DE3836496A1 - Verfahren zum berechnen des trockenheitsgrades einer fluessigkeit, die ueber einen dampfabscheider in einen prozess eingeleitet wird, der rate der dem prozess zugefuehrten energie sowie vorrichtung zum berechnen des trockenheitsgrades - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Messung des Trockenheitsgrades von Dampf, der dampfbetriebenen Prozessen zugeführt wird, insbesondere auf ein Verfahren zum Berechnen des Trockenheitsgrades einer Flüssigkeit, die über einen Dampfabscheider in einen Prozeß eingeleitet wird, ein Ver­ fahren zum Berechnen der Rate der dem Prozeß zugeführten Energie sowie auf eine Vorrichtung zum Berechnen des Trockenheitsgrades zur Gewinnung weiterer Informationen über die Eigenschaften der betreffenden Prozeßanlage und die Dampfzufuhr zu dieser.

In einer herkömmlichen dampfbetriebenen Prozeßanlage wird gesättigter Dampf von einem Dampfkessel einer Anzahl von individuellen Prozessen über eine Dampfhauptleitung zuge­ führt. Jeder Prozeß zieht Dampf aus der Dampfhauptleitung über einen Abscheider, der den größten Teil des Kondensats oder der Feuchtigkeit von dem Dampf abscheidet und diesen mit einem Trockenheitsgrad von typisch 0.95 bis 0.99 ver­ sieht. Dem Dampf wird dann der größte Teil der Wärme in einem Prozeß-Wärmeaustauscher entzogen, was bewirkt, daß der Dampf kondensiert, wenn er über eine Kondensat-Rückfüh­ rungsleitung zu dem Dampfkessel zurückgeführt wird.

Desweiteren ist bekannt, einen Strömungsmesser und einen Temperatur- oder Drucksensor in der Dampfleitung zwischen dem Abscheider und dem Prozeß-Wärmeaustauscher vorzusehen. Die Meßwerte aus diesen Instrumenten werden einem Strö­ mungs/Energie-Rechner zugeführt, der dann in der Lage ist, die Rate abzuschätzen, bei welcher dem Prozeß Energie zuge­ führt wird.

Indessen ist es, wenn der Energieverbrauch exakt zu messen ist, notwendig, die Qualität oder den Trockenheitsgrad des Dampfes zu kennen, der dem Prozeß zugeführt wird. Bei Be­ nutzung herkömmlicher Verfahren zum Bestimmen des Trocken­ heitsgrades eines gesättigten Dampfstroms ist es notwendig, dem Dampfstrom Proben zu entnehmen und entweder eine Druck­ reduktion, welche erforderlich ist, um zu bewirken, daß die Meßprobe überhitzt wird (Drossel-Kaloriemetrie) oder gleichzeitige Messungen der Dichte oder Temperatur der Strömung durchzuführen. Die Meßprobe aus der Flüssigkeit kann jedoch keinen repräsentativen Wert des gesamten Stroms darstellen, und es können sich beträchtliche Ungenauigkeiten ergeben.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kontinuierlich während des Betriebs der betreffenden Anlage arbeitendes Verfahren zum Berechnen der Trockenheit des gesamten Dampfstroms, der einem Prozeß zugeführt wird, so daß der berechnete Wert der Trockenheit auch einem Strö­ mungs/Energie-Rechner eingegeben werden kann, zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die vorliegende Erfindung gemäß einer ersten Ausführungsform ein Verfahren zum Be­ rechnen des Trockenheitsgrades einer Flüssigkeit, die über einen Dampf-Abscheider einem Prozeß zugeführt wird, vor, das gekennzeichnet ist durch Schritte zum Speichern von Werten der Leistungsmerkmale des Abscheiders bei einer Vielzahl von Eingangsdampf und Kondensat-Massenströmungsraten und einer Vielzahl von Eingangsflüssigkeitstemperaturen oder -drücken, Messen der Massenströmungsrate und der Temperatur oder des Drucks von Flüssigkeit, die dem Prozeß zugeführt wird, Mes­ sen der Massenströmungsrate von Kondensat, das durch den Abscheider der Flüssigkeit entzogen wird, Inbeziehungsetzen der gemessenen Massenströmungsraten und der gemessenen Tem­ peratur oder des gemessenen Drucks mit einem korrespon­ dierenden gespeicherten Wert des Wirkungsgrades des Ab­ scheiders und Berechnen des Trockenheitsgrades der Flüssig­ keit, die in den Prozeß eingeführt wird, auf der Grundlage der gemessenen Massenströmungsraten und des korrespondie­ renden gespeicherten Werts des Wirkungsgrads des Abschei­ ders.

Da eine bekannte feste Beziehung zwischen der Temperatur und dem Druck von gesättigtem Dampf besteht, kann jeder dieser Parameter gemessen werden. Indessen ist die Temperaturmes­ sung im allgemeinen genauer und weniger kostspielig als die Druckmessung, und demzufolge wird ersteres Verfahren bevor­ zugt.

Der Ausdruck "Wirkungsgrad des Abscheiders", wie er hier verwendet ist, ist als der Prozentsatz der Totalflüssig­ keitsphasenkomponente der eingeleiteten Flüssigkeit defi­ niert, die durch den Abscheider abgeschieden wird. Der Wir­ kungsgrad ist eine Funktion des Drucks (und demzufolge der Temperatur) der eingeleiteten Flüssigkeit und der Dampf- und Kondensat-Massenströmungsraten.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform ist ein Verfahren zum Berechnen der Rate, bei der einem dampfbetriebenen Prozeß Energie zugeführt wird, welcher Prozeß über einen Dampf- Abscheider, der zumindest einen Teil des flüssigen Inhalts des Dampfes abscheidet, mit Dampf versorgt wird, vorgesehen, das erfindungsgemäß gekennzeichnet ist durch Schritte zum Messen der Massenströmungsrate und der Temperatur oder des Drucks von Flüssigkeit, die in den Prozeß eingeleitet wird, Messen der Massenströmungsrate von Flüssigkeit, die durch den Abscheider abgeschieden wird, Berechnen des Trocken­ heitsgrades von Flüssigkeit, die in den Prozeß eingeleitet wird, unter Benutzung der gemessenen Strömungsraten und der gemessenen Temperatur oder des gemessenen Drucks und einer vorbestimmten Abscheidungs-Charakteristik des Abscheiders und Berechnen der Rate, bei welcher Energie zugeführt wird, auf der Grundlage des berechneten Trockenheitsgrades.

Gemäß einer dritten Ausführungsform ist eine Vorrichtung zum Berechnen des Trockenheitsgrades von Flüssigkeit, die einem Prozeß über einen Dampf-Abscheider zugeführt wird, vorgese­ hen, die erfindungsgemäß gekennzeichnet ist durch einen ersten Massenströmungsmesser zum Erzeugen eines Signals, das die Rate angibt, bei welcher dem Prozeß Flüssigkeit zuge­ führt wird, einen zweiten Massenströmungsmesser zum Erzeugen eines Signals, das die Rate angibt, bei welcher durch den Abscheider Kondensat abgeschieden wird, einen Temperatur- oder Drucksensor zum Erzeugen eines Signals, das die Tempe­ ratur oder den Druck der Flüssigkeit angibt, die in den Prozeß eingeleitet wird, und einen Datenprozessor zum Auf­ nehmen von Signalen, die durch den ersten und den zweiten Massenströmungsmesser und den Temperatur- oder Drucksensor zugeführt werden, und zum Berechnen des Trockenheitsgrades von Flüssigkeit, die in den Prozeß eingeleitet wird, unter Benutzung einer gespeicherten Wirkungsgradcharakteristik des Abscheiders.

Im folgenden wird die Erfindung zu ihrem besseren Verständ­ nis und um zu zeigen, wie sie in die Praxis umgesetzt werden kann, anhand mehrerer Figuren, die bevorzugte Ausführungs­ beispiele zeigen, im einzelnen beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild, das eine dampfbetriebene Prozeßanlage darstellt, in welcher ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung be­ nutzt wird.

Fig. 2 zeigt ein Funktionsschema, das ein Verfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Er­ findung zum Berechnen der Rate, bei welcher einem dampfbetriebenen Prozeß Energie zugeführt wird, an­ gibt.

Fig. 1 zeigt eine typische dampfbetriebene Prozeßanlage, in welcher gesättigter Dampf aus einem Dampfkessel einer Anzahl von individuellen Prozessen über ein Dampfhauptrohr 1 zuge­ führt wird. Der Dampf wird über einen Dampf-Abscheider 2 einem Prozeß-Wärmeaustauscher 3 zugeführt. Der Hauptanteil des in dem gesättigten Dampf enthaltenen Kondensats wird in dem Abscheider 2 abgeschieden, und demzufolge hat der Dampf, der dem Prozeß-Wärmeaustauscher 3 zugeführt wird, einen Trockenheitsgrad von typisch 0.95 bis 0.99. Der Hauptanteil der Wärme wird dem Dampf in dem Prozeß-Wärmeaustauscher 3 entzogen, was bewirkt, daß der Dampf kondensiert. Das Kon­ densat wird durch Dampftöpfe 4 abgezogen und durch ein Rückschlagventil 5 längs einer Kondensat-Rückführungsleitung 6 dem Dampfkessel wieder zugeführt.

In der Dampfeingangsleitung sind ein Dampf-Massenströmungs­ messer 7 und ein Temperatursensor 8 stromabwärts von dem Ab­ scheider zum Erfassen der Temperatur des Dampfes, der dem Prozeß-Wärmeaustauscher 3 zugeführt wird, und der Rate, bei welcher der Dampf zugeführt wird, angeordnet. Meßsignale aus dem Massenströmungsmesser 7 und dem Temperatursensor 8 wer­ den einem Datenprozessor 9 eingegeben. Ein zweiter Tempera­ tursensor 10 erfaßt die Temperatur des Kondensats, das von dem Prozeß-Wärmeaustauscher 3 abgezogen ist und zu dem Dampfkessel über die Kondensat-Rückführungsleitung 6 zurück­ geführt wird. Ein Temperaturmeßsignal aus dem zweiten Tem­ peratursensor 10 wird ebenfalls dem Datenprozessor 9 einge­ geben.

Das Kondensat, das von dem zugeführten Dampf durch den Ab­ scheider 2 abgeschieden ist, wird zu dem Dampfkessel über ein zweites Rückschlagventil 11 und die Kondensat-Rückfüh­ rungsleitung 6 zurückgeführt. Bei Verlassen des Abscheiders 2 durchläuft das Kondensat einen Kondensat-Massenströmungs­ messer 12 und eine Kondensatfalle 13. Der Kondensat-Massen­ strömungsmesser und die Kondensatfalle können aus zwei Flüssigkeitspegelsensoren 12 a, 12 b bzw. einem Magnetventil 13 bestehen. Diese sind mit dem Datenprozessor 9 verbunden, wie dies in Fig. 1 angegeben ist, und zwar in einer Weise, daß die Zeit, die im Betrieb benötigt wird, um den Pegel des Kondensats bei dem unteren Pegelsensor auf denjenigen des oberen Pegelsensors ansteigen zu lassen, als ein Maß der Massenströmungsrate des Kondensats verwendet werden kann. Wenn der Kondensatpegel den höheren Pegelsensor erreicht, wird das Magnetventil geöffnet, und das Kondensat wird durch das Rückschlagventil 11 abgelassen, bis der Pegel unter denjenigen des unteren Pegelsensors fällt.

Es ist ersichtlich, daß das System, das in Fig. 1 gezeigt ist, nur einen aus einer Vielzahl von Prozessen, der in der Praxis aus einem eigenen Dampfkessel gespeist wird, betref­ fen kann. Es ist jedoch ein weiterer Abscheider 14 gezeigt, der einem zweiten Prozeß Dampf zuführt.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand von Fig. 2 be­ schrieben.

In dem Datenprozessor 9, der beispielsweise ein "M200"- Strömungsrechner sein kann, dem Meßsignale von dem Dampf- Massenströmungsmesser 7, dem Kondensat-Massenströmungsmesser 12, dem Dampf-Temperatursensor 8 und dem Kondensat-Tempera­ tursensor 10 zugeführt werden, werden bestimmte Berechnungen durchgeführt.

Bevor jedoch die notwendigen Berechnungen durchgeführt wer­ den können, ist es erforderlich, in dem Datenprozessor 9 Einzelheiten der Leistungsmerkmale des Abscheiders zu spei­ chern. Der Wirkungsgrad des Abscheiders wird von der Sätti­ gungstemperatur des Dampfes, der diesen durchläuft, und den Massenströmungsraten des Dampfes und des Kondensats be­ stimmt. Daher muß der Abscheider oder zumindest der spezi­ elle Typ von Kondensator, der zu benutzen ist, bevor die Erfindung in die Praxis umgesetzt werden kann, in einem Bereich von Eingangsdampftemperaturen und einem Bereich von Kondensat- und Dampf-Massenströmungsraten getestet werden, um eine Messung des Wirkungsgrades innerhalb dieser Bereiche zu gestatten. Die sich ergebende Wirkungsgradkennlinie wird dann in dem Datenprozessor 9 gespeichert. Der Datenprozessor 9 speichert außerdem spezielle Enthalpie-Tabellen für beide Phasen und bei allen erforderlichen Sättigungstemperaturen.

Das Schema, das in Fig. 2 dargestellt ist, zeigt die Be­ rechnungsvorgänge, die notwendig sind, wenn als der Dampf- Massenströmungsmesser 7 ein Meßinstrument benutzt wird, das einen veränderbaren Drehdifferentialtansformator beinhaltet, wie er bereits (aus der Patentanmeldung 86 20 931) bekannt ist. In einem derartigen Strömungsmesser wird eine Messung der Massenströmungsrate aus einem "Klappenanstell"-Winkel R gewonnen. Die Kalibrierung der Einrichtung kann derart er­ folgt sein, daß irgendein gegebener "Klappenanstell"-Winkel R mit einer Massenströmungsrate ₀ in Bezug gesetzt ist, die die Massenströmungsrate von 100% trockenem gesättigtem Dampf bei 8 bar ist, wodurch dieser "Klappenanstell"-Winkel erzeugt würde. Daher muß der Wert von ₀, der gemessen ist, sowohl hinsichtlich Differenzen im Druck und des Trocken­ heitsgrades des Dampfstroms durch das Meßgerät kompensiert werden.

Die Temperatur t des Dampfes, die durch den Temperatursensor 8 erfaßt wird, entspricht einer Dampfphasendichte R, die aus Nachschlag-Tabellen, die in dem Datenprozessor gespeichert sind, ausgelesen werden kann. Dann wird, wenn R ₀ als die Dampfphasendichte bei 8 bar definiert ist, eine Massen­ strömungsrate _S von 100% trockenem gesättigtem Dampf bei dem Betriebsdruck, der durch das Meßgerät angezeigt wird, aus der Beziehung

gewonnen. Nun ist es aus der gespeicherten Wirkungsgrad­ kennlinie des Abscheiders unter Benutzung des Wertes von _S, der zuvor berechnet ist, und der Massenströmungsrate _C des Kondensats, das durch den Abscheider abgeschieden ist, mög­ lich, den Trockenheitsgrad F _d des Dampfstroms stromaufwärts von dem Abscheider und stromabwärts von diesem zu berechnen, wobei letzterer selbstverständlich der Trockenheitsgrad von Dampf ist, der dem Prozeß-Wärmeaustauscher 3 zugeführt wird.

Dann ist es, wenn der Trockenheitsgrad des Dampfes, der dem Prozeß-Wärmeaustauscher zugeführt ist, berechnet ist, mög­ lich, die Trockenheit des Dampfstroms zu kompensieren, um einen genaueren Wert für die Massenströmungsrate des Damp­ fes, der dem Prozeß zugeführt wird, zu gewinnen. Tatsächlich ist die totale Massenströmung _T auf den Wert _S bezogen, der zuvor durch die Gleichung

berechnet ist. Daher ist es durch Berechnung des Trocken­ heitsgrades wie zuvor angegeben möglich, eine genauere Mes­ sung der Totalmassenströmung von Flüssigkeit in das System hinein zu gewinnen, als dies auf andere Art und Weise mög­ lich wäre.

Alternativ zu dem bisher Ausgeführten kann der Dampf-Mas­ senströmungsmesser 7 durch einen Differentialdrucksensor ersetzt werden, der den Druckabfall über dem Abscheider mißt. Bestimmten einschränkenden Umständen, die bei einer Strömungsleitung auftreten können, ist eine charakteristi­ sche Zahl zugeordnet, nämlich der Druckabfallkoeffizient oder die Eulersche Zahl EU. EU ist definiert als

wobei Δ p der Druckabfall, R die Flüssigkeitsdichte u. V die Strömungsgeschwindigkeit bezeichnen.

Für bestimmte Arten von Abscheidern (z. B. den Tropfenfänger (baffle)-Typ ist EU konstant, und demzufolge erlauben Mes­ sungen von Δ p, bei Benutzung des Differentialdrucksensors und der Flüssigkeitstemperatur (oder des Drucks) und demzu­ folge R aus Tabellen für gesättigen Dampf eine Berechnung der Dampfströmungsgeschwindigkeit V (Gasphase).

Da die Einflüsse eines nassen Dampfstroms p vernach­ lässigbar sind, kann die Gasphasen-Massenströmungsrate auf diese Weise berechnet werden. Wie zuvor beschrieben, kann diese Strömungsrate zusammen mit der gemessenen Massenströ­ mungsrate und der bekannten Wirkungsgradkennlinie des Dampf-Abscheiders benutzt werden, um den Trockenheitsgrad des zugeführten Dampfes zu bestimmen.

Wenn die totale Massenströmung genau berechnet worden ist und wenn der Trockenheitsgrad des Dampfes, der einem Prozeß zugeführt wird, bekannt ist, kann die Rate P _in, bei welcher Prozeßenergie zugeführt wird, durch die Gleichung

P _in = _T (h _fg · F _d + h _fa)

berechnet werden, wobei h _fg die spezifische Wärme der Ver­ dampfung bei der Sättigungstemperatur und h _fa die spezifi­ sche Enthalpie der Flüssigkeitsphase bei der Sättigungstempera­ tur bezeichnen.

Zusätzlich ist es möglich, die Rate des Energieverlusts P _wa aufgrund der Kondensatentnahme durch den Abscheider zu be­ rechnen. Dafür gilt:

P _wa = _C (h _fa - h _fb)

wobei h _fb die spezifische Enthalpie des Kondensats bei der Dampfkesselversorgungstemperatur ist.

Zusätzlich ist es, da in einem geschlossenen System die Mas­ senströmungsrate aus dem Prozeß heraus gleich der Massen­ strömungsrate in den Prozeß hinein sein muß, möglich, die Rate P _ret, bei welcher Energie durch den Prozeß zurückge­ führt wird, zu berechnen:

P _ret = _T · h _fc,

wobei h _fc die spezifische Enthalpie des Kondensats bei der Prozeßentnahmetemperatur ist.

Die Rate P _wb, bei welcher Energie durch Rückführung von Kondensat zu dem Dampfkessel verloren geht, gegeben durch:

P _wb = _T · (h _fc - h _fb) .

Daher ist es möglich, den Energieverbrauch und den Wirk­ kungsrad des Prozesses mit einem höheren Grad von Genau­ igkeit zu berechnen, als dies bisher möglich gewesen ist.

Falls zusätzlich die Trockenheit des Dampfes, der durch den Dampfkessel ausgegeben wird, gemessen wird, ist es möglich, zu bestimmen, ob das Kondensat in dem System durch Dampf­ kessel-Mitreißeffekte oder durch schlechte Isolation, schlechte Rohrverlegung und Anlagenauslegung auftritt. Daher schafft die vorliegende Erfindung Verfahren, durch die schlechte Wirkungsgrade, wie beispielsweise durch ungenü­ gende Abscheidung und Kondensatfallen-Wirksamkeit in der Anlage als ganzes aufgedeckt werden. Wenn die Quellen ver­ schiedener Unzulänglichkeiten lokalisiert sind, ist es mög­ lich, den Wirkungsgrad der Anlage wie erforderlich zu ver­ bessern.

Claims (3)

1. Verfahren zum Berechnen des Trockenheitsgrades einer Flüssigkeit, die über einen Dampf-Abscheider einem Prozeß zugeführt wird, gekennzeichnet durch Schritte zum

• - Speichern von Werten der Leistungsmerkmale des Ab­ scheiders (2, 14) bei einer Vielzahl von Eingangsdampf- und Kondensat-Massenströmungsraten und einer Vielzahl von Eingangsflüssigkeitstemperaturen oder -drücken,
• - Messen der Massenströmungsrate und der Temperatur oder des Drucks von Flüssigkeit, die dem Prozeß zugeführt wird,
• - Messen der Massenströmungsrate von Kondensat, das durch den Abscheider (2, 14) der Flüssigkeit entzogen wird,
• - Inbeziehungsetzen der gemessenen Massenströmungsraten und der gemessenen Temperatur oder des gemessenen Drucks mit einem korrespondierenden gespeicherten Wert des Wirkungsgrades des Abscheiders (2, 14), und
• - Berechnen des Trockenheitsgrades der Flüssigkeit, die in den Prozeß eingeführt wird, auf der Grundlage der gemessenen Massenströmungsraten und des korrespondie­ renden gespeicherten Werts des Wirkungsgrads des Ab­ scheiders (2, 14).

2. Verfahren zum Berechnen der Rate, bei der einem dampf­ betriebenen Prozeß Energie zugeführt wird, welcher Prozeß über einen Dampf-Abscheider, der zumindest einen Teil des flüssigen Inhalts des Dampfes abscheidet, mit Dampf ver­ sorgt wird, gekennzeichnet durch Schritte zum

• - Messen der Massenströmungsrate und der Temperatur oder des Drucks von Flüssigkeit, die in den Prozeß einge­ leitet wird,
• - Messen der Massenströmungsrate von Flüssigkeit, die durch den Abscheider (2, 14) abgeschieden wird,
• - Berechnen des Trockenheitsgrades von Flüssigkeit, die in den Prozeß eingeleitet wird, unter Benutzung der gemessenen Strömungsraten und der gemessenen Temperatur oder des gemessenen Drucks und einer vorbestimmten Ab­ scheidungs-Charakteristik des Abscheiders (2, 14) und
• - Berechnen der Rate, bei welcher Energie zugeführt wird, auf der Grundlage des berechneten Trockenheitsgrades.

3. Vorrichtung zum Berechnen des Trockenheitsgrades von Flüssigkeit, die einem Prozeß über einen Dampf-Abscheider zugeführt wird, gekennzeichnet durch

• - einen ersten Massenströmungsmesser (7) zum Er­ zeugen eines Signals, das die Rate angibt, bei welcher dem Prozeß Flüssigkeit zugeführt wird,
• - einen zweiten Massenströmungsmesser (12) zum Erzeugen eines Signals, das die Rate angibt, bei welcher durch den Abscheider (2, 14) Kondensat abgeschieden wird,
• - einen Temperatur- oder Drucksensor (10) zum Erzeugen eines Signals, das die Temperatur oder den Druck der Flüssigkeit angibt, die in den Prozeß eingeleitet wird, und
• - einen Datenprozessor (9) zum Aufnehmen von Signalen, die durch den ersten und den zweiten Massenströmungs­ messer (7, 12) und den Temperatur- oder Drucksensor (10) zugeführt werden, und zum Berechnen des Trocken­ heitsgrades von Flüssigkeit, die in den Prozeß einge­ leitet wird, unter Benutzung einer gespeicherten Wir­ kungsgradcharakteristik des Abscheiders (2, 14).