DE3536574A1 - Knickpunkt-messgeraet - Google Patents

Description

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

Derartige Messeinrichtungen werden beispielsweise in Dampfkraftwerken dort angewendet, wo mittels Tracer-Technik Flüssigkeitsströme, insbesondere Wasserströme zu bestimmen sind. Mit den solchermassen ermittelten Wassermassenströmen 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 Sattdampfturbinen, wie sie beispielsweise bei nuklearbefeuerten 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 Probeentnahmegeschwindigkeit. Aus Gründen der Messgenauigkeit sollte die Entnahmegeschwindigkeit 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 Probeentnahmegeschwindigkeit nach oben. Die geeignete Entnahmegeschwindigkeit 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 Ueberprüfungsmessungen erforderlich.

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 Flüssigkeit 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 Probenkonzentration, 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 zeitraubend. 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, wie sie in den Patentansprüchen definiert ist, liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Messeinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der der Knickpunkt auch während der eigentlichen Tracer-Messungen ohne grossen Vorlauf bestimmt werden kann.

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 Wärmeverbrauchsmessungen 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 Messeinrichtung, 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 wesentlichen Elemente dargestellt. Die Strömungsrichtung der diversen Medien ist mit Pfeilen bezeichnet.

Die zu messende Kraftwerksleitung sei Teil einer Sattdampfturbinenanlage, von der lediglich die doppelflutige Hochdruck-Teilturbine 1 mit Frischdampfleitung 15 und Abdampfleitungen 16 dargestellt ist. Zur Speisewasservorwärmung 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-Technik 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 eingespritzt. Die Einspritzung erfolgt mit konstantem Massenstrom. 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 Absperrorgan 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 Abszisse 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 Konzentration 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 Absperrorgan 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 Gewindemuffen 18 versehen ist. Die Eintrittspartie 17 a und die Austrittspartie 17 b 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 möglichst 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 17 c 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 17 c in der Folge über den Grossteil ihrer Erstreckung mit dem Kupferrohr verlötet (23).

Um den Wärmeaustausch in der Gegenstromnstrecke G zu erfassen, sind vier Temperaturmessstellen vorgesehen, die mit jeweils einem Thermoelement bestückt sind. Eine erste Messstelle T ₁ befindet sich an der Eintrittspartie 17 a unmittelbar stromaufwärts der Gegenstromstrecke G. Eine zweite Messstelle T ₂ befindet sich an der Eintrittspartie 17 a unmittelbar stromabwärts der Austauscherstrecke. Eine dritte Messstelle T ₃ befindet sich an der Austrittspartie 17 b unmittelbar stromaufwärts der Austauscherstrecke und eine vierte Messstelle T ₄ befindet sich an der Austrittspartie 17 b unmittelbar stromabwärts der Gegenstromstrecke G. Die zweiten und dritten Messstellen könnten auch als Messstellen am Anfang bzw. am Ende der Mittelpartie 17 c bezeichnet werden. Die Messleitungen der Thermoelemente können in üblicher Weise in Differenzschaltung direkt an ein Digitalvoltmeter (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 17 a abgegebene Wärme gleich der von der Austrittspartie 17 b aufgenommenen Wärme ist. Wärmeabfuhr nach aussen kann über Kalibriermessungen zusätzlich korrigiert werden.

Die Auswertung der Temperaturmessungen ist einfach. Sind die Temperaturdifferenzen am Eintritt und am Austritt 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 T ₁ 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 Gegenstromstrecke G beträgt die Temperatur T ₂ ca. 120°C. In der Mittelpartie werden weitere 20°C an die Atmosphäre abgeführt, so dass T ₃ am Anfang der Austrittspartie ca. 100°C und T ₄ am Ende der Austrittspartie nach dem Wärmeaustausch ca. 160°C beträgt.

Nach der Gesetzmässigkeit

Dampfgehalt = f ((T ₂ - T ₃) - (T ₁ - T ₄))

ist nun erkennbar, dass kein reines Wasser in der Rotorschleife strömt.

Hier wird vorausgesetzt, dass Korrekturen aufgrund der Absoluttemperatur des zu messenden Mediums, der Umgebungstemperatur und der Isolationseichwerte berücksichtigt sind.

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

Selbstverständlich ist es auch möglich, die Messleitungen so zu schalten, dass der Vergleich zwischen (T ₄-T ₃) und (T ₁-T ₂) durchgeführt wird.

Ein weiterer Vorteil des Messgerätes 14 ist nun darin zu sehen, dass nach dem geschilderten Prinzip der Dampfgehalt 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 Regelorgans 12 angeordneten Durchflussmesser 24 festgehalten.

Der Einsatz des Messgerätes 14 geht nun folgendermassen vor sich: Zur Probeentnahme werden das Absprerrorgan 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 Entnahmemedium 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 Temperaturdifferenz am Anzeigegerät, beispielsweise dem Digitalvoltmeter 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 Wasserentnahme vonstatten geht.

Unmittelbar anschliessend kann zur Tracermessung übergegangen werden, wozu in der Messleitung 9 lediglich der Probebehälter 10 anzubringen ist. Um die eigentliche 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.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die gezeigte und beschriebene Einrichtung beschränkt. In Abweichung zur dargestellten Kraftwerksanwendung könnte die Erfindung auch mit Vorteil in dem Bereich Chemie und Radiochemie Anwendung finden.

Claims (7)

1. Einrichtung zum Messen des Knickpunktes und des Dampfanteils in Zweiphasenströmungen oder in Probeentnahmen von Zweiphasenströmungen, gekennzeichnet durch
- eine geschlossene Rohrschleife (17)

• . deren Austrittspartie (17 b) und Eintrittspartie (17 a) zwecks Gegenströmung des zu messenden Mediums parallel zueinander verlaufen und dabei in innigem metallischen Kontakt miteinander stehen, wobei sie gegen die Atmosphäre mit einer Wärmeisolation (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 (17 c) zwecks konvektiver Wärmeabgabe mit einer grossen Oberfläche gekoppelt ist,

- ferner durch

• . eine erste Temperaturmessstelle T ₁ an der Eintrittspartie (17 a) unmittelbar vor der Gegenstromaustauscherstrecke (G)
  . eine zweite Temperaturmessstelle T ₂ an der Eintrittspartie (17 a) unmittelbar hinter der Gegenstromaustauscherstrecke (G)
  . eine dritte Temperaturmessstelle T ₃ an der Austrittspartie (17 b) unmittelbar vor der Gegenstromaustauscherstrecke (G)
  . eine vierte Temperaturmessstelle T ₄ an der Austrittspartie (17 b) unmittelbar hinter der Gegenstromaustauscherstrecke (G)

- sowie durch an sich bekannte Mittel zum Temperaturvergleich der Eintritts- mit den Austrittsbedingungen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der innige metallische Kontakt zwischen Eintritts- und Austrittspartie (17 a, 17 b) der Rohrschleife (17) durch ein Aneinanderlöten (19) über im wesentlichen 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 (17 c) 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 Temperaturvergleich nach folgender Gesetzmässigkeit durchgeführt wird: Dampfgehalt = f ((T ₂ - T ₃) - (T ₁ - T ₄))

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Dampfgehaltes der Temperaturvergleich nach folgender Gesetzmäßigkeit durchgeführt wird: Dampfgehalt = f ((T ₄ - T ₃) - (T ₁ - T ₂))