RU2685016C1 - Method of determination of true volumetric steam content - Google Patents

Method of determination of true volumetric steam content Download PDF

Info

Publication number
RU2685016C1
RU2685016C1 RU2018108941A RU2018108941A RU2685016C1 RU 2685016 C1 RU2685016 C1 RU 2685016C1 RU 2018108941 A RU2018108941 A RU 2018108941A RU 2018108941 A RU2018108941 A RU 2018108941A RU 2685016 C1 RU2685016 C1 RU 2685016C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
steam
volume
phase
cut
true volumetric
Prior art date
Application number
RU2018108941A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Эмир Асгадович Таиров
Андрей Иннокентьевич Маслов
Алексей Саматович Сафаров
Владимир Гаврилович Гаманец
Original Assignee
Федеральное агентство научных организаций Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭМ СО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное агентство научных организаций Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭМ СО РАН) filed Critical Федеральное агентство научных организаций Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭМ СО РАН)
Priority to RU2018108941A priority Critical patent/RU2685016C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2685016C1 publication Critical patent/RU2685016C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N7/00—Analysing materials by measuring the pressure or volume of a gas or vapour
    • G01N7/14—Analysing materials by measuring the pressure or volume of a gas or vapour by allowing the material to emit a gas or vapour, e.g. water vapour, and measuring a pressure or volume difference
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N7/00—Analysing materials by measuring the pressure or volume of a gas or vapour
    • G01N7/14—Analysing materials by measuring the pressure or volume of a gas or vapour by allowing the material to emit a gas or vapour, e.g. water vapour, and measuring a pressure or volume difference
    • G01N7/16—Analysing materials by measuring the pressure or volume of a gas or vapour by allowing the material to emit a gas or vapour, e.g. water vapour, and measuring a pressure or volume difference by heating the material

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment, to measurement of characteristics of steam-liquid flows under pressure in free, as well as containing permeable nozzles from solid particles channels. Determination of true volumetric steam content is carried out by method of cutoff of control volume of flow with subsequent condensation of steam phase and filling of space released by measured volume of additional cooling water. Control section is cut off by synchronous overlapping using high-speed valves. Simultaneously, main flow is redirected along bypass line. Further, the control section is forcedly cooled to complete condensation of the steam phase. Volume emptied is filled with measured volume of additional water. Further, on the basis of the made measurements and corresponding equations of mass preservation, the true volumetric steam content in the reference volume is determined at working pressure.
EFFECT: enabling elimination of the effect of inter-phase mass transfer in steam-liquid flows under pressure on the measurement result.
1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, к исследованию характеристик парожидкостных потоков в свободных и загруженных проницаемой внутренней насадкой каналах под давлением.The invention relates to measuring equipment, to the study of the characteristics of vapor-liquid flows in free and loaded permeable internal nozzle channels under pressure.

Уровень техникиThe level of technology

Аналогом служит известный метод отсечки потока, который состоит в быстром одновременном закрытии двух клапанов на некотором участке канала с последующим измерением содержания фаз, преимущественно жидкой. Одно из описаний метода приведено на стр.109 в пособии А.А. Малышев, В.О. Мамченко, К.В. Киссер. Теплообмен и гидродинамика двухфазных потоков хладоагентов, Учеб.-метод. пособие. СПб.: Университет ИТМО, 2016. 116 с. Этот метод применяется для воздушно - водяных и других газожидкостных потоков при отсутствии межфазных переходов, меняющих массовое и объемное соотношение фаз в процессе измерения. Использование известного метода приводится в ряде публикаций: Сахаров В.А. Гидродинамика газожидкостных смесей в вертикальных трубах и промысловых подъемниках. М.: Изд-во Нефть и газ, 2004. 398 с.; Эксплуатация и технология разработки нефтяных и газовых месторождений. / Авт.: И.Д Амелин, Р.С. Андриасов, Ш.К. Гиматудинов и др.М., Недра, 1978. 356 с.; Хьюит Дж., Холл-Тэйлор Н. Кольцевые двухфазные течения. Пер. с англ. М., Энергия,1974. 408 с. Содержание жидкой фазы после перекрытия потока находится измерением гидростатического давления столба жидкости либо занимаемого ею объема. Недостатком известного способа определения газосодержания в потоке является то, что он не применим к “горячим” парожидкостным потокам, для которых любое изменение давления и температуры смеси после отсечки потока в процессе измерения ведет к изменению исходного соотношения жидкой и парообразной фаз вследствие межфазного массообмена. Предлагаемый способ исключает этот недостаток тем, что он основан на действии закона сохранения всей массы пароводяной смеси в отсекаемом объеме в процессе измерения. The analogue is the well-known method of cutting off the flow, which consists in the simultaneous simultaneous closing of two valves in a certain section of the channel with the subsequent measurement of the content of the phases, mainly liquid. One of the method descriptions is given on p.109 in the manual by А.А. Malyshev, V.O. Mamchenko, K.V. Kisser. Heat transfer and hydrodynamics of two-phase coolant flows, Ucheb.-method. allowance. SPb .: ITMO University, 2016. 116 p. This method is used for air - water and other gas-liquid flows in the absence of phase transitions that change the mass and volume ratio of the phases in the measurement process. The use of the known method is given in a number of publications: V. Sakharov. Hydrodynamics of gas-liquid mixtures in vertical pipes and field hoists. M .: Izd-in Oil and gas, 2004. 398 p .; Operation and technology development of oil and gas fields. / Auth .: I.D. Amelin, R.S. Andriasov, Sh.K. Gimatudinov et al., M., Nedra, 1978. 356 p .; Hewitt J., Hall-Taylor N. Ring two-phase flow. Per. from English M., Energy, 1974. 408 s. The content of the liquid phase after the flow is blocked is measured by measuring the hydrostatic pressure of the liquid column or the volume it occupies. A disadvantage of the known method of determining gas content in a stream is that it is not applicable to “hot” vapor-liquid flows, for which any change in pressure and temperature of the mixture after cutting off the flow during the measurement process leads to a change in the initial ratio of liquid and vapor phases due to interfacial mass transfer. The proposed method eliminates this disadvantage in that it is based on the action of the law of conservation of the entire mass of the steam-water mixture in the cut-off volume in the measurement process.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the invention

В изобретении реализуется способ определения истинного объемного паросодержания, являющегося основной характеристикой парожидкостного потока, посредством вспомогательного измерения объема добавочной воды, замещающей разность объемов паровой фазы и ее жидкого конденсата. На основе закона сохранения массы вещества на контрольном участке получена формула связи величины истинного объемного паросодержания с измеренным объемом добавочной воды.The invention implements a method for determining the true volumetric steam content, which is the main characteristic of a vapor-liquid flow, through an auxiliary measurement of the volume of additional water, replacing the difference between the volumes of the vapor phase and its liquid condensate. On the basis of the law of conservation of mass of matter in the control area, a formula has been obtained for the relationship between the value of the true volumetric steam content and the measured volume of additional water.

После достижения установившегося режима движения пароводяного потока на участке трубопровода 1 с помощью датчиков давления 2 и датчика температуры 3 (см.Фигура) производят измерение давления и температуры потока на отсекаемом участке 1. Датчики давления 4 и 5 используются для дополнительного контроля давления до и после перекрываемого участка. Затем отсекаемый участок 1 одновременно перекрывается синхронизированными быстродействующими клапанами 6 и 7. Пароводяной поток при этом отклоняется от измерительной линии и направляется через открываемый клапан 8 по байпасной линии (см. Фигура). Следующим шагом является внешнее охлаждение отсекаемого объема до полной конденсации в нем паровой фазы. Принудительное охлаждение отсекаемого объема осуществляется создаваемым с помощью вентилятора направленным воздушным или капельно-воздушным потоком. Процесс конденсации пара сопровождается падением давления и созданием разрежения в отсеченном объеме 1. При падении давления ниже атмосферного, открывается вентиль 9 (см. Фигура), установленный на линии соединения отсекаемого объема 1 с мерным сосудом 10, заполненным водой. Вода под действием атмосферного давления из мерного сосуда 10 поступает в исследуемый объем 1 до полной конденсации содержащегося в нем пара. По известным свободному объему отсекаемого участка 1 и измеренному объему добавочной воды можно определить среднее истинное объемное паросодержание в отсекаемом потоке. Для этого используются следующие уравнения баланса масс.After reaching the steady-state motion of the steam-and-water flow in the pipeline section 1, pressure sensors 2 and temperature sensor 3 (see Figure) are used to measure the pressure and temperature of the flow in the shut-off area 1. Pressure sensors 4 and 5 are used for additional pressure control before and after the overlapped plot. Then, the cut-off section 1 simultaneously overlaps with synchronized high-speed valves 6 and 7. The steam-water flow thus deviates from the measuring line and is directed through the opening valve 8 via the bypass line (see the Figure). The next step is external cooling of the cut-off volume to complete condensation of the vapor phase in it. Forced cooling of the cut-off volume is carried out by the directed air or droplet-air flow created by the fan. The process of vapor condensation is accompanied by a drop in pressure and the creation of a vacuum in the cut-off volume 1. When the pressure drops below atmospheric, valve 9 opens (see Figure) installed on the connecting line of the cut-off volume 1 with the measuring vessel 10 filled with water. Water under the action of atmospheric pressure from the measuring vessel 10 enters the investigated volume 1 until complete condensation of the vapor contained in it. From the known free volume of the cut-off area 1 and the measured volume of additional water, it is possible to determine the average true volumetric steam content in the cut-off flow. The following mass balance equations are used for this.

Масса пароводяной смеси М в отсекаемой части потока:The mass of steam-water mixture M in the cut-off part of the stream:

(1)(one)

где

Figure 00000001
- свободный объем отсекаемого участка ( или объем пористого пространства на участке для канала с пористой внутренней структурой, например, в виде плотной упаковки шаровых частиц );Where
Figure 00000001
 - the free volume of the cut-off area (or the volume of the porous space in the area for the channel with a porous internal structure, for example, in the form of a dense packing of spherical particles);

Figure 00000002
,
Figure 00000003
 - плотности пара и воды на линии насыщения при рабочем давлении p1 в потоке;
Figure 00000002
 ,
Figure 00000003
 - density of steam and water at the saturation line at the working pressure p 1 in the stream;

ϕ - истинное объемное паросодержание в потоке при рабочем давлении p1.ϕ is the true volumetric steam content in the stream at operating pressure p 1 .

После конденсации пара и охлаждения жидкости до температуры t2, меньшей температуры насыщения, для этой же массы будет справедливо следующее равенство:After condensation of steam and cooling the liquid to a temperature t 2 below the saturation temperature, the following equality will be true for the same mass:

(2)(2)

где

Figure 00000004
- объем добавочной воды;Where
Figure 00000004
 - volume of additional water;

Figure 00000005
- плотность воды при конечной температуре смешения t2.
Figure 00000005
 is the density of water at the final mixing temperature t 2 .

Приравнивая (1) и (2) получаем формулу для определения среднего истинного объемного паросодержания в потоке под рабочим давлением p1:Equating (1) and (2) we obtain the formula for determining the average true volumetric steam content in the stream under the operating pressure p 1 :

Figure 00000006
Figure 00000006
. (3). (3)

Метод применим для измерения истинного объемного паросодержания в каналах со свободным проходным сечением, а также каналах, содержащих проницаемые насадки, например, в виде упаковок твердых частиц. Способ реализован на физической установке “Высокотемпературный контур” Института систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН для измерения истинного объемного паросодержания при движении двухфазного потока в канале, заполненном неподвижными твердыми шаровыми частицами, а также свободном от них. The method is applicable for measuring the true volumetric steam content in channels with free flow cross section, as well as channels containing permeable nozzles, for example, in the form of packages of solid particles. The method is implemented on the physical installation “High Temperature Circuit” of the Institute of Energy Systems named after L.A. Melentyeva SB RAS to measure the true volumetric steam content when moving two-phase flow in a channel filled with fixed solid ball particles, as well as free from them.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На Фигуре показана схема измерения истинного объемного паросодержания. Схема измерения включает в себя: участок трубопровода 1 с быстродействующими отсечными клапанами 6 и 7, байпасную линию с краном 8, мерный сосуд 10 с известным объемом воды, подключаемый к отсекаемому участку при помощи вентиля 9, измерители давления 4 и 5 до и после отсекаемого участка, измеритель давления 2 в отсекаемом участке 1, измеритель температуры 3 в отсекаемом участке 1.The Figure shows the measurement of true volumetric steam content. The measurement scheme includes: a pipeline section 1 with high-speed shut-off valves 6 and 7, a bypass line with a crane 8, a measuring vessel 10 with a known volume of water, connected to the shut-off section using a valve 9, pressure gauges 4 and 5 before and after the cut-off section , the pressure gauge 2 in the cut off area 1, the temperature gauge 3 in the cut off area 1.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Порядок осуществления способа измерения истинного объемного паросодержания следующий:The procedure for implementing the method for measuring true volumetric steam content is as follows:

1. В исходном состоянии краны 6,7 открыты для беспрепятственного движения потока пароводяной смеси, кран 8 и вентиль 9 закрыты, мерный сосуд 10 заполнен водой до начального контрольного уровня.1. In the initial state, the taps 6,7 are open for the smooth flow of the steam-water mixture, the valve 8 and the valve 9 are closed, the measuring vessel 10 is filled with water to the initial control level.

2. Предварительно определен свободный объем

Figure 00000001
отсекаемого участка 1.2. Pre-determined free volume
Figure 00000001
 cut off area 1.

3. Производится измерение давления p1 (датчик 2) и температуры t1 (датчик 3) парожидкостного потока в канале. По данным измерений и таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара определяются плотности паровой

Figure 00000007
и жидкой
Figure 00000008
фаз в потоке.3. The pressure p 1 (sensor 2) and temperature t 1 (sensor 3) of the vapor-liquid flow in the channel are measured. According to the measurement data and the table of thermophysical properties of water and water vapor are determined by the density of steam
Figure 00000007
and liquid
Figure 00000008
phases in the stream.

4. Выполняется одновременное закрытие отсечных клапанов 6, 7 и открытие клапана 8.4. Simultaneous closing of shut-off valves 6, 7 and opening of valve 8 is performed.

5. В отличие от известного метода отсечки потока, в котором используется последующее гравитационное разделение фаз с измерением объемов жидкой и газовой составляющих смеси, в предлагаемом методе после закрытия отсечных клапанов используется перевод всей смеси в жидкое состояние путем принудительного охлаждения отсеченного участка 1. Охлаждение парожидкостной смеси вызывает конденсацию паровой фазы, сопровождаемую понижением давления в отсеченном объеме.5. Unlike the well-known flow cut-off method, which uses the subsequent gravitational phase separation with measurement of volumes of the liquid and gas components of the mixture, in the proposed method, after closing the shut-off valves, the entire mixture is liquidized by forced cooling of the cut-off section 1. Cooling the vapor-liquid mixture causes condensation of the vapor phase, followed by a decrease in pressure in the cut-off volume.

Образующийся конденсат при этом стекает вниз и смешивается с содержащейся в исходной двухфазной смеси жидкой компонентой.The resulting condensate in this case flows down and mixes with the liquid component contained in the initial two-phase mixture.

6. После снижения давления ниже атмосферного открывается вентиль 9, и производится заполнение отсеченного участка добавочной водой, приводящее к полной конденсации содержащегося в нем пара.6. After the pressure drops below atmospheric, the valve 9 opens, and the cut-off area is filled with additional water, leading to complete condensation of the vapor contained in it.

7. Фиксируются конечный уровень в мерном сосуде 10 и определяется объем добавочной воды Vдоб.7. Fixed final level in the measuring vessel 10 and is determined by the amount of additional water V ext .

8. Измеряются конечная температура смешения t2 и давление p2 при помощи датчиков давления 2 и температуры 3 внутри отсеченного участка 1, и с помощью таблицы теплофизических свойств воды определяется ее плотность ρ2.8. The final mixing temperature t 2 and pressure p 2 are measured using pressure sensors 2 and temperature 3 inside the cut-off section 1, and its density ρ 2 is determined using the table of thermophysical properties of water.

9. Полученные величины подставляются в формулу (3) для нахождения истинного объемного паросодержания ϕ в исследуемом двухфазном потоке.9. The obtained values are substituted into formula (3) to find the true volumetric steam content ϕ in the two-phase flow under study.

Claims (1)

Способ определения истинного объемного паросодержания в двухфазном потоке под давлением, заключающийся в том, что определяют плотности паровой ρ1'' и жидкой ρ1' фаз в потоке в канале, отсекают участок предварительно определенного свободного объема V0, в отсекаемом участке осуществляют полную конденсацию паровой фазы, а освобождаемое при этом пространство заполняют измеряемым объемом добавочной воды Vдоб, после чего определяют плотность воды при конечной температуре смешения ρ2, значения ρ1', р1'', ρ2, Vдоб и V0 используют для определения истинного объемного паросодержания.The method of determining the true volumetric steam content in a two-phase flow under pressure, which consists in determining the density of the steam ρ 1 "and liquid ρ 1 'phases in the flow in the channel, cut off a portion of a predetermined free volume V 0 phase and thus vacated space is filled with the measured amount of make-up water V ext, after which the density of water at the final temperature of mixing ρ 2, the values of ρ 1 ', p 1' ', ρ 2, V ext and V 0 is used for the definition Ia true volumetric void fraction.
RU2018108941A 2018-03-12 2018-03-12 Method of determination of true volumetric steam content RU2685016C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018108941A RU2685016C1 (en) 2018-03-12 2018-03-12 Method of determination of true volumetric steam content

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018108941A RU2685016C1 (en) 2018-03-12 2018-03-12 Method of determination of true volumetric steam content

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2685016C1 true RU2685016C1 (en) 2019-04-16

Family

ID=66168315

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018108941A RU2685016C1 (en) 2018-03-12 2018-03-12 Method of determination of true volumetric steam content

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2685016C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001272494A (en) * 2000-03-23 2001-10-05 Japan Atom Energy Res Inst Method for instantaneously measuring void fraction in flow path containing gas-liquid two-phase flow
RU2186377C1 (en) * 2001-01-16 2002-07-27 Федеральное государственное унитарное дочернее предприятие Электрогорский научно-исследовательский центр по безопасности атомных электростанций ВНИИ по эксплуатации атомных электростанций Procedure determining true volumetric content of steam
JP2009210500A (en) * 2008-03-06 2009-09-17 Japan Atomic Energy Agency Method and device for measuring void fraction of microchannel
RU2551386C2 (en) * 2013-08-27 2015-05-20 Александр Васильевич Коваленко Method of determination of actual volume steam content and velocities of wet steam flow in steam line downstream assembly for overheated steam and water mixing

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001272494A (en) * 2000-03-23 2001-10-05 Japan Atom Energy Res Inst Method for instantaneously measuring void fraction in flow path containing gas-liquid two-phase flow
RU2186377C1 (en) * 2001-01-16 2002-07-27 Федеральное государственное унитарное дочернее предприятие Электрогорский научно-исследовательский центр по безопасности атомных электростанций ВНИИ по эксплуатации атомных электростанций Procedure determining true volumetric content of steam
JP2009210500A (en) * 2008-03-06 2009-09-17 Japan Atomic Energy Agency Method and device for measuring void fraction of microchannel
RU2551386C2 (en) * 2013-08-27 2015-05-20 Александр Васильевич Коваленко Method of determination of actual volume steam content and velocities of wet steam flow in steam line downstream assembly for overheated steam and water mixing

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Martinelli et al. Isothermal pressure drop for two-phase two-component flow in a horizontal pipe
Barbosa Jr et al. Liquid entrainment, droplet concentration and pressure gradient at the onset of annular flow in a vertical pipe
CN109883894B (en) Ultrahigh-temperature ultrahigh-pressure steady-state gas-water permeability testing device and testing method
US8516900B2 (en) Multiphase flowmeter with batch separation
RU2685016C1 (en) Method of determination of true volumetric steam content
Sinor et al. Vapor‐liquid phase behavior of the helium‐methane system
Mohrlok et al. The influence of a low viscosity oil on the pool boiling heat transfer of the refrigerant R507
US4034597A (en) Method and apparatus for measuring steam quality
US20150355115A1 (en) Calibrating an X-Ray Based Multiphase Flow Meter
NO20160503A1 (en) Inline multiphase densitometer
Yin et al. Characteristics of liquid loading with surfactant injection in hilly terrain pipeline
CN210037534U (en) Ultra-high temperature and ultra-high pressure steady-state gas-water phase seepage testing device
Kao Vapor-liquid equilibrium of water-hydrogen chloride system
Tairov Method of measuring void fraction in a channel with porous media
CN105987854A (en) Full-automatic crude oil water content distillation measurement method using weighing-type plunger reciprocating suction sampling
Spall Phase equilibria in the system sulphur dioxide‐water from 25–300° c
US1314249A (en) Calobimetric method of and apparatus for measuring- steam-flow
US1299540A (en) Method for measuring the rate of flow of aqueous fluids.
Richon et al. 6 Vapour—liquid equilibrium at high pressure
Stuart et al. Fluid Flow Through Two Orifices in Series—II
US1508519A (en) Head meter
RU2244855C1 (en) Method of and stand for determining cavitation characteristics of pumps
Novruzova et al. Possibility of vortex separation ejector application in the collection and separation of gas
RU2243536C1 (en) Method of determining gas concentration in liquid
Kitanin et al. Method of measuring the quantity of air liberated in aviation fuel flow at low pipeline pressure

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200313