DE3536574C2 - Knickpunkt-Messgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen des Knickpunktes und des Dampfanteils in Zweiphasen-Strö­ mungen oder in Probeentnahmen von Zweiphasen-Strömungen.

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.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Messeinrich­ tung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der der Knickpunkt auch während der eigentlichen Tracer-Mes­ sungen ohne großen Vorlauf bestimmt werden kann. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Das Meßgerät, welches den Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur im Naßdampfgebiet berücksichtigt, reagiert auf Dampfmassenanteile von 0,5% 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 zeigen:

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

Fig. 2 das Prinzip der erfindungsgemäßen Messeinrich­ tung, nachfolgend Knickpunkt-Meßgerät genannt anhand eines teilweisen Längsschnittes,

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

Fig. 4 eine Erläuterung des Meßprinzips anhand eines Temperaturschaubildes.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung 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 Naßdampfgebiet 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 Meßgenauigkeit 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-Meßgerät bezeichnete Messeinrichtung 14, welche zwischen Absperr­ organ 11 und Kühler 13 angeordnet ist.

Gemäß Fig. 2 handelt es sich um eine vom zu messenden Medium durchströmte Rohrschleife 17, die an beiden Enden zwecks Verschraubung mit der Meßleitung 9 mit Gewinde­ muffen 18 versehen ist. Die Eintrittspartie 17a und die Austrittspartie 17b verlaufen parallel zueinander und zwar gegeneinander. Zum Wärmeaustausch sind sie über die ganze Gegenstromstrecke G in innigem metallischem Kontakt, wozu sie aneinander gelötet sind (19). Um mög­ lichst wenig Wärme an die Atmosphäre abzugeben, sind sie mit einer Wärmeisolation 20, beispielsweise einer Steinwollepackung umgeben. Die ganze Gegenstromstrecke G ist mitsamt Isolation in einem Gehäuse 21, hier ein zylindrisches Kupferrohr untergebracht. Das Gehäuse ist beidseitig mit Endplatten 22 verschlossen. Um die Meßgenauigkeit zu erhöhen, ist die aus dem Gehäuse 21 herausgeführte Mittelpartie 17c zwecks konvektiver Wärmeabgabe mit einer großen Oberfläche gekoppelt. Hierzu könnte das Rohr beispielsweise verrippt sein. Im vorliegenden Fall eignet sich als große Oberfläche die kupferne Außenwand des Gehäuses 21. Abgesehen von den Schleifen an den beiden Stirnseiten des Gehäuses ist die Mittelpartie 17c in der Folge über den Großteil ihrer Erstreckung mit dem Kupferrohr verlötet (23).

Um den Wärmeaustausch in der Gegenstromstrecke G zu erfassen, sind vier Temperaturmeßstellen vorgesehen, die mit jeweils einem Thermoelement bestückt sind. Eine erste Meßstelle T₁ befindet sich an der Eintrittspartie 17a unmittelbar stromaufwärts der Gegenstromstrecke G. Eine zweite Meßstelle T₂ befindet sich an der Eintritts­ partie 17a unmittelbar stromabwärts der Austauscher­ strecke. Eine dritte Meßstelle T₃ befindet sich an der Austrittspartie 17b unmittelbar stromaufwärts der Austauscherstrecke und eine vierte Meßstelle T₄ befindet sich an der Austrittspartie 17b unmittelbar stromabwärts der Gegenstromstrecke G. Die zweiten und dritten Meßstellen könnten auch als Meßstellen am Anfang bzw. am Ende der Mittelpartie 17c bezeichnet werden. Die Meßleitungen der Thermoelemente können in üblicher Weise in Differenzschaltung direkt an ein Digitalvolt­ meter (nicht dargestellt) angelegt werden.

Das Prinzip sieht also vor, daß die Temperaturen der ein- und austretenden Leitungen jeweils am Anfang und Ende der Gegenstromtauscherstrecke gemessen werden. Mit guter Isolation dieser Strecke gilt genügend genau, daß die von der Eintrittspartie 17a abgegebene Wärme gleich der von der Austrittspartie 17b aufgenommenen Wärme ist. Wärmeabfuhr nach außen kann über Kalibrier­ messungen zusätzlich korrigiert werden.

Die Auswertung der Temperaturmessungen ist einfach. Sind die Temperaturdifferenzen am Eintritt und am Aus­ tritt der Meßstrecke jeweils zwischen der Eintritts- und Austrittspartie gleich, so strömt Wasser. Wird Dampf mitgenommen, muß dieser zunächst kondensiert werden und trotz Wärmeabfuhr bleibt die Temperatur konstant. Als Folge davon werden die beiden Temperaturdifferenzen ungleich.

Im Schaubild nach Fig. 4 ist dieser Vorgang anhand eines einfachen Zahlenbeispiels erläutert. Hier beträgt die Eintrittstemperatur T₁ des Mediums 170°C. In Anlehnung an die Anwendung nach Fig. 1, wonach die Anzapfleitung 2 im Bereich des Hochdruckabdampfes abzweigt, entspricht diese genannte Temperatur etwa dem Dampfdruck in der Anzapfleitung 2, aus der die zu messende Probe entnommen wird. Nach vollzogenem Wärmeaustausch in der Gegenstrom­ strecke G beträgt die Temperatur T₂ ca. 120°C. In der Mittelpartie werden weitere 20°C an die Atmosphäre abgeführt, so daß T₃ am Anfang der Austrittspartie ca. 100°C und T₄ am Ende der Austrittspartie nach dem Wärmeaustausch ca. 160°C beträgt.

Nach der Gesetzmäßigkeit

Dampfgehalt : f ((T₂ - T₃) - (T₁ - T₄))

ist nun erkennbar, daß kein reines Wasser in der Rotor­ schleife strömt.

Hier wird vorausgesetzt, daß Korrekturen aufgrund der Absoluttemperatur des zu messenden Mediums, der Umge­ bungstemperatur und der Isolationseichwerte berücksichtigt sind.

In der Annahme, daß beim Wärmeaustausch zwischen reinen Flüssigkeiten die Temperaturverläufe die gleiche Stei­ gung aufweisen, ist nach Fig. 4 festzustellen, daß in der Eintrittspartie 17a erst nach Durchströmen der Strecke x der Dampf auskondensiert ist.

Selbstverständlich ist es auch möglich, die Meßleitungen so zu schalten, daß der Vergleich zwischen (T₄ - T₃) und (T₁ - T₂) durchgeführt wird.

Ein weiterer Vorteil des Meßgerätes 14 ist nun darin zu sehen, daß nach dem geschilderten Prinzip der Dampf­ gehalt in der Probe bestimmt werden kann. Um in die Dampftafel einsteigen zu können, ist selbstverständlich die Kenntnis des Flüssigkeitsgehaltes der Probemenge erforderlich. Der Durchsatz wird hierzu in einem in der Meßleitung 9 stromabwärts des Regelorgangs 12 an­ geordneten Durchflußmesser 24 festgehalten.

Der Einsatz des Meßgerätes 14 geht nun folgendermaßen vor sich: 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 am Austritt der Meßleitung anfallende Ent­ nahmemedium kann zunächst verworfen werden. Sukzessive wird nun das Regelorgan 12 weiter geöffnet, wodurch der Entnahmestrom gesteigert wird. Es versteht sich, daß die Entnahmegeschwindigkeit schrittweise und nicht etwa stetig gesteigert wird, da für die Vergleichsmessung jeweils der Beharrungszustand abzuwarten ist.

Solange nur Wasser strömt, wird im einfachsten, voll auskalibrierten Fall die ermittelte Temperaturdifferenz Null sein. Irgendwann wird der Fall eintreten, daß Dampf aus der Anzapfleitung 2 mit in die Meßleitung 9 und damit in die Rohrschleife 17 eingeführt wird. Dieser Tatbestand wird sich durch eine positive Temperatur­ differenz am Anzeigegerät, beispielsweise dem Digital­ voltmeter bemerkbar machen.

Damit ist der sogenannte Knickpunkt K festgehalten. Die entsprechende Probeentnahmegeschwindigkeit konnte dabei über die Stellung des Regelorgans 12 oder den Durchflußmesser 24 festgehalten werden. Man kennt damit den Bereich a gemäß Fig. 2, in dem eine reine Wasser­ entnahme vonstatten geht.

Unmittelbar anschließend kann zur Tracermessung über­ gegangen werden, wozu in der Meßleitung 9 lediglich der Probebehälter 10 anzubringen ist. Um die eigent­ liche Probeentnahme nicht zu beeinträchtigen, wird mittels Durchflußmesser 24 und Regelorgan 12 die Entnahmemenge so eingestellt, daß man sich gemäß Fig. 3 im Bereich a und in sicherem Abstand zum Knickpunkt K bewegt.

In Abweichung zur dargestellten Kraftwerksanwendung könnte die Erfindung auch mit Vorteil in dem Bereich Chemie und Radiochemie Anwendung finden.

Claims (5)

1. Einrichtung zum Messen des Knickpunktes und des Dampf­ anteils in Zweiphasenströmungen oder in Probeentnahmen von Zweiphasenströmungen mit

• - einer geschlossenen Rohrschleife (17)
  • - deren Austrittspartie (17b) und Eintrittspartie (17a) zwecks Gegenströmung des zu messenden Me­ diums parallel zueinander verlaufen und dabei in innigem metallischen Kontakt miteinander stehen, wobei sie gegen die Atmosphäre mit einer Wärme­ isolation (20) versehen sind und hierzu über die ganze Gegenstromaustauscherstrecke (G) in einem vorzugsweise zylindrischen, länglichen Gehäuse (21) angeordnet sind,
  • - und deren aus dem Gehäuse (21) herausgeführte Mittelpartie (17c) zwecks konvektiver Wärmeab­ gabe mit einer großen Oberfläche gekoppelt ist,
• - ferner mit
  • - einer ersten Temperaturmeßstelle T₁ an der Ein­ trittspartie (17a) unmittelbar vor der Gegenstrom­ austauscherstrecke (G)
  • - einer zweiten Temperaturmeßstelle T₂ an der Ein­ trittspartie (17a) unmittelbar hinter der Gegen­ stromaustauscherstrecke (G)
  • - einer dritten Temperaturmeßstelle T₃ an der Aus­ trittspartie (17b) unmittelbar vor der Gegenstrom­ austauscherstrecke (G)
  • - einer Vierten Temperaturmeßstelle T₄ an der Aus­ trittspartie (17b) unmittelbar hinter der Gegen­ stromaustauscherstrecke (G)
• - sowie mit Mitteln zum Temperatur­ vergleich der Eintritts- mit den Austrittsbedingungen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innige metallische Kontakt zwischen Eintritts- und Austrittspartie (17a, 17b) der Rohrschleife (17) durch ein Aneinanderlöten (19) über die ganze Gegenstromaustauscherstrecke (G) geschaffen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als große Oberfläche die Außenwandung des Gehäuses (21) dient, an die die Mittelpartie (17c) der Rohrschleife über den Großteil ihrer Erstreckung mittels Lötung (23) geheftet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Dampfgehaltes der Temperatur­ vergleich nach folgender Gesetzmäßigkeit durchgeführt wird: Dampfgehalt = f ((T₂ - T₃) - (T₁ - T₄)).

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Dampfgehaltes der Temperatur­ vergleich nach folgender Gesetzmäßigkeit durchgeführt wird: Dampfgehalt = f ((T₄ - T₃) - (T₁ - T₂)).