Verfahren zur Bestimmung der Dampffeuchtigkeit durch Messen der
Enthalpieänderung und Vorrichtung zu seiner Durchführung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Dampffeuchtigkeit durch Messen der Enthalpieänderung.
Von den bisher bekannten Methoden des Messens der Dampffeuchtigkeit sei zunächst die Separationsmethode erwähnt, die grösstenteils durch Mess- methoden überholt ist, die sich des bekannten Dros selkalorimeters bedienen. Ihr Nachteil besteht darin, dass die Messungen mühsam und zeitraubend sind, wobei in den meisten Fällen nicht die Ergebnisse erzielt werden, die unerlässlich sind, insbesondere eine genügende Genauigkeit. So ist es z. B. nicht möglich, die Messmethode mit einem Drosselkalorimeter bei dem Austrittsdampf von Kondensationsturbinen anzuwenden, da sich auch bei einer gro ssen isenthalpischen Expansion der aus der Endstufe der Turbine strömende Nassdampf in einen über- hitzten Dampf nicht überführen lässt.
Für den wirtschaftlichen Betrieb von Wärme- kraftanlagen ist eine ständige Kenntnis der Dampffeuchtigkeit von besonderer Bedeutung, denn sie ermöglicht das Verfolgen des Wirkungsgrades der Dampfturbinen. Ebenso für die konstruktive Entwicklnung von Turbinen sind Erkenntnisse über die Strömung des Nassdampfes in der Rohrleitung und vor den Wärmeaustauschern von ausschlaggebender Bedeutung. Ebenso wichtig und notwendig ist, die Dampffeuchtigkeit in den Überhitzern bei den Dampfkesseln zu kennen. Die so gewonnenen Erkenntnisse dienen zur Feststellung der Turbinencharakteristik während des Betriebes. Es wurde bereits verschiedentlich angestrebt, Verfahren zu finden, die ein schnelles Messen erlauben würden.
Die vorliegende Erfindung löst diese schwierige Aufgabe dadurch, dass dem Nassdampf so viel Wärme zugeführt wird, dass derselbe in den Zustand über- hitzten Dampfes und dann durch Zuführung weiterer Wärme in den Zustand einer höheren tuber- hitzung übergeht,
wobei aus dem Anstieg der Enthalpie vom Zustand der niedrigeren in den Zustand der höheren Dberhitzung und aus dem Ver hältnis der dem Dampf in den erwähnten zwei Erhitzungsstufen zugeführten Wärmeengen der Anstieg der Enthalpie vom unbekannten Zustand des Nassdampfes in den Zustand der niedrigeren tuber- hitzung bestimmt und somit auch der jeweilige Feuchtigkeitsgrad des Nassdampfes festgestellt wird.
Die Anwendung der vorgeschlagenen Messingeinrichtungen ist selbstredend nicht nur auf Wärme- kraftanlagen beschränkt, sondern kann überall dort ausgenützt werden, wo die ständige Kenntnis der jeweiligen Dampffeuchtigkeit betriebstechnisch wichtig ist, wie z. B. in der chemischen Industrie u. a. m.
Das erfindungsgemässe Verfahren beruht im wesentlichen auf folgendem Prinzip : Wird dem Nassdampf, dessen Temperatur mit to, der Druck mit Po und der unbekannte Feuchtigkeitsgrad mit oxo bezeichnet sei, mittels der Heizleistung eines Mess- fühlers eine entsprechende mit Q t bezeichnete Wärmemenge zugeführt, so geht der Dampf in einen ganz bestimmten Zustand des überhitzten Dampfes über, dessen Temperatur mit t1 und den Druck mit p, bezeichnet werden.
Wird nun diesem so überhitzten Dampf durch zusätzliche Beheizung des Mess- fühlers eine mit Q2 bezeichnete weitere Wärme- menge zugeführt, so geht der Dampf in einen ganz bestimmten Zustand der höheren fJberhitzung über, bei welchem die Temperatur mit t2 und der Druck mit P2 bezeichnet seien. D. ie Drucke po, pi und p2 können gleich gross sein. Im allgemeinen muss jedoch angenommen werden, dass nicht immer eine isoba- rische Änderung gegeben sein wird und somit auch die Drücke nicht unverändert bleiben.
Für den Anstieg der Enthalpie gelten allgemein die nachfolgenden Beziehungen :
Der Anstieg von dem Zustand, der charakterisiert ist durch die Parameter to und po, in einen Zustand, der charakterisiert ist durch die Parameter tl und pl, ist gegeben durch : S il = Q1
M
Der Anstieg vom Zustand, der charakterisiert ist durch die Parameter t, und pr, in einen Zustand, der charakterisiert ist durch die Parameter t2 und P2, ist gegeben durch : z1 i2 = Q2
M wobei M die unbekannte Dampfdurchflussmenge bedeutet.
Ein Vergleich der beiden Enthalpie-Differenzen ergibt : i1 i2 Q2
Id i2 Q2
Daraus folgt nun, dass das gegenseitige Verhält- nis der Enthalpie-Differenz weder von der Dampfdurchflussmenge noch von der Dampfdurchflussge- schwindigkeit abhängt. Nachdem weiters Q1 sowie Q2 durch die messbaren Werte der für den elek trischen Heizkörper jeweils nötigen Heizleistungen gegeben sind und da ferner die Grösse der Enthal pie-Differenz J i2 aus einem Wävrmediagramm, z.
B. aus dem JS-Diagramm, dem JP-Diagramm bzw. dem JT-Diagramm direkt abgelesen werden kann, ist man imstande,. lit aus der Gleichung
Q, Ai, zu zu berechnen und bei Anwendung des dem jeweiligen Betriebsverhältnis entsprechenden Wärmedia- gramms den Feuchtigkeitsgrad des untersuchten Nassdampfes direkt festzustellen.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert, die in Fig. 1 ein JS-Diagramm darstellt. In dieser Zeichnung bedeutet die voll ausgezogene Linie den linken sowie den rechten Teil der Grenzkurve mit dem darin eingetragenen kritischen Punkt. Aus diesem Diagramm sind weiters die Isobaren ersichtlich, die den Drücken pu, pi und p. entsprechen, ferner die Isothermen, die sich auf die Temperaturen to, ti und t2 beziehen. Weiters enthält das Diagramm ein System von Kurven gleichen Feuchtigkeitsgrades x, die durch gestrichelte Linien dargestellt sind. Die stärker ausgezogene gestrichelte Linie bezeichnet eine Kurve mit dem gesuchten Feuchtigkeitsgrad xo.
Die eingetragenen Punkte A, B und C kennzeichnen die jeweiligen Zustände des Nassdampfes bzw. des über- hitzten Dampfes. Der Punkt A entspricht den Parametern pu, to und xo des Nassdampfes, der Punkt B den Parametern pu, tri des überhitzten Dampfes und der Punkt C den Parametern P2, t2 des in der weiteren Stufe überhitzten Dampfes. Die Enthalpie Differenz der Zustände A-B, bezeichnet mit J ill ist durch die Lage der Punkte D-E gegeben, die Enthalpie-Differenz der Zustände B-C, mit J i2 bezeichnet, erscheint gegeben durch die Lage der Punkte E-C.
Zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens werden drei beispielsweise Varianten von Vorrichtungen vorgeschlagen und in den Fig. 2 bis 4 schematisch dargestellt, die sich eines dem jeweiligen Zweck angepassten Messfühlers bedienen. Der Mess- fühler ist als ein zylindrischer Hohlkörper ausgeführt, der so angebracht wird, dass er vom Nassdampf durchflossen bzw. auch umflossen wird.
Mit dem Eintrittsteil beginnend, befinden sich in dem Messfühl, er Messstellen für die Messung des Druckes pO des den Fühler umfliessenden Dampfes, weiters Messstellen für die Messung des Drukkes pO und der Temperatur to des den Fühler durchfliessenden Nassdampfes und ein Heizkörper, der elektrisch beheizt wird und welcher dem Nassdampf, der die Parameter po, to, xo aufweist, die Wärme- menge Qt zuführt. Durch deren Zuführung geht der Nassdampf in den Zustand des überhitzten Dampfes mit den Parametern P1, tl über.
Anschliessend sind vorgesehen : Messstellen für das Messen des Druckes p, und der Temperatur t, des in der vorhergehenden Stufe überhitzten Dampfes, ein weiterer elektrisch beheizter Heizkörper, der dem überhitz- ten Dampf mit den Parametern pl, t, eine weitere Wärmemenge Q2 zuführt. Durch Zuführung dieser zusätzlichen Wärmemenge geht der Dampf in den durch die Parameter p", gegebenen Zustand über.
Weiters folgen Messstellen für die Messung des Druckes p., und der Temperatur t2 des Dampfes nach der zweiten Uberhitzung. Der Austrittsteil des Messfühlers mündet in ein Austrittsrohr.
In Fig. 2 bedeutet 1 einen zylindrischen Hohlkörper des Fühlers, 2 sind Messstellen zum Messen der Drücke innerhalb des Messfühlers, die durch ein gemeinsames Rohr verbunden sind, an dessen Austritt 3 ein Mikromanometer angebracht ist. 2a sind Messstellen des Druckes pOn 2b Messstellen des Druckes pl und 2c Messstellen des Druckes P2. Mit 4 sind Messstellen bezeichnet, die zum Messen des Druckes des umfliessenden Dampfes dienen, welche durch ein gemeinsames Verbindungsrohr verbunden sind, an dessen Austritt 5 ein Mikromanometer (nicht eingezeichnet) angebracht ist. 6 bezeichnet die Mess- stellen zum Messen der Temperaturen innerhalb des Messfühlers durch Thermoelemente.
Diese Mess- stellen sind ebenfalls durch ein gemeinsames Verbindungsrohr verbunden, durch das die Leitungsdrähte der Thermoelemente herausgeführt sind. 6a bezeichnet die Messstellen der Temperatur to, 6b der Temperatur ti und 6c der Temperatur t2. 8 sind Heizkörper, durch die der Dampf fliesst, wobei der Heizkörper 8a für die erste und der Heizkörper 8b für die nachfolgende Uberhitzung dient.
Weiters bezeichnet 9 ein Austrittsrohr des Messfühlers, 10 ein Millivoltmeter zum Messen der Thermoelementströme, 11 der Bezugspunkt für die Messung der Temperatur mittels der Thermoelemente. 12 ist eine Apparatur, die direkt das Verhältnis der beiden Heizleistungen indiziert, das heisst der Werte Q, und Q2. Diese Apparatur kann durch zwei Wattmeter ersetzt werden, welche getrennt die Heizleistung der beiden Heizkörper messen. Auch können zwei Strommesser verwendet werden, mit denen der Stromverbrauch eines jeden Heizkörpers für sich gemessen wird. 13 bezeichnet Potentiometer für die Regulierung der Heizleistung der Heizkörper.
Fig. 3 und Fig. 4 stellen zwei Beispiele zur Ausführung des beschriebenen Verfahrens dar.
Gemäss Fig. 3 dient der Messfühler zur Messung der Dampffeuchtigkeit hinter der Turbine, wo der Druck erheblich niedriger ist als der atmosphärische Druck.
Fig. 4 veranschaulicht ein Beispiel der Verwendung des Messfühlers bei der Messung der Dampffeuchtigkeit in der Dampfrohrleitung, wo der Druck den atmosphärischen Druck übersteigt.
In diesen Figuren stellt 1 den Körper des Mess- fühlers dar, 9 ist das Austrittsrohr des Messfühlers, 15 eine Pumpe und 14 ein Regulierventil.
Die angeführten Beispiele erschöpfen bei weitem nicht alle Möglichkeiten der Ausnützung des be schriebenen Verfahrens und der zu seiner Ausfüh- rung vorgeschlagenen Vorrichtungen.
Von den Ausführungsmöglichkeiten seien folgende erwähnt :
Der Messfühler kann beispielsweise ausserhalb der Strömung des zu messenden Nassdampfes derart installiert werden, dass er vom Nassdampf durchflossen wird, der mittels einer Abnahmesonde entnommen wird. Weiters können bei dem Messfühler nur die Messstellen 6 vorgesehen sein, die zum Messen der Temperaturen des nassen und des über- hitzten Dampfes dienen sowie die Heizkörper 8, während alle Messungen der Drücke mit Hilfe selbstständiger Vorrichtungen durchgeführt werden.
Das Messen der Temperaturen und der Drücke geschieht mit Hilfe an sich bekannter Messfühler derart, dass jeder der zu messenden Werte gesondert erfasst wird, woraufhin dann gemeinsam mit der Heizleistung, anhand eines Nomogramms der Feuchtigkeitsgrad des Nassdampfes bestimmt wird. Auch können die bestimmenden Parameter, wie die Temperaturen, die Drücke sowie die Heizleistungen bzw. die Enthalpie-Änderungen mit Hilfe entsprechender Einrichtungen in elektrische Grössen überführt werden, die in zweckentsprechenden Apparaturen ausgewertet, den jeweiligen Feuchtigkeitsgrad angeben.
Die Anzeige der Dampffeuchtigkeit kann laufend indiziert und registriert werden, desgleichen alle bestimmenden Parameter einzeln für sich. Ferner kann die Auswertungsapparatur noch mit einer auto matischen potentiometrischen Kompensation ausgerüstet werden.
Das beschriebene Verfahren ist mit für die Betriebszwecke vollkommen ausreichender Genauigkeit bei beliebigen Parametern des Nassdampfes verwendbar. Der Vorteil des Verfahrens besteht insbesondere darin, dass es dabei nicht notwendig ist, die Dampfdurchflussmenge respektive die Dampfdurchflussgeschwindigkeit zu messen. Gegenüber bisher bekannten Methoden hat dieses Verfahren noch den wesentlichen Vorteil darin, dass es hochempfindlich ist, weil selbst kleine Änderungen der Dampffeuchtigkeit grosse Änderungen der Werte A i, respektive Q, zur Folge haben. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass es ein kontinuierliches Messen ermöglicht, bei dem sämtliche Angaben ständig indiziert und registriert werden, so dass der Messvorgang laufend verfolgt werden kann.
Ebenso kann mit Hilfe von entsprechenden, auf einen bestimmten Betriebszweck eingestellten Apparaturen der Zustand des Nassdampfes ständig überwacht und die Angaben durch entsprechende Apparaturen zur Betätigung von Regelorganen ausgenützt werden.
Method of determining vapor humidity by measuring the
Enthalpy change and device for its implementation
The invention relates to a method for determining steam moisture by measuring the change in enthalpy.
Of the previously known methods of measuring steam moisture, the separation method should first be mentioned, which is largely superseded by measuring methods that use the known throttle calorimeter. Their disadvantage is that the measurements are cumbersome and time consuming, and in most cases the results that are essential, in particular sufficient accuracy, are not obtained. So it is e.g. For example, it is not possible to use the measuring method with a throttle calorimeter for the outlet steam from condensation turbines, since the wet steam flowing out of the final stage of the turbine cannot be converted into superheated steam even with a large isenthalpic expansion.
Constant knowledge of the steam humidity is of particular importance for the economic operation of thermal power plants, because it enables the efficiency of the steam turbines to be tracked. Findings about the flow of wet steam in the pipeline and in front of the heat exchangers are also of crucial importance for the structural development of turbines. It is just as important and necessary to know the steam humidity in the superheaters of the steam boilers. The knowledge gained in this way is used to determine the turbine characteristics during operation. Various attempts have already been made to find methods that would allow rapid measurement.
The present invention solves this difficult task in that so much heat is supplied to the wet steam that it changes into the state of superheated steam and then, by supplying further heat, into the state of higher superheating,
where the increase in enthalpy from the unknown state of wet steam to the state of lower superheating is determined from the increase in enthalpy from the state of lower to the state of higher superheating and from the ratio of the heat quantities supplied to the steam in the two heating stages mentioned thus the respective degree of humidity of the wet steam is determined.
The use of the proposed brass devices is of course not limited to thermal power plants, but can be used wherever constant knowledge of the respective steam humidity is important from an operational point of view, e.g. B. in the chemical industry u. a. m.
The method according to the invention is essentially based on the following principle: If the wet steam, whose temperature is denoted by to, the pressure by Po and the unknown degree of humidity by oxo, is supplied with a corresponding amount of heat denoted by Q t by means of the heating power of a measuring sensor the steam changes to a very specific state of superheated steam, the temperature of which is denoted by t1 and the pressure by p.
If this superheated steam is now supplied with an additional amount of heat labeled Q2 by additional heating of the measuring sensor, the steam changes to a very specific state of higher superheating, in which the temperature is labeled t2 and the pressure P2 . That is, the pressures po, pi and p2 can be of the same size. In general, however, it must be assumed that there will not always be an isobaric change and thus the pressures will not remain unchanged either.
The following relationships generally apply to the increase in enthalpy:
The rise from the state, which is characterized by the parameters to and po, to a state, which is characterized by the parameters tl and pl, is given by: S il = Q1
M.
The rise from the state, which is characterized by the parameters t and pr, to a state, which is characterized by the parameters t2 and P2, is given by: z1 i2 = Q2
M where M is the unknown steam flow rate.
A comparison of the two enthalpy differences gives: i1 i2 Q2
Id i2 Q2
It follows from this that the mutual ratio of the enthalpy difference depends neither on the steam flow rate nor on the steam flow rate. After furthermore Q1 and Q2 are given by the measurable values of the heating power required for the elec trical radiator and since the size of the enthalpy difference J i2 from a heat diagram, z.
B. can be read directly from the JS diagram, the JP diagram or the JT diagram, one is able to. lit from the equation
Q, Ai, to be calculated and, when using the heat medogram corresponding to the respective operating ratio, the degree of humidity of the wet steam examined can be determined directly.
The method according to the invention is explained with reference to the accompanying drawing, which shows a JS diagram in FIG. In this drawing, the full line means the left and right parts of the limit curve with the critical point entered. This diagram also shows the isobars that correspond to the pressures pu, pi and p. and the isotherms that relate to the temperatures to, ti and t2. The diagram also contains a system of curves with the same degree of humidity x, which are represented by dashed lines. The more drawn out dashed line denotes a curve with the desired degree of humidity xo.
The entered points A, B and C mark the respective states of the wet steam and the superheated steam. Point A corresponds to the parameters pu, to and xo of the wet steam, point B to the parameters pu, tri of the superheated steam and point C to the parameters P2, t2 of the steam superheated in the further stage. The enthalpy difference of the states A-B, denoted by J ill, is given by the position of the points D-E, the enthalpy difference of the states B-C, denoted by J i2, appears given by the position of the points E-C.
To carry out the method described, three variants of devices, for example, are proposed and shown schematically in FIGS. 2 to 4, which use a measuring sensor adapted to the respective purpose. The measuring sensor is designed as a cylindrical hollow body which is attached in such a way that wet steam flows through or around it.
Starting with the inlet part, there are measuring points in the measuring sensor for measuring the pressure pO of the steam flowing around the sensor, further measuring points for measuring the pressure pO and the temperature to of the wet steam flowing through the sensor and a heater that is electrically heated and which supplies the amount of heat Qt to the wet steam, which has the parameters po, to, xo. By supplying them, the wet steam changes to the state of superheated steam with the parameters P1, tl.
Then there are: measuring points for measuring the pressure p and the temperature t of the steam superheated in the previous stage, another electrically heated heating element, which supplies the superheated steam with a further amount of heat Q2 with the parameters pl, t. By supplying this additional amount of heat, the steam changes to the state given by the parameters p ″.
There are also measuring points for measuring the pressure p., And the temperature t2 of the steam after the second overheating. The exit part of the sensor opens into an exit pipe.
In Fig. 2, 1 denotes a cylindrical hollow body of the sensor, 2 are measuring points for measuring the pressures inside the measuring sensor, which are connected by a common pipe, at the outlet 3 of which a micromanometer is attached. 2a are measuring points of the pressure pOn, 2b are measuring points of the pressure pl and 2c are measuring points of the pressure P2. 4 denotes measuring points which serve to measure the pressure of the circulating steam, which are connected by a common connecting pipe, at the outlet 5 of which a micromanometer (not shown) is attached. 6 denotes the measuring points for measuring the temperatures inside the measuring sensor by means of thermocouples.
These measuring points are also connected by a common connecting pipe through which the lead wires of the thermocouples are led out. 6a designates the measuring points for temperature to, 6b for temperature ti and 6c for temperature t2. 8 are heating elements through which the steam flows, the heating element 8a serving for the first and the heating element 8b for the subsequent overheating.
Furthermore, 9 denotes an outlet pipe of the measuring sensor, 10 a millivoltmeter for measuring the thermocouple currents, 11 the reference point for measuring the temperature by means of the thermocouples. 12 is an apparatus that directly indicates the ratio of the two heating outputs, i.e. the values Q and Q2. This apparatus can be replaced by two wattmeters, which measure the heating output of the two radiators separately. Two ammeters can also be used to measure the power consumption of each radiator. 13 denotes a potentiometer for regulating the heating power of the radiators.
FIGS. 3 and 4 show two examples for carrying out the method described.
According to FIG. 3, the measuring sensor is used to measure the steam moisture behind the turbine, where the pressure is considerably lower than the atmospheric pressure.
Figure 4 illustrates an example of the use of the probe in measuring steam moisture in the steam pipeline where the pressure exceeds atmospheric pressure.
In these figures, 1 represents the body of the measuring probe, 9 is the outlet pipe of the measuring probe, 15 is a pump and 14 is a regulating valve.
The examples cited by no means exhaust all possibilities of utilizing the method described and the devices proposed for its execution.
The following are possible designs:
The measuring sensor can, for example, be installed outside the flow of the wet steam to be measured in such a way that wet steam flows through it, which is taken by means of a sampling probe. Furthermore, only the measuring points 6 can be provided in the measuring sensor, which are used to measure the temperatures of the wet and superheated steam, as well as the heating elements 8, while all measurements of the pressures are carried out with the aid of independent devices.
The temperatures and pressures are measured with the aid of known measuring sensors in such a way that each of the values to be measured is recorded separately, whereupon the moisture level of the wet steam is determined together with the heating power on the basis of a nomogram. The determining parameters, such as the temperatures, the pressures and the heating power or the enthalpy changes, can also be converted into electrical quantities with the aid of appropriate devices, which are evaluated in appropriate apparatus and indicate the respective degree of humidity.
The display of the steam humidity can be continuously indexed and registered, as can all the determining parameters individually. Furthermore, the evaluation apparatus can be equipped with an automatic potentiometric compensation.
The method described can be used with any desired parameters of the wet steam with an accuracy that is completely sufficient for the operational purposes. The advantage of the method is in particular that it is not necessary to measure the steam flow rate or the steam flow rate. Compared to previously known methods, this method has the essential advantage that it is highly sensitive, because even small changes in the steam humidity result in large changes in the values A i and Q, respectively. Another advantage of the method is that it enables continuous measurement in which all information is constantly indexed and registered so that the measurement process can be continuously followed.
Likewise, the state of the wet steam can be constantly monitored with the aid of appropriate apparatuses set for a specific operational purpose and the information can be used by means of appropriate apparatuses for actuating control elements.