter gemessen werden wllrde, und tk
die Temperatur ist, die bei Drosselung des Naßdampfes im Drosselkalorimeter gemessen
wird.
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Hierzu ist in der Einheit für die direkte und schreibende Anzeige
der vom Umformer für die Temperaturmessung, z. B. einem Thermoelement, abgegebenen
Spannung über einen Widerstand eine Spannung entgegengeschaltet, die aus einer Konstantspannungsquelle
über einen
Spannungsteiler abgeleitet ist, dessen Abgriff von einer
Kurvenscheibe gesteuert wird, deren Drehwinkel vom Naßdampfdruck bestimmt und deren
Kontur so gestaltet ist, daß die entgegengeschaltete Spannung der Temperatur proportional
ist, die bei der Drosselung des trocken gesättigten Dampfes im Drosselkalorimeter
gemessen werden würde. Die Differenzspannung wird einem Anzeigegerät zugefübrt,
das die Feuchte direkt oder schreibend anzeigt.
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Die Anordnung nach der Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnungen
näher erläutert. Dabei wird gleichzeitig die Wirkungsweise angegeben Es zeigen:
Fig. 1: ein Blocksebema der Anordnung Fig. 2: den schematischen Aufbau des Drosselkalorimeters
Fig. 3: den konstruktiven Aufbau der Probenahmeeinrichtung Fig. 4: die vereinfachte
Einheit für die direkte und achreibende Anzeige Gleiche Teile sind in allen Fig.
mit gleichem Bezugszeichen versehen.
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Gemäß Fig. 1 ist die Probenahmeeinrichtung 1 über einen Rohrstutzen
mit der dampfführenden Rohrleitung oder dem dampfführenden Gefäß verbunden. Sie
besitzt eine während des Betriebes verschiebbare Nulldrucksonde zur Probenahme,
Durch den Sondenkopf gelangt die Naßdsmpfprobe mpr in ein Sammelrohr und von dort
über ein Drosselorgan 2 in das Drosselkalorimeter 3. An zwei Impulaleitungen 4;
5, die aus der Sonde kommen, ist ein Umformer 6 mit einer Hochdruck-U-Säule zur
Messung der statischen Druckdifferenz angeschlossen.
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Der Ausgang dieses Umformers 6 führt zu einem Regler 7, der die Aufgabe
bat, das Drosselorgan 2 so einzustellen, daß eine isokinetische Probenahme erfolgt.
Vom Drosselkalorimeter 3, das auf Grund seiner Konstruktion für eine hobe Verwirbelung
der Probe und schnelle Herstellung des theriodynamischen Gleichgewichts sorgt, werden
über Umformer 8; 9 Xalorimeterdruck Pk und Kalorimetertomperatur tk der Anzeigeeinheit
10 zugeleitet, der über einen weiteren Umformer 11 der Iaßdampfdruck PXD von der
Probenahmeeinrichtung 1 übermittelt wird. Die Anzeigeeinheit 10 für die direkte
und schreibende Anzeige
entspricht der im Wirtschaftspatent 70 188
beschriebenen Vorrichtung und wird hier nicht näher erläutert.
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Zur Erzielung genauer Meßwerte sind der Umformer 11 für die Naßdampfdruckmessung
mit einem Kolbenmanometer, der Umformer 8 für die Kalorimeterdruckmessung mit einem
Präzisions-Differentialmanometer und der Umformer 9 zur Kalorimetertemperaturmessung
mit einer Präzisionsmeßeinrichtung für Doppelmantelthermoelemente mit teilweiser
Kompensation der Thermospannung ausgerüstet. Diese Meßgeräte und -einrichtungen
sind im einzelnen nicht dargestellt.
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Die Erfindung ist nicht auf die Feuchtemessung von Wasserdampf in
Kernkraftwerken beschränkt, sondern für jede Dampffeuchtemessung geeignet.
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Nach Fig. 2 weist das Drosselkalorimeter 3 eine mit einer Drosselarmatur
2 versehene Eingangsleitung 12 auf, die in ein zentrales Rohrstück 13 mündet, das
an seiner eingangsseitigen Stirnseite an einer Verbundplatte 14 befestigt ist, in
der sich ein Durchbruch 15 für die Eingangsleitung 12 befindet. Koaxial zu dem zentralen
Rohrstück 13 sind weitere vier Rohrstücke 16; 17; 18; 19 in der Weise ineinandergeschachtelt,
daß sie an entgegengesetzten Stirnseiten an bzw, auf kreisring- bzw, ringförmigen
Platten 20; 21 befestigt sind und einen labyrinthartigen Weg für den Dampf bilden,
Aus dem Zwischenraum zwischen den beiden letzten Rohrstücken strömt der Dampf in
ein zweites zentrales Rohrstück 22, das koaxial zum ersten angeordnet ist. Innerbalb
dieses zweiten zentralen Robratcks 22 ist der Meßort 23 für den Druck und die Temperatur
vorgesehen.
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An dieser Stelle befindet sich der Dampf mit Sicherheit im thermodynamischen
Gleichgewicht.
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Beim Austritt des Dampfes aus dem zweiten Rohrstück 22 wird er nochmals
um 1800 umgelenkt und strömt dann innerhalb eines äußeren Rohretückes 26, du alle
anderen umgibt und im Mittelteil 27 zur Aufnahme der ineinnndergeschachtelten Rohrstücke
13; 16 bis 19 einen erweiterten Durchmesser aufweist, zu der am Eintrittsende
seitlich
angebrachten Auslaßöffnung 28.
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Durch die Art der Fortleitung treten am eigentlicben Meßort keine
Wärmeverluste auf. Das gesamte Gefäßsystem ist mit einem gegen Wärmeverluste schützenden
Mantel 29 umgeben.
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Fig, 3 zeigt den Aufbau der Probenahmeeinrichtung. An der Rohrleitung
31, in der der Naßdampf strömt, ist über einen Flansch 32 ein Behälter 33 angeschlossen.
Die Stirnwand 34 des Behälters 33 weist einen Durchbruch 35 auf, durch den eine
Stange 36 geführt ist, die im Bereich des Behälters eine Innenbohrung 37 und an
ihrem zur Rohrleitung 31 zeigenden Sonde einen Einsatz 38 mit Innengewinde hat und
eine Gewindespindel 39 aufnimmt, die durch Drehung der Stange 36 verstellt wird.
Die Gewindespindel 39 trägt an ihrem zur Rohrleitung 31 zeigenden Ende eine Platte
40. In dieser Platte 40 ist ein Rohr 41 eingeschweißt, das an seinem in die Rohrleitung
31 ragenden Ende die Sonde 42 trägt und mit dem anderen Ende in ein Sammelrohr 43
hineintaucht, das wiederum durch die Stirnwand 34 in den Behälter 33 geführt und
mit der Stirnwand 34 verschweißt ist. Die zu untersuchende Probe wird an dem aus
dem Bebälter ragenden Stutzen 44 des Sammelrobres 43 entnommen, In gleicber Weise
sind die von der Sonde 42 kommenden Impulsleitungen 45, von denen nur eine dargestellt
ist, in der Platte 40 gehaltert. Sie mUnden ebenfalls in Sammelrohre 46, die in
gleicber Weise wie das Sammelrobr 43 für die Probe angebracht sind. Das Rohr 41
und die Impulsleitungen 45 tragen an den in die Sammelrohre 43; 46 ragenden Enden
am Umfang Dichtungaringe 47 und dichten somit auch bei ihrer Bewegung nährend der
Verstellung der Sonde 42 die Sammelrohre 43; 46 gegen den Behälter ab. Der Durchbruch
35 für die Stange 36 ist mit einer Stopfbuebse 48 abgedichtet, Sie läßt sicb mit
Hilfe der Ubernurfmutter 49 verstellen. Die Stange 36 trägt an dem aus der Stopfbuchse
48 ragenden Ende ein Handrad 50, durch dessen Betätigung die Sonde 42 verstellbar
ist.
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An einer nicht dargestellten Skala kann ihre Stellung abgelesen werden.
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Gemäß Fig. 4 gelangt die von dem im Drosselkalorimeter 3 als Eemperaturmeßumformer
angeordneten Thermoelement 51 sbgegebene Spannung
zu einem Thermostaten
52 als Vergleichsspannungsquelle. Der aus dem Thermostaten 52 kommenden Thermospannung
wird über einen Widerstand 53 eine Spannung entgegengeschaltet, die aus einer Konstantspannungsquelle
54 über einen Spannungsteiler 55 abgeleitet ist. Der Spannungsteilerabgriff 56 wird
durch eine Kurvenscheibe 57 gesteuert.
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Ihr Drehwinkel wird vom Naßdampfdruck PND bestimmt und ihre Kontur
ist so gestaltet, daß die abgegriffene und entgegengeschaltete Spannung stets der
Temperatur proportional ist, die bei der Drosselung des trocken gesättigten Dampfes
im Drosselkalorimeter gemessen werden würde. Die verbleibende Spannung ist der gewünschten
Temperaturdifferenz At und diese wiederum der Feuchte proportional. Die direkte
und / oder schreibende Anzeige erfolgt im Anzeigegerät 58.