RU2186377C1 - Procedure determining true volumetric content of steam - Google Patents

Abstract

FIELD: determination of parameters of two-phase flow in steam generating conduits of various assignment. SUBSTANCE: procedure includes measurement of signal U emerging with interaction of probe with two-phase flow in the course of exposure time T, measurement of time U = f(τ) of interaction of probe with steam phase by dependence (U_d) at certain established level Δτ_i of discrimination and determination of true volumetric content of steam φ_л by formula

. In this case true volumetric content of steam φ_л is multiply found at different levels U_di, of discrimination chosen in interval Umax-Umin and optimum level U_d of discrimination is determined by inflection point on dependence φ_л= f(U_d). EFFECT: increased accuracy of determination o true volumetric content of steam. 8 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, предназначено для определения истинного объемного паросодержания двухфазных потоков и может быть использовано при определении параметров двухфазного потока в парогенерирующих каналах различного назначения. The invention relates to the field of measurement technology, is intended to determine the true volumetric vapor content of two-phase flows and can be used to determine the parameters of a two-phase stream in steam-generating channels for various purposes.

Физически двухфазная смесь представляет собой несущую фазу со статистически распределенными в ней включениями другой фазы. В силу их конечного размера локальные характеристики двухфазной смеси имеют дискретный характер. Например, газосодержание в произвольной точке двухфазного объема в любой момент времени может принимать только два значения: либо ноль, либо единицу. Длительность таких скачкообразных переходов определяется размерами, скоростью и формой фазовых включений. Для проведения измерений используются датчики, принцип действия которых основан на различных физических принципах (электроконтактные, волоконно-оптические, акустические). Physically, a two-phase mixture is a carrier phase with statistically distributed inclusions of another phase in it. Due to their finite size, the local characteristics of a two-phase mixture are discrete. For example, the gas content at an arbitrary point in a two-phase volume at any given time can take only two values: either zero or one. The duration of such spasmodic transitions is determined by the size, speed, and shape of the phase inclusions. For measurements, sensors are used, the principle of which is based on various physical principles (electrical, fiber optic, acoustic).

Определение истинного объемного паросодержания φ_л с помощью зондовых методов рассмотрим на примере работы электроконтактного датчика, работа которого основана на различии электрических свойств жидкой и паровой фаз.The determination of the true volumetric vapor content of φ _l using probe methods will be examined using the example of the operation of an electrical contact sensor, the operation of which is based on the difference in the electrical properties of the liquid and vapor phases.

При проведении измерений электроконтактный зонд включается в последовательную электрическую цепь, в простейшем случае состоящую из источника питания, нагрузочного резистора и включенного параллельно ему электроизмерительного прибора для регистрации падения напряжения при изменении проводимости между электродами датчика. Для исключения эффекта поляризации электродов для питания электрической цепи в основном используется переменный ток высокой частоты 2÷100 кГц. When conducting measurements, the electric contact probe is included in a serial electric circuit, in the simplest case consisting of a power source, a load resistor, and an electrical measuring device connected in parallel to register a voltage drop when the conductivity between the sensor electrodes changes. To eliminate the effect of polarization of the electrodes, an alternating current of high frequency of 2 ÷ 100 kHz is mainly used to power the electric circuit.

На фиг. 1 схематично представлен процесс прохождения газовых пузырьков через чувствительный элемент зонда (а) и соответствующее этому процессу изменение сигналов при питании измерительной цепи переменным током высокой частоты (б). При нахождении зонда в жидкости в измерительном устройстве регистрируется некоторое значение сигнала U_ж в силу конечного значения проводимости между электродами. В случае прохождения газового пузырька сила тока в измерительной цепи значительно уменьшается, и напряжение на выходе принимает значение U_г. Для более качественного разрешения этих сигналов необходимо, чтобы величина (U_ж - U_г) была максимально возможной в данных конкретных условиях. Для определения φ_л с минимальной погрешностью необходимо, чтобы сигналы, вызванные прохождением пузырей, имели бесконечно малое время нарастания фронта, т.е. они должны иметь вид прямоугольных "провалов" или "всплесков" на соответствующих сигналах баланса. В действительности же, время релаксации сигнала присутствия фазы Δτ^* в каждом конкретном случае определено соотношением размеров электродов зонда и регистрируемых паровых включений, а также их скоростью и формой. Учитывая эти факты принято при определении φ_л устанавливать уровень дискриминации сигналов зонда.In FIG. 1 schematically shows the process of passage of gas bubbles through the sensing element of the probe (a) and the corresponding change in the signals when the measuring circuit is supplied with high-frequency alternating current (b). When the probe is in the liquid in the measuring device, a certain value of the signal U _W is recorded due to the final value of the conductivity between the electrodes. In the case of the passage of a gas bubble, the current in the measuring circuit decreases significantly, and the output voltage takes the value U _g . For a better resolution of these signals, it is necessary that the value (U _W - U _g ) be the maximum possible under these specific conditions. To determine φ _l with a minimum error, it is necessary that the signals caused by the passage of bubbles have an infinitely short rise time of the front, i.e. they should be in the form of rectangular “dips” or “bursts” on the corresponding balance signals. In reality, the relaxation time of the signal of the presence of the phase Δτ ^* in each case is determined by the ratio of the sizes of the probe electrodes and the recorded steam inclusions, as well as their speed and shape. Given these facts, it is customary in determining φ _{l to} establish the level of discrimination of the probe signals.

Уровень дискриминации определяет долю времени, в течение которой паровая (газовая) фаза присутствует в точке замера. С этой целью на зависимости U = f(τ) выбирается некоторый условный уровень (уровень дискриминации), начиная с которого считается, что чувствительный элемент зонда находится в той или иной фазе. Основной источник погрешностей при измерении φ_л связан с некорректным выбором уровня дискриминации U_д.The level of discrimination determines the fraction of the time during which the vapor (gas) phase is present at the measuring point. For this purpose, a certain conditional level (discrimination level) is selected on the dependence U = f (τ), starting from which it is assumed that the sensitive element of the probe is in one or another phase. The main source of errors in measuring φ _l is associated with an incorrect choice of the level of discrimination U _d .

При изменении режимных параметров (динамические режимы), свойств жидкости или зонда происходит неконтролируемое изменение амплитуды сигнала, соответствующего фазе "жидкость". На фиг.2 изображены предельные случаи, когда из-за некорректного выбора уровня дискриминации измерения становятся практически невозможными. Для устранения этого недостатка используют различные подходы. When changing operating parameters (dynamic modes), properties of a liquid or a probe, an uncontrolled change in the amplitude of the signal corresponding to the phase "liquid" occurs. Figure 2 shows the limiting cases when, due to an incorrect choice of the level of discrimination, measurements become almost impossible. Various approaches are used to eliminate this drawback.

Известен способ определения истинного объемного паросодержания φ_л, в котором для устранения погрешности этого рода используется дополнительный зонд, в течение измерения находящийся в жидкой фазе и используемый для выработки опорного сигнала (А.С. 1181379 СССР, MKИ³ G 01 N 15/00. Устройство для измерения концентрации дисперсной фазы в парожидкостной смеси /Ю.П. Джусов, А.А. Цыганок, Н.Н. Митяев и др. //Открытия. Изобретения. 1986. 7). В этом случае обеспечивается автоматическое отслеживание за изменением электропроводящих свойств жидкости или зонда и поддержание уровня дискриминации на требуемом уровне. Однако поскольку невозможно обеспечить полную идентичность измерительного и дополнительного зондов, свойства которого изменяются с течением времени, использование этого подхода проблематично.A known method for determining the true volumetric vapor content of φ _l , in which to eliminate errors of this kind, an additional probe is used, which is in the liquid phase during the measurement and used to generate the reference signal (A.S. 1181379 USSR, MKI ³ G 01 N 15/00. A device for measuring the concentration of the dispersed phase in a vapor-liquid mixture / J.P. Dzhusov, A.A. Tsyganok, N.N. Mityaev, etc. // Discovery. Inventions. 1986. 7). In this case, automatic monitoring of changes in the electrically conductive properties of the liquid or probe and maintaining the level of discrimination at the required level is provided. However, since it is impossible to ensure the complete identity of the measuring and additional probes, whose properties change over time, the use of this approach is problematic.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ определения истинного объемного паросодержания φ_л, включающий измерение в течение времени экспозиции сигнала U, возникающего при взаимодействии зонда с двухфазным потоком, измерение по зависимости U = f(τ) при некотором установленном уровне дискриминации U_д, времени взаимодействия зонда с паровой фазой Δτ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{п}}{\text{i}}$ и определение истинного объемного паросодержания φ_л по формуле

(Свистунов Е.П, Севастьянов В.П., Шанин В.К., Крюков В.М. Оценка спектра размеров паровых включений методом электрозондирования //Инженерно-физический журнал, т. 55, 5, 1988).The closest in technical essence to the proposed method is a method for determining the true volumetric vapor content of φ _l , including measuring the signal U during the exposure time that occurs when the probe interacts with a two-phase flow, measuring according to the dependence U = f (τ) at a certain level of discrimination U _d , the interaction time of the probe with the vapor phase Δτ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{P}}{\text{i}}$ and determination of the true volumetric vapor content φ _l according to the formula

(Svistunov E.P., Sevastyanov V.P., Shanin V.K., Kryukov V.M. Evaluation of the size spectrum of steam inclusions by the method of electric sounding // Engineering Physics Journal, vol. 55, 5, 1988).

Основной недостаток такого способа заключается в том, что точность измерений φ_л невелика. Последнее связано с тем, что при проведении измерений изменяются условия взаимодействия зонда с двухфазной смесью, а уровень дискриминации остается неизменным. Для корректного определения φ_л необходимо уровень дискриминации изменять в соответствии с изменившимися условиями.The main disadvantage of this method is that the measurement accuracy of φ _l is small. The latter is due to the fact that during measurements, the conditions of interaction of the probe with the two-phase mixture change, and the level of discrimination remains unchanged. For the correct determination of φ _l it is necessary to change the level of discrimination in accordance with the changed conditions.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении точности определения истинного объемного паросодержания φ_л, что обеспечивается тем, что многократно определяют истинное объемное паросодержание φ_л при различных уровнях дискриминации U_дi, выбранных в интервале U_max-U_min и определяют оптимальный уровень дискриминации U_д по местоположению точки перегиба на зависимости φ_л = f(U_д).
Достижение технического результата, заключающегося в повышении точности определения истинного объемного паросодержания φ_л обеспечивается тем, что при определении Δτ_i- времени пребывания паровой фракции в зоне чувствительного элемента зонда, а, соответственно, и φ_л используется оптимальный с точки зрения минимальной погрешности уровень дискриминации.The technical result to which the invention is directed is to increase the accuracy of determining the true volumetric steam content of φ _l , which is ensured by repeatedly determining the true volumetric steam content of φ _l at various levels of discrimination U _di selected in the range of U _max -U _min and determine the optimal the discrimination level U _d at the location of the inflection point on the dependence of φ _l = f (U _d ).
The achievement of the technical result, which consists in increasing the accuracy of determining the true volumetric vapor content of φ _{l, is} ensured by the fact that when determining Δτ _i - the residence time of the vapor fraction in the zone of the probe’s sensitive element, and, accordingly, φ _l , the level of discrimination that is optimal from the point of view of minimal error is used.

На фиг.3 показана зависимость φ_л = f(U_д), на основе которой определяется оптимальный уровень дискриминации. Как видно из фиг.3 существует область инвариантности φ_л от уровня дискриминации. Эта область определяется точкой перегиба на зависимости φ_л = f(U_д). Область инвариантности и соответствует оптимальному уровню дискриминации. При этом уровне дискриминации истинное объемное паросодержание определяется наиболее точно. На фиг.3 представлены два вида зависимостей - на фиг.3а показана зависимость φ_л = f(U_д), когда максимальный сигнал имеет место при взаимодействии зонда с паровой фазой (U_мах= U_п, U_min= U_ж) на фиг.3б, когда максимальный сигнал имеет место при взаимодействии зонда с жидкой фазой (U_мах=U_ж, U_мax=U_n). Вид сигнала U = f(τ) зависит от настройки прибора.Figure 3 shows the dependence of φ _l = f (U _d ), based on which the optimal level of discrimination is determined. As can be seen from figure 3 there is a region of invariance φ _l from the level of discrimination. This region is determined by the inflection point on the dependence φ _l = f (U _d ). The field of invariance corresponds to the optimal level of discrimination. At this level of discrimination, the true volumetric steam content is most accurately determined. Figure 3 presents two types of dependencies - figure 3a shows the dependence φ _l = f (U _d ), when the maximum signal occurs when the probe interacts with the vapor phase (U _max = U _p , U _min = U _g ) in Fig. .3b, when the maximum signal occurs during the interaction of the probe with the liquid phase (U _max = U _W , U _max = U _n ). The form of the signal U = f (τ) depends on the instrument settings.

В качестве примера рассмотрим способ определения истинного объемного паросодержания φ_л для случая взаимодействия электроконтактного зонда с двухфазным потоком в трубе. Режимные параметры - давление 3,0 МПа, массовая скорость пароводяной смеси 1500 кг/м²•с, паросодержание (относительная энтальпия) 0,02. На фиг.4 представлена зависимость φ_л = f(U_д) для этого случая. Как видно из фиг.4, при выборе уровня дискриминации меньше 0.3, U_д<0.3 или U_д > 0,6 (меньше или больше того уровня, при котором φ_л не зависит от уровня дискриминации) значение истинного объемного паросодержания φ_л отличается от истинного на 25-30%.As an example, we consider a method for determining the true volumetric vapor content φ _l for the case of the interaction of an electric contact probe with a two-phase flow in a pipe. Performance parameters - pressure 3.0 MPa, mass velocity of the steam-water mixture 1500 kg / m ² • s, vapor content (relative enthalpy) 0.02. Figure 4 presents the dependence of φ _l = f (U _d ) for this case. As can be seen from figure 4, when choosing a level of discrimination less than 0.3, U _d <0.3 or U _d > 0.6 (less or more than the level at which φ _l does not depend on the level of discrimination) the value of the true volumetric vapor content φ _l differs from true by 25-30%.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет значительно повысить точность определения истинного объемного паросодержания φ_л.оThus, the proposed method can significantly improve the accuracy of determining the true volumetric vapor content φ _l.

Claims (1)

Способ определения истинного объемного паросодержания φ_л, включающий измерение в течение времени экспозиции сигнала U, возникающего при взаимодействии зонда с двухфазным потоком, измерение по зависимости U = f(τ) при некотором установленном уровне дискриминации U_д времени взаимодействия зонда с паровой фазой Δτ_i и определение истинного объемного паросодержания φ_л по формуле

где Т - время экспозиции (измерения);
Δτ_i - время пребывания паровой фракции в зоне чувствительного элемента зонда;
n - количество включений пара, прошедших через чувствительный элемент зонда;
отличающийся тем, что многократно определяют истинное объемное паросодержание φ_л при различных уровнях дискриминации U_дi, выбранных в интервале U_мах - U_min, и определяют оптимальный уровень дискриминации U_д по местоположению точки перегиба на зависимости φ_л= f(U_д).A method for determining the true volumetric vapor content φ _l , including measuring the signal U during the exposure time that occurs when the probe interacts with a two-phase flow, measuring the dependence U = f (τ) for a certain discrimination level U _{d the} time of the interaction of the probe with the vapor phase Δτ _i and determination of the true volumetric vapor content φ _l according to the formula

where T is the exposure time (measurement);
Δτ _i is the residence time of the vapor fraction in the zone of the sensing element of the probe;
n is the number of steam inclusions passing through the probe sensing element;
characterized in that the true volumetric vapor content of φ _{l is} repeatedly determined at various discrimination levels U _di selected in the interval U _max - U _min , and the optimal level of discrimination U _d is determined by the location of the inflection point on the dependence φ _l = f (U _d ).

Images