moi-zag-dom.ru
Тепловые расходомеры

MattM6
10.12.2014, 21:08


 

Г. И. Сычев 

Руководитель направления Расходомеры 

ООО «Спиракс-Сарко Инжиниринг»


Свойства водяного пара 
Проблемы измерения расхода
Расходомеры переменного перепада давления
Ультразвуковые расходомеры
Вихревые расходомеры
Другие типы расходомеров 
Точность измерения расхода пара зависит от целого ряда фак­торов. Один из них – степень его сухости. Часто этим показа­телем пренебрегают при подборе приборов учета и измерения, и совершенно напрасно. Дело в том, что насыщенный влажный пар по сути является средой двухфазной, и это вызывает ряд проблем в измерении его массового расхода и тепловой энер­гии. Как решить эти проблемы, мы сегодня разберемся.

Свойства водяного пара 


Для начала, определимся с терминологией и выясним, каковы особенности влажного пара. 
Насыщенный пар – водяной пар, находящийся в термодинами­ческом равновесии с водой, давление и температура которого связаны между собой и располагаются на кривой насыщения (рис.1), определяющей температуру кипения воды при данном давлении. 
Перегретый пар – водяной пар, нагретый до температуры выше температуры кипения воды при данном давлении, получаемый, например, из насыщенного пара путем дополнительного нагре­ва. 
Сухой насыщенный пар (рис.1) – бесцветный прозрачный газ, является гомогенной, т.е. однородной средой. В некоторой сте­пени это абстракция, так как получение его затруднительно: в природе он встречается только в геотермальных источниках, а производимый паровыми котлами насыщенный пар не является сухим – типичные значения степени сухости для современных котлов 0,95-0,97. Чаще всего степень сухости еще ниже. Кроме того, сухой насыщенный пар метастабилен: при поступлении тепла извне он легко становится перегретым, а при отдаче теп­ла - влажным насыщенным [1].

Рисунок 1. Линия насыщения водяного пара
Влажный насыщенный пар (рис.2) представля­ет собой механическую смесь сухого насыщенно­го пара с взвешенной мел­кодисперсной жидкостью находящейся с паром в термодинамическом и ки­нетическом равновесии. Флуктуация плотности га­зовой фазы, наличие по­сторонних частиц, в том числе несущих электриче­ские заряды – ионы, при­водит к возникновению центров конденсации, носящей гомогенный ха­рактер. По мере роста влажности насыщенно­го пара, например, из-за тепловых потерь или повышения давления, мельчайшие капельки воды становятся центрами конденсации и по­степенно растут в размерах, а насыщенный пар становится гетерогенным, т.е. двухфазной сре­дой (пароконденсатной смесью) в виде тумана. Насыщенный пар, представляющий газовую фазу пароконденсатной смеси, при движении передает часть своей кинетической и тепло­вой энергии жидкой фазе. Газовая фаза потока несет в своем объеме капельки жидкой фазы, но скорость жидкой фазы потока существен­но ниже скорости его паровой фазы. Влажный насыщенный пар может формировать границу раздела, например, под воздействием гравита­ции. Структура двухфазного потока при конден­сации пара в горизонтальных и вертикальных трубопроводах меняется в зависимости от со­отношения долей газовой и жидкой фаз (рис.3).

Рисунок 2. PV-диаграмма водяного пара

Рисунок 3. Структура двухфазного потока в горизонтальном трубопроводе
Характер течения жидкой фазы зависит от соотношения сил трения и сил тяжести, и в горизонтально расположенном трубо­проводе (рис.4) при высокой скорости пара течение конденсата может оставаться пленочным, как и в вертикальной трубе, при средней может приобретать спиралевидную форму (рис.5), а при низкой пленочное течение наблюдается только на верхней внутренней поверхности трубопровода, а в нижней формирует­ся непрерывный поток, «ручей» [2].
Таким образом, в общем случае поток пароконденсатной сме­си при движении представляет собой три составляющих: сухой насыщенный пар, жидкость в виде капель в ядре потока и жид­кость в виде пленки или струи на стенках трубопровода. Каждая из этих фаз имеет свою скорость и температуру, при этом при движении пароконденсатной смеси возникает относительное скольжение фаз [3]. Математические мо­дели двухфазного течения в паропро­воде влажного насы­щенного пара пред­ставлена в работах [4, 5].

Рисунок 4. Структура двухфазного потока в вертикальном трубопроводе

Рисунок 5. Спиралевидное движе­ние конденсата.

Проблемы измерения расхода


Измерение массового расхода и тепловой энергии влажного на­сыщенного пара связано со следующими проблемами:
1. Газовая и жидкая фазы влажного насыщенного пара движут­ся с различной скоростью и занимают переменную эквива­лентную площадь поперечного сечения трубопровода;
2. Плотность насыщенного пара возрастает по мере роста его влажности, причем зависимость плотности влажного пара от давления при различной степени сухости неоднозначна;
3. Удельная энтальпия насыщенного пара снижается по мере роста его влажности.
4. Определение степени сухости влажного насыщенного пара в потоке затруднительно. 
Вместе с тем, повышение степени сухости влажного насыщенно­го пара возможно двумя известными способами: «мятием» пара (снижением давления и, соответственно, температуры влажного пара) с помощью редукционного клапана и отделением жидкой фазы с помощью сепаратора пара и конденсатоотводчика. Со­временные сепараторы пара обеспечивают почти 100% осуше­ние влажного пара.
Измерение расхода двухфазных сред – крайне сложная задача, до сих пор не вышедшая за пределы исследовательских лабо­раторий. Это в особой степени касается пароводяной смеси [6].
Большинство расходомеров пара являются скоростными, т.е. измеряют скорость потока пара. К ним относятся расходомеры переменного перепада давления на базе сужающих устройств, вихревые, ультразвуковые, тахометрические, корреляционные, струйные расходомеры. Особняком стоят кориолисовые и те­пловые расходомеры, непосредственно измеряющие массу протекающей среды.
Рассмотрим, как различные виды расходомеров справляются со своей задачей, если имеют дело с влажным паром.

Расходомеры переменного перепада давления


Расходомеры переменного перепада давления на базе сужаю­щих устройств (диафрагм, сопел, труб Вентури и других местных гидравлических сопротивлений) до сих пор являются основным средством измерения расхода пара. Однако, в соответствии с подразделом 6.2 ГОСТ Р 8.586.1-2005 «Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом перепада давления»: По условиям применения стандартных сужающих устройств, кон­тролируемая «среда должна быть однофазной и однородной по физическим свойствам» [8]: 
При наличии в трубопроводе двухфазной среды пара и воды из­мерение расхода теплоносителя приборами переменного пере­пада давления с нормированной точностью не обеспечивается [9]. В этом случае «можно было бы говорить об измеренном рас­ходе паровой фазы (насыщенного пара) потока влажного пара при неизвестном значении степени сухости» [10].
Таким образом, применение таких расходомеров для измере­ния расхода влажного пара приведет к недостоверным показа­ниям [11].
Оценка возникающей методической погрешности (до 12% при давлении до 1 МПа и степени сухости 0,8) при измерении влаж­ного пара расходомерами переменного перепада давления на базе сужающих устройств проведена в работе [12].

Ультразвуковые расходомеры


Ультразвуковые расходомеры, успешно применяемые при изме­рении расхода жидкостей и газов, ещё не нашли широкого приме­нения при измерении расхода пара, несмотря на то, что отдель­ные их типы выпускаются серийно [13] или были анонсированы производителем [14]. Проблема заключается в том, что ультра­звуковые расходомеры, реализующие доплеровский принцип из­мерений, основанный на сдвиге частоты ультразвукового луча, не пригодны для измерения перегретого и сухого насыщенного пара из-за отсутствия неоднородностей в потоке, необходимых для от­ражения луча, а при измерении расхода влажного пара сильно занижают показания из-за отличия скоростей газовой и жидкой фазы. Ультразвуковые расходомеры времяимпульсного типа наоборот неприменимы для влажного пара из-за отражения, рас­сеивания и преломления ультразвукового луча на каплях воды.

Вихревые расходомеры


Вихревые расходомеры разных производителей при измерении влажного пара ведут себя неодинаково. Это определяется как конструкцией первичного преобразователя расхода, принципа детектирования вихрей, электронной схемы, так и особенно­стями программного обеспечения. Принципиальным является влияние конденсата на работу чувствительного элемента. В некоторых конструкциях «серьезные проблемы возникают при измерении расхода насыщенного пара, когда одновременно в трубопроводе существует газовая и жидкая фаза. Вода кон­центрируется вдоль стенок трубы и препятствует нормальному функционированию датчиков давления, установленных запод­лицо со стенкой трубы» [15]. В других конструкциях конденсат может затапливать сенсор и блокировать измерение расхода вовсе. Зато у некоторых расходомеров это практически не влия­ет на показания.
Кроме этого, двухфазный поток, набегая на тело обтекания, фор­мирует целый спектр вихревых частот, связанных как со скоро­стью газовой фазы, так и со скоростями жидкой фазой (капель­ ной формы ядра потока и пленочной или струйной пристеночной области) влажного насыщенного пара. При этом амплитуда вих­ревого сигнала жидкой фазы может быть весьма значительной и, если электронная схема не предполагает цифровой фильтрации сигнала с помощью спектрального анализа и специального ал­горитма выделения «истинного» сигнала, связанного с газовой фазой потока, что характерно для упрощенных моделей рас­ходомеров, то будет происходить сильное занижение показаний расхода. Лучшие модели вихревых расходомеров обладают си­стемами DSP (цифровой обработки сигнала) и SSP (спектральной обработки сигнала на основе быстрого преобразования Фурье), которые позволяют не только повысить отношение сигнал/шум, выделить «истинный» вихревой сигнал, но и устранить влияние вибраций трубопровода и электрических помех. 
Несмотря на то, что вихревые расходомеры предназначены для измерения расхода однофазной среды, в работе [16] показано, что они могут быть использованы для измерения расхода двух­фазных сред, в том числе, пара с каплями воды при некоторой деградации метрологических характеристик. 
Влажный насыщенный пар со степенью сухости свыше 0,9 по экспериментальным исследованиям EMCO и Spirax Sarco мож­но считать гомогенным и за счет «запаса» по точности расходо­меров PhD и VLM (±0,8-1,0%), показания массового расхода и тепловой мощности будут находиться в пределах погрешно­стей, нормированных в [17]. 
При степени же сухости 0,7-0,9 относительная погрешность из­мерений массового расхода этих расходомеров может дости­гать десяти и более процентов. 
Другие исследования, например, [18] дают более оптимисти­ческий результат – погрешность измерения массового расхода влажного пара соплами Вентури на специальной установке для калибровки расходомеров пара находится в пределах ±3,0% для насыщенного пара со степенью сухости свыше 0,84. 
Чтобы избежать блокирования чувствительного элемента вих­ревого расходомера, например, чувствительного крыла конден­сатом, некоторые производители рекомендуют ориентировать первичный преобразователь таким образом, чтобы ось чувстви­тельного элемента была параллельна поверхности раздела пар/конденсат. 

Другие типы расходомеров 


Расходомеры переменного перепада/переменной площади, обтекания с подпружиненной заслонкой и мишенные перемен­ной площади не допускают измерение двухфазной среды из-за возможного эрозионного износа проточной части при движении конденсата. 
Принципиально только массовые расходомеры кориолисового типа могли бы измерять двухфазную среду, однако исследова­ния [19] показывают, что погрешности измерений кориолисовых расходомеров в значительной степени зависят от соотношения долей фаз, а «попытки разработать универсальный расходомер для многофазных сред скорее ведут в тупик». В тоже время ко­риолисовые расходомеры интенсивно развиваются [20], и, воз­можно, успех будет достигнут уже скоро, но пока таких промыш­ленных средств измерений на рынке нет.
Продолжение следует. 
Литература:
1. Rainer Hohenhaus. How useful are steam measurements in the wet steam area?// METRA Energie-Messtechnik GmbH, November, 2002.
2. Good Practice Guide Reducing energy consumption costs by steam metering. // Ref. GPG018, Queen’s Printer and Controller of HMSO, 2005
3. Коваленко А.В. Математическая модель двухфазного течения влажного пара в паропроводах.
4. Тонг Л. Теплопередача при кипении и двухфазное течение.- М.: Мир,1969.
5. Теплопередача в двухфазном потоке. Под ред. Д. Баттерворса и Г. Хъюитта.// М.: Энергия, 1980.
6. Ломшаков А.С. Испытание паровых котлов. СПб, 1913.
7. Jesse L. Yoder. Using meters to measure steam flow// Plant Engineering,- April 1998.
8. ГОСТ Р 8.586.1-2005. Измерение расхода и количества жидкостей и газов ме­тодом перепада давления.
9. Коваль Н.И., Шароухова В.П. О проблемах измерения насыщенного пара.// УЦСМС, Ульяновск
10. Кузнецов Ю.Н., Певзнер В.Н., Толкачев В.Н. Измерение насыщенного пара сужающими устройствами //Теплоэнергетика. – 1080.- №6.
11. Робинштейн Ю.В. О коммерческом учете пара в паровых системах тепло­снабжения.// Материалы 12-й научно-практической конференции: Совершен­ствование измерений расхода жидкости, газа и пара,- СПб.: Борей-Арт, 2002.
12. Абаринов, Е. Г., К.С. Сарело. Методические погрешности измерения энергии влажного пара теплосчетчиками на сухой насыщенный пар // Измерительная техника. - 2002. - №3.
13. Бобровник В.М. Бесконтактные расходомеры «Днепр-7» для учета жидкостей, пара и нефтяного газа. //Коммерческий учет энергоносителей. Материалы 16-й международной научно-практической конференции,- СПб.: Борей-Арт, 2002.
14. DigitalFlow™ XGS868 Steam Flow Transmitter. N4271 Panametrics, Inc., 4/02.
15. Богуш М.В. Развитие вихревой расходометрии в России.
16. Engineering Data Book III, Chapter 12, Two Phase Flow Patterns, Wolverine Tube, Inc. 2007
17. П-683 «Правила учета тепловой энергии и теплоносителя», М.:, МЭИ, 1995.
18. A. Amini and I. Owen. The use of critical flow venturi nozzles with saturated wet steam. //Flow Meas. lnstrum., Vol. 6, No. 1, 1995
19. Кравченко В.Н., Риккен М. Измерения расхода с помощью кориолисовых рас­ходомеров в случае двухфазного потока.//Коммерческий учет энергоносите­лей. XXIV международная научно-практическая конференция,- СПб.: Борей- Арт, 2006.
20. Richard Thorn. Flow Measurement. CRC Press LLC, 1999

Источник: http://www2.spiraxsarco.com/ru/steam-academy/acade...


Просмотров: 946 Комментариев: 7

Похожие публикации
Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Введите код: *
Кулинария салаты с консервированной кукурузой
Copyright © 2014, moi-zag-dom.ru. Все права защищены.