DE3536561C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Sicherstellen einer Flüssigkeitsentnahme bei der Probeentnahme aus ei­ ner in einer Leitung strömenden Zweiphasen-Flüssigkeits- Gas-Strömung mit einer Meß- und Probenahmeleitung.

Derartige Meßeinrichtungen werden beispielsweise in Dampfkraftwerken dort angewendet, wo mittels Tracer-Tech­ nik Flüssigkeitsströme, insbesondere Wasserströme zu bestimmen sind. Mit den solchermaßen ermittelten Wasser­ massenströmen und den über Massenstrombilanzen oder Energiebilanzen ermittelten Dampfmassenströmen können die entsprechenden Dampfnässen festgelegt werden, welche nebst Temperaturen und Drücken die jeweiligen Zustände im Naßdampfgebiet bestimmen.

In Dampfturbinenanlagen können mit der Tracer-Technik u.a. Frischdampfnässen, Hochdruck-, Niederdruck- und Stufenentwässerungsströme, Nässen am Hochdruckaustritt, Anzapfmassenströme bzw. deren Nässen, Restnässen hinter Wasserabscheidern bzw. Wasserabscheiderabscheidegrade, Wasserbelastung zweiphasig durchströmter Leitungen sowie Leckagemassenströme genau ermittelt werden. Mit all diesen Informationen ist der Expansionsverlauf von Satt­ dampfturbinen, wie sie beispielsweise bei nuklearbefeu­ erten Kraftwerken zur Anwendung gelangen, viel sicherer zu bestimmen als mit konventionellen Methoden.

Die Anwendung von Tracer-Verfahren zur Messung von reinen Wassermassenströmen wie auch zur Enthalpiebestimmung im Naßdampfgebiet ist hinlänglich bekannt, beispielsweise aus dem Artikel von Demig und Feldmann "Nonradioactive tracer for performance tests of steam turbines in PWR Systems" publiziert im Journal of Engineering for Power, Transaction ASME, April 1972.

Eine Voraussetzung für das Gelingen von Tracer-Messungen ist die Wahl einer geeigneten Probeentnahmegeschwindig­ keit. Aus Gründen der Meßgenauigkeit sollte die Entnahme­ geschwindigkeit möglichst groß sein. Das bedeutet bei vorgegebenen Entnahmeleitungen einen möglichst großen Entnahmemassenstrom. Dagegen steht die Forderung, daß die Probe nur aus der Flüssigkeit entnommen werden darf d.h. bei Zweiphasenströmungen kein Dampf mitenthalten sein darf. Diese Forderung beschränkt die Probeentnahme­ geschwindigkeit nach oben. Die geeignete Entnahmegeschwin­ digkeit muß also je nach Meßstelle auf den höchsten noch zulässigen Wert eingestellt werden können. Da diese Werte nicht vorausberechnet werden können, sind pro Meßpunkt und Anschluß Überprüfungsmessungen erforder­ lich.

An der Probeentnahmestelle selbst merkt man nicht, ob Dampfanteile mitentnommen werden oder nicht, da in der Probenleitung ein Kühler angeordnet ist, in dem der Dampf kondensiert. Folglich muß man bei Zweiphasen- Strömungen auf andere Art kontrollieren, ob nur Flüssig­ keit entnommen wird. Gesucht ist der Knickpunktmassenstrom oder "Knickpunkt". Solange nur Wasser entnommen wird, ist die Tracer-Konzentration der Probe konstant. Wird dagegen auch Dampf entnommen, so sinkt die Probenkonzen­ tration, die Kurve knickt ab.

Aus dem obengenannten Stand der Technik ist es bekannt, den Knickpunkt durch eine Folge von Tracer-Messungen mit jeweils veränderlichem Entnahmestrom zu bestimmen. Das ist allerdings für einen Paralleleinsatz im Kraftwerk an einer größeren Anzahl von Leitungen viel zu zeit­ raubend. Da die eigentliche Meßzeit mit dem Tracer auch aus Kostengründen möglichst kurz zu halten ist, ist dieses bekannte Verfahren zum Bestimmen von reinen Flüssigkeitsentnahmen aus Zweiphasenströmungen ungeeignet.

Weiteren Stand der Technik bilden die DE-GM 17 28 234, die DE-OS 21 53 471 und die EP 01 14 039 A2.

Aus der DE-GM 17 28 234 ist eine Einrichtung bekannt, welche geeignet ist, den Wechsel der Dichte einer durch einen Behälter strömenden Flüssigkeit mit Hilfe von Schwimmkörpern anzuzeigen. Dabei ist sowohl ein Wechsel von einer Flüssigkeit mit einer geringen Dichte zu einer Flüssigkeit einer höheren Dichte, verbunden mit einem Heben der Schwimmkörper, und von einer Flüssigkeit mit einer hohen Dichte zu einer solchen geringeren Dichte, verbunden mit einem Absenken der Schwimmkörper, und eine Anzeige des jeweiligen Wechsels möglich.

Aus der DE-OS 21 53 471 ist eine nach einem vergleichba­ ren Prinzip arbeitende Vorrichtung bekannt, welche den Auftrieb eines Flüssigkeits-Dampf-Gemisches als Meß­ größe ermittelt, und dabei Körper verwendet, die nur bis zu einem bestimmten Dampfgehalt des Gemisches schwimmfä­ hig sind, bei höherem Dampfgehalt dagegen in dem Gemisch absinken.

Aus der EP 01 14 039 A2 ist es bekannt, einen Schwimmer nicht nur zur Anzeige einer Dichteänderung eines Fluids zu verwenden, sondern mit diesem auch einen Sensor zur Auslösung eines Alarm zu betätigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung der eingangs genannten Art umzugeben, mit der der Knickpunkt auch während der eigentlichen Tracer-Mes­ sungen ohne großen Vorlauf bestimmt und mit welcher eine Flüssigkeitsentnahmem ohne eine Entnahme von Dampfanteilen sicher­ gestellt werden kann.

Die Vorrichtung, welche die unterschiedlichen Dichten von Dampf und Wasser berücksichtigt, reagiert auf Dampf­ massenanteile von 0,1% und zeichnet sich u.a. durch besonders einfache Montage und Handhabung aus.

Von besonderem Vorteil ist die Möglichkeit, nunmehr Tracer-Messungen in großem Umfang begleitend zu Wärme­ verbrauchsmessungen durchzuführen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel und eine Anwendung der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine vereinfachte Tracer-Meßanordnung in einer Kraftwerksleitung, in der eine Zweiphasenströmung vorherrscht,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Meßeinrichtung als Teil der Vorrichtung zur Flüssigkeitsentnahme, nachfolgend Knickpunkt-Anzeige­ gerät genannt, und

Fig. 3 ein Schaubild über den Zusammenhang zwischen Probeentnahmestrom und Probekonzentration.

Es sind nur die für das Verständnis der Flüssigkeitsentnahmevorrichtung wesent­ lichen Elemente dargestellt. Die Strömungsrichtung der diversen Medien ist mit Pfeilen bezeichnet.

Die zu messende Kraftwerksleitung sei Teil einer Satt­ dampfturbinenanlage, von der lediglich die doppelflutige Hochdruck-Teilturbine 1 mit Frischdampfleitung 15 und Abdampfleitungen 16 dargestellt ist. Zur Speisewasservor­ wärmung wird dieser Teilturbine Dampf entnommen und über die Anzapfleitung 2 zu einem Hochdruck-Vorwärmer 3 geführt. Der Heizdampf kondensiert in diesem Vorwärmer und gibt dabei Wärme an das in einem Rohrbündel strömende Speisewasser 4 ab. An der Entnahmestelle der Teilturbine 1 hat die Expansion des Arbeitsmittels bereits ins Naß­ dampfgebiet geführt, so daß in der Leitung 2 ein Wasser- Dampf-Gemisch in Form einer Zweiphasenströmung vorherrscht. Ist die Nässe genügend groß, so ist mit der gezeigten Ringströmung zu rechnen, bei der das Wasser 5 an der Rohrwand strömt und der Dampf 6 die Kernströmung bildet.

Da nun die Entwässerungsmenge dieser Anzapfung einen großen Einfluß auf den isentropen Wirkungsgrad der Hochdruck-Teilturbine 1 hat, ist sie mittels Tracer-Tech­ nik möglichst akkurat zu bestimmen.

Hierzu wird aus einem Tracer-Behälter 7, in dem ein Tracer in bestimmter Konzentration in Wasser gelöst ist, über eine Pumpe 8 in die Anzapfleitung 2 einge­ spritzt. Die Einspritzung erfolgt mit konstantem Massen­ strom. In der Leitung 2 wird die Tracer-Konzentration durch den dazu kommenden Wassermassenstrom verdünnt. An einem Entnahmestutzen an der Leitung 2 wird die zu messende Probe abgeführt und über eine Meßleitung 9 zum Probebehälter 10 geleitet. Die Tracer-Konzentration dieser Probemenge wird gemessen. Der zu ermittelnde Wassermassenstrom ergibt sich im einfachsten Falle über eine Tracer-Bilanz, zu deren Bildung die Konzentration der Einspritzlösung, die Konzentration der Probeentnahme und der Einspritzmassenstrom herangezogen werden. Es versteht sich, daß dies für den Fall gilt, daß der Tracer nur im Wasser, nicht jedoch im Dampf enthalten ist.

Nun wurde eingangs erwähnt, daß aus Gründen der Meß­ genauigkeit die Entnahmegeschwindigkeit möglichst groß sein soll. Bei der dargestellten Konfiguration kann damit der Fall auftreten, daß in die entsprechend groß dimensionierte Meßleitung 9 bei voll geöffneten Absperr­ organ 11 und Regelorgan 12 Dampf einströmt. Im Kühler 13 kondensiert dieser Dampf, der ja keinen Tracer enthält. Dadurch wird die gewünschte Messung verfälscht, da die Tracer-Konzentration der Probe durch die zusätzliche Verdünnung mittels kondensiertem Dampf sinkt.

Dieser Zusammenhang sei kurz anhand des an sich bekannten Schaubildes in Fig. 3 erläutert. Darin ist auf der Ab­ szisse der Probeentnahmemassenstrom M und auf der Ordinate die Tracer-Konzentration T der Probe aufgetragen. Der Punkt K bezeichnet den sogenannten Knickpunkt. Enthält die Probe nur Wasser, wie das im Bereich a der Fall ist, so bleibt die Tracer-Konzentration T konstant. Enthält die Probe nebst Wasser auch Dampf, wie dies im Bereich b der Fall ist, so verringert sich die Konzen­ tration der Probe und der Kurvenverlauf knickt im Punkt K ab.

Es gilt also, die Probegeschwindigkeit so zu wählen, daß am Entnahmestutzen nur Wasser in die Meßleitung 9 einströmt. Hierzu dient die als Knickpunkt-Anzeigegerät bezeichnete Meßeinrichtung 14, welche zwischen Absperr­ organ 11 und Kühler 13 angeordnet ist.

Gemäß Fig. 2 handelt es sich dabei um ein längliches, zylindrisches Gefäß 17, nachstehend mit Schwimmergehäuse bezeichnet mit einem darin einliegenden Schwimmer 18. Die Wandfläche des Gehäuses ist für Innendrücke bis zu 40 bar ausgelegt.

Entsprechend diesen hohen Drücken ist die obere Abschluß­ platte 19 nach Einlegen des Schwimmers 18 auf das Gehäuse aufgeschweißt. Die Platte 19 ist nach außen mit einem Eintrittsstutzen 20 versehen, auf den die Meßleitung 9 aufschraubbar ist. Um für den Fall, daß der Schwimmer 19 infolge Auftrieb an die obere Abschlußplatte 19 an­ stößt, das ungehinderte Einströmen des zu messenden Mediums zu gewährleisten, ist in die dem Gehäuseinneren zugekehrte Fläche der Platte 19 ein Kreuzschlitz 21 eingearbeitet, der sich über den ganzen Plattendurch­ messer erstreckt.

Am anderen Gefäßende ist die mit einem Austrittsstutzen 22 ausgerüstete untere Abschlußplatte 23 ebenfalls in resp. auf das Gehäuse aufgeschweißt. Sie ist an ihrer dem Gehäuseinnern zugewandten Seite mit einer speziell konfigurierten, zentral angeordneten Ausnehmung 24 für das abfließende Medium versehen.

Der Schwimmer 18 ist als zylindrischer Hohlkörper ausge­ bildet. Er besteht aus einem rostfreien 18/8 Material.

Um genügend Auftrieb zu haben, ist er extrem dünnwandig, hier mit 0,3 mm Wandstärke ausgeführt. Damit er von den im Gehäuseinnern herrschenden Drücken nicht eingebeult wird, enthält er eine Druckgasfüllung. Im vorliegenden Fall ist dies Stickstoff bei ca. 15 bar. Am Schwimmerbo­ den ist ein zentraler Materialansatz 25 vorgesehen, mit dem der Abfluß der unteren Abschlußplatte 23 selbst­ tätig verschließbar ist.

Als geeignete Lösung hat sich hierzu eine Kugelform für den Ansatz 25 und eine Kegelstumpfform für die Ausneh­ mung 24 ergeben. Ein besonders sicherer Verschluß ergibt sich dann, wenn der Gesamtkegelwinkel ca. 60° beträgt.

Der Durchmesser des Schwimmers 18 ist so bemessen, daß das Spiel zwischen dessen Außenwand und der Innenwand des Gehäuses 17 ca. 0,8 mm beträgt, wobei selbstverständ­ lich auch andere Werte denkbar sind. Somit wird ein möglichst kleines Spiel gewählt, um das in der Meßleitung vorhandene Druckvolumen auf ein Mini­ mum zu beschränken. Dieses geringe seitliche Spiel hat zur Folge, daß der Schwimmer bei der kleinsten Schief­ stellung am Gehäuse reiben würde und dadurch einerseits die Schwimmfähigkeit und andererseits die Funktions­ fähigkeit des selbsttätigen Abschlusses beeinträchtigen könnte. Der Schwimmer wird deshalb seitlich geführt. Hierzu sind in zwei Ebenen an der Gehäuseinnenseite Zentriernocken 26 angeordnet. Es handelt sich dabei um punktförmige Auftragsschweißungen, die über den Umfang gleichmäßig verteilt sind und auf den erforderli­ chen Durchmesser nachbearbeitet werden.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung zur Flüssigkeitsentnahme in der in Fig. 1 darge­ stellten Anwendung ist folgende: Zur Probeentnahme werden das Absperrorgan 11 und das Regelorgan 12 nur wenig geöffnet, um die Meßleitung 9 vollständig zu spülen und mit Wasser zu füllen. Das Absperrorgan 11 kann danach ganz geöffnet werden. Der Schwimmer 18 liegt mit seinem Kopfende an der oberen Abschlußplatte 19 an. Sukzessiv wird nun das Regelorgan 12 weitergeöffnet, wodurch der Entnahmestrom gesteigert wird. Der Volumenstrom wird in einem stromaufwärts des Regelorgans angeordneten Durchflußmesser 27 festgehalten. Das am Austritt der Meßleitung 9 anfallende Entnahmemedium kann zunächst verworfen werden. Irgendwann wird der Durchfluß so groß sein, daß Dampf aus der Anzapfleitung 2 mit in die Meßleitung 9 eingeführt wird. Gelangt dieser Dampfan­ teil zusammen mit dem Wasser in das Gehäuseinnere des Anzeigegerätes um den Schwimmer 18 herum, so wird sich infolge des Dichteunterschiedes der Schwimmer senken.

Die Empfindlichkeit des Gerätes ist außerordentlich groß. Bereits bei ca. 0,1% Dampfmassenanteil reagiert der Schwimmer. Einleuchtender wird diese Tatsache, wenn man statt des Dampfmassenanteils den Dampfvolumenanteil zur Betrachtung heranzieht. In der lediglich beispiels­ weise gewählten Anwendung im Bereich des Hochdruckabdampfes beträgt der Druck ca. 10 bar. Bei diesem Druckwert ent­ spricht einem 0,1%-igem Dampfmassenanteil ein 15%-iger Dampfvolumenanteil.

Der kugelförmige Materialansatz 25 greift in die kegel­ stumpfförmige Ausnehmung 24 ein und versperrt den Abfluß. Damit ist der sogenannte Knickpunkt festgelegt. Die entsprechende Probeentnahmegeschwindigkeit kann dabei über die Stellung des Regelorgans 12 oder den Durchfluß­ messer 27 festgehalten werden. Damit ist jener Bereich a nach Fig. 2 bekannt, indem eine reine Wasserentnahme vonstatten geht.

Um den Schwimmer 18 wieder von seinem Sitz abzuheben, wird bei vorzugsweise geschlossenem Regelorgan 12 über eine schematisch angedeutete Rückspülleitung 28 Flüssig­ keit in die Meßleitung gedrückt. Damit können die Dampf­ anteile im Schwimmergehäuse über den Kreuzschlitz 21 zurück in die Anzapfleitung 2 gefördert werden.

Unmittelbar anschließend kann zur Tracer-Messung überge­ gangen werden, wozu in der Meßleitung lediglich der Probebehälter 10 anzubringen ist. Um die eigentliche Probeentnahme nicht zu beeinträchtigen, wird mittels Durchflußmesser 27 und Regelorgan 12 die Entnahmemenge so eingestellt, daß man sich gemäß Fig. 3 im Bereich a und in sicherem Abstand zum Knickpunkt K bewegt.

Selbstverständlich sind bauliche Variationen des beschriebenen Aus­ führungsbeispiels möglich. In Abweichung von der dargestellten Kraft­ werksanwendung kann die Erfindung auch mit Vorteil in den Bereichen Chemie und Radiochemie Anwendung finden.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Sicherstellen einer Flüssigkeitsentnahme bei der Probeentnahme aus einer in einer Leitung (2) strömenden Zweiphasen-Flüssigkeits-Gas-Strömung (5, 6) mit einer Meß- und Probenahmeleitung (9), die mit der Leitung (2) verbunden ist und in der ein Regelorgan (12) zur Regelung der Entnahmemenge angeordnet ist, wobei zwischen der Leitung (2) und dem Regelorgan (12) eine Meßeinrichtung (14) angeordnet ist,

• - die ein senkrecht angeordnetes, längliches Gefäß (12) mit vorzugsweise zylindrischer Innenkontur und einer oberen und einer unteren Abschlußplatte (19, 23) aufweist, die mit einem Eintritts- resp. Austrittsstut­ zen (20, 22) für das zu entnehmende Medium ausgerüstet sind,
• - wobei die obere Abschlußplatte (19) mit einem Mittel (21) zum ungehinderten Einströmen des zu entneh­ menden Mediums versehen ist,
• - wobei die untere Abschlußplatte (23) an ihrer dem Gehäuseinnern zugekehrten Seite im Bereich des Abflusses eine Ausnehmung (24) trägt,
• - und wobei in dem Gefäß (17) mit geringem seitli­ chen Spiel ein mit Druckgas gefüllter Schwimmer (18) einliegt, dessen Boden mit einem dem Gehäuseabfluß zugekehrten Materialansatz (25) versehen ist, welcher in Wirkverbindung mit der Ausnehmung (24) der Abschluß­ platte (23) einen selbsttätig verschließbaren Abfluß bildet, so daß bei der Entnahme eines Flüssigkeits-Gas- Gemisches aus der Leitung (2) der Schwimmer (18) absinkt und durch seinen Materialansatz (25) den Austrittsstut­ zen (22) der Meßeinrichtung (14) und damit die Meß- und Probenahmeleitung (9) verschließt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (24) kegelstumpfförmig und der Materialansatz (25) kugelförmig ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kegelstumpfförmige Ausnehmung (24) eine Konizität von 1 : 2 aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (21) zum ungehinderten Einströmen ein Kreuzschlitz ist, welcher in die dem Gehäuseinnern zugekehrte Fläche der oberen Abschlußplatte (19) eingearbeitet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur seitlichen Führung des Schwimmers (18) mit geringem Spiel an der inneren Gehäusewand mehrere, in mindestens einer Ebene vorzugsweise gleichmäßig verteilte Nocken (26) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwimmer (18) aus einem rostfreien, dünnwandi­ gen Hohlkörper von vorzugsweise zylindrischer Form besteht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für einen Meßbereich von bis zu 40 bar Flüssig­ keitsdruck das Gas im Schwimmerhohlraum einen Druck von ca. 15 bar aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das geringe Spiel zwischen Gehäuseinnenwand und Schwimmeraußenwand ca. 0,8 mm beträgt.