Контроль пароводяных потоков диэлькометрическим методом

МУЛЕВ Ю. В., канд. техн. наук
Белорусский политехнический институт

 

Совершенствование режимов работы энергетического оборудования во многих случаях сдерживается отсутствием представительной информации о состоянии рабочей среды. Одним из таких параметров, характеризующих его, является объемное или массовое паросодержание влажного водяного пара φ или χ.

Разработаны и успешно используются в лабораторном контроле пароводяных потоков такие методы, как кондуктометрический [1, 2 и др.], оптическое [3 и др.], акустический [4 и др.]. Однако отсутствие приборов, отвечающих промышленным требованиям, побуждает к разработке новых вариантов устройств или к совершенствованию известных.

  Настоящая работа посвящена диэлькометрическому методу измерения степени сухости влажного водяного пара.

  Диэлькометрический метод может быть основан как на измерении диэлектрической проницаемости, так и на определении тангенса угла диэлектрических потерь. Последний параметр, как показано в [5], в применении к влажному водяному пару мало исследован. Кроме того, на значение угла диэлектрических потерь оказывает существенное влияние солесодержание анализируемой среды. Поэтому при диэлькометрическом контроле пароводяных потоков наиболее приемлема диэлектрическая проницаемость е, измеряемая на высоких частотах, где влияние тангенса угла диэлектрических потерь минимально [6].

 

Конструктивное выполнение диэлькометрического устройства

 

  Диэлькометрический метод реализуется традиционно с помощью первичного и вторичного преобразователей. В качестве вторичных преобразователей могут использоваться резонансные и разработанные на основе метода биений измерители емкости [7], От серийно выпускаемых приборов они отличаются выходным электрическим сигналом, применимым в системах регистрации, сигнализации и управления, повышенной чувствительностью (50—600 мВ/пФ), компактностью, более узким рабочим диапазоном (приращение емкости от 0 до 50 пФ). Одним из таких преобразователей является измеритель на основе метода биений (рис. 1).

  Первичный преобразователь выполняется в виде электрической емкости и состоит, как правило, из двух электродов. В настоящее время существуют конструкции, предназначенные для диагностики в малых трубопроводах (dвн = 10÷40 мм). На трубопроводах большего диаметра реализация диэлькометрического метода контроля осуществляется с помощью пробоотборного устройства.

  Наиболее рациональными для диагностирования среды в трубопроводах являются коаксиальные первичные преобразователи. Одна из таких конструкций показана на рис. 2,а. Диэлькометрический датчик [8] включает цилиндрические внутренний и внешний электроды, узел подвода среды, электроввод, в качестве которого используется стандартная «свеча», закрепляемая в корпусе датчика сваркой.

  Анализируемая среда по подводящему патрубку поступает в межэлектродное пространство, где образуется электрическая емкость, пропорциональная количеству жидкой фазы и давлению анализируемой среды. Таким образом, измеряя емкость датчика на выходе электроввода, получаем сигнал

U=f(x, р, Свв),

где х — паросодержание исследуемого потока; р — рабочее давление анализируемой среды; Свв — электрическая емкость электроввода и подводящих соединений.

Очевидно, что в данном случае давление анализируемой среды, электрическая емкость электроввода и подводящих соединений являются помеховыми факторами. Одним из способов их устранения является установка компенсационного диэлькометрического датчика, который по геометрическим размерам аналогичен основному. Его отличительная особенность — поддержание в межэлектродном пространстве пара в сухом насыщенном состоянии с давлением, равным давлению анализируемой среды (рис. 2,6).

При изготовлении измерительного устройства с двумя автономными идентичными каналами и блоком взаимного вычитания выходных сигналов рабочих каналов, подсоединении основного и компенсационного диэлькометрических датчиков на выходе вторичного преобразователя можно получить сигнал, где  - сигнал, снимаемый с компенсационного канала, пропорциональный рабочему давлению анализируемой среды, электрической емкости электроввода и подводящих соединений.

  Выражение (1) применимо при высоких паросодержаниях с небольшим диапазоном изменения давления. При уменьшении паросодержания и расширении диапазона по давлению погрешность, обусловленная изменением диапазона шкалы измерительного устройства, возрастает и необходимо вводить поправку.

 

Теоретические основы диэлькометрии влажного водяного пара

 

Для реализации диэлькометрического метода измерения степени сухости влажного водяного пара необходимо знание зависимости выходного параметра первичного преобразователя от состояния анализируемой среды. Выходным параметром является электрическая емкость, представляющая абсолютную величину, но наиболее удобна для практики относительная диэлектрическая проницаемость, а в качестве определителя состояния — массовая или объемная степени сухости влажного водяного пара.

Зависимость диэлектрической проницаемости от степени сухости влажного водяного пара ε = f(x) ограничена краевыми значениями е кипящей воды и сухого насыщенного пара. Однако действительная форма кривой между ними при разных давлениях не определена.

Влажный водяной пар в реальной энергетической установке можно рассматривать как механическую смесь диэлектриков. Поэтому для определения ε=f(x) можно использовать теорию механических смесей диэлектриков.

В работе [9] сделан вывод о том, что основным фактором, оказывающим влияние на значение ε, является положение границы раздела компонентов относительно вектора напряженности электрического поля, и действительное значение ε механической смеси диэлектриков ограничено следующими значениями:

где и - диэлектрические проницаемости смеси при расположении границы раздела компонентов перпендикулярно и параллельно вектору напряженности электрического поля соответственно.

  Для влажного водяного пара как механической смеси жидкой и паровой фаз выражения

и  можно представить в виде

 

где εʹ и εʹʹ - диэлектрические проницаемости кипящей воды и сухого насыщенного пара соответственно.

  В результате выражение (2) для влажного водяного пара можно представить в виде

  [ (εʹʹ)-1 φ + (εʹ)-1 (1 – φ) ]-1 < ε <εʹʹφ + εʹ(1 – φ).    (5)

 

  Исходя из принципа зависимости ε от расположения границы раздела компонентов в смеси разработаны формулы Ландау-Лифшица, Оделевского, Винера и др. Они применимы для смесей с включениями правильной формы, т. е. шара, цилиндра, плоской стенки. Но, как известно, влажный водяной пар во всех режимах своего существования имеет включения, отличающиеся по форме от правильных, поэтому все известные формулы для механических смесей диэлектриков к условиям влажного водяного пара неприменимы [10].

Теоретическая разработка зависимости ε= f(х) для режимов влажного водяного пара требует ввода в уравнения эмпирических коэффициентов. Поэтому наиболее целесообразным является экспериментальное определение зависимости ε= f(х) при различных давлениях.

 

Экспериментальные исследования

 

  Диапазон проводимых исследований электрофизических свойств влажного водяного пара был продиктован условиями предполагаемого промышленного внедрения: по давлению от 5,88 до 14,70 МПа; по массовой степени сухости от 0,5 до 1,0; по массовой скорости от 500 до 2100 кг/(м2-с).

  Поток влажного водяного пара создавался на экспериментальном стенде, описанном в работе [11], где также приведена методика тарировки датчиков и приборная реализация проводимых исследований.

  Методика исследований состояла в формировании потоков перегретого пара, сухого насыщенного пара, измерении их электрофизических свойств и сравнении полученных результатов с известными. На следующем этапе в экспериментальный стенд подавался перегретый пар, который затем охлаждался в поверхностных теплообменниках стенда водой. На выходе последних методом теплового баланса рассчитывалась массовая степень сухости потока. Одновременно на расстоянии около 300 диаметров от выхода среды из теплообменника (расстояние установлено для предотвращения неравновесности) контролировалось активное сопротивление и измерялась емкостная составляющая С первичного преобразователя, пересчитываемая впоследствии в е. Начальная (полезная) емкость датчика составляла 22,17 пФ. Массовая степень сухости варьировалась в заданном диапазоне путем изменения расхода охлаждающей воды и расхода перегретого пара. Среднеквадратичная погрешность определения х составила ϭх=6,22%, а по ε—ϭε= 1,81%.

  Значение ϭх =6,22% погрешности характеризует не сам диэлькометрический метод измерения степени сухости влажного водяного пара, а лишь точность тарировочной кривой. Значение ϭх =1,81% также включает погрешность тарировки датчика, погрешность градуировочной кривой самого вторичного преобразователя. Погрешность оттарированного диэлькометрического устройства может быть снижена.

  В принятом диапазоне давлений исследования проведены на изобарах 5,88;  8,83; 11,76 и

14,70 МПа с шагом по массовой степени в 0,1 единицы х. На каждой точке получено по 5—7 измерений в течение 5—6 серий экспериментов. Полученные результаты показаны па рис. 3. Для их описания за основу принято положение (5),

использован закон объемно-долевой аддитивности с вводом коэффициента влияния факторов. Получено уравнение

(6)

где μ = 0,311660 + 0,858092 ·10-1 р—0,948736 × 10-2 р2+0,505722 · 10-3 р3—0,977999 · 10-5 р4— коэффициент влияния факторов.

  В работе [10] показано, что на значение μ, влажного водяного пара могут оказывать влияние следующие факторы: форма вкраплений, закон их распределения в смеси, состояние границы раздела. Последний фактор можно однозначно связать с рабочим давлением. Первые два необходимо в дальнейшем исследовать.

Для анализа влияния на результат измерения толщины пристенной пленки жидкости проведены специальные исследования. При р=const и х=const основной величиной, влияющей на толщину пленки, является скорость движения смеси.

  В результате на экспериментальном стенде создавались условия, когда р и х были постоянны, a υ варьировалась. Так, при р = 5,88 МПа и х = 0,83 скорость потока изменялась от 4,2 до 20 м/с; при р = 8,83 МПа и х=0,87 — от 4,8 до 22 м/с; при р= 11,76 МПа и х=0,93 — от 7,4 до 33 м/с.

  При изменении скоростей в указанных пределах различия в показаниях диэлькометрического устройства отмечены не были, хотя очевидно, что необходимо проведение более совершенных исследований этого вопроса.

  При проведении исследований полезной оказалась выявленная информация по вибрации выходного сигнала. Так, при отключении интегрирующего звена вторичного преобразователя очевидной была зависимость колебания сигнала от влажности потока (дисперсности). Так, при р= = 11,76 МПа и х=1 сигнал был устойчив; при х=0,8 вибрация выходного сигнала составила около 4% при х=0,65 она приблизилась к 7%. Очевидно, что данный метод может быть использован для получения дополнительной информации по состоянию пароводяного потока при соответствующем выборе размеров и конструкции первичного преобразователя.

Промышленные испытания

  Промышленные испытания диэлькометрического устройства измерения паросодержания проведены на Березовской ГРЭС (БССР).

  Схема котла № 7 Березовской ГРЭС включает контур рециркуляции рабочей среды, предназначенный для глубоких разгрузок. Среда после нижней радиационной части сепарируется. Жидкая фаза возвращается на вход питательного насоса. Отсепарированный пар поступает в среднюю радиационную часть.

  Пробоотборник устанавливается после сепаратора на линии отвода отсепарированного пара.

Отвод анализируемой среды после диэлькометричетких датчиков осуществлен в верхнюю радиационную часть. Таким образом, байпасируется верхностей. Подбором диаметров подпорных средняя радиационная часть нагревательных по- шайб, устанавливаемых после датчиков, обеспечивалась изокинетичность отбираемой пробы и равенство скоростей в паропроводе и пробоотборной линии.

  Методика проведения испытаний состояла в ступенчатом изменении последовательно расхода питательной воды, топлива, среды, возвращаемой на вход питательного насоса. Регистрация сигнала по влажности пароводяного потока осуществлялась на потенциометре типа КСП-4 через согласующую приставку. Дополнительно был установлен стрелочный индикатор, выполненный на основе милливольтметра М-296. Окончание регистрации происходило после установления нового устойчивого показания.

  Время запаздывания сигнала по влажности водяного пара составило 3—4 с, что в основном обусловлено транспортной составляющей. Общее время выхода на новое значение не превышало 5—7 с.

  Надежностные характеристики диэлькометрического устройства определялись в течение полутора лет. За этот период наиболее уязвимым звеном оказался первичный преобразователь, в котором из-за резьбового соединения периодически нарушалась герметичность.

В то же время проведенные испытания показали высокую чувствительность и однозначность сигнала по влажности водяного пара, его достаточную стабильность. Хорошо зарекомендовали

себя по надежности вторичные преобразователи, хотя требуется доработка измерительной схемы на дистанционное расположение прибора.

 

Список литературы

1.  Резистивный и емкостный методы измерения паро- содержания/ В. И. Субботин, Ю. Е. Похвалов, Л. Е. Михайлов и др.// Теплоэнергетика. 1974. № 6. С. 63—68.

2.  Свистунов Е. П., Голубев Б. П., Пигилов Ю. Д. Электрозондирование высокотемпературного пароводяного потока// Теплоэнергетика. 1980. № 3. С. 67—69.

3.  Оптические измерения влажности пара/ Э. П. Зимин, О. В. Иноземцев, Э. И. Ливерант, 3. Г. Михневич// Теплоэнергетика. 1974. № 12. С. 46—49.

4.  Мельников В. И. Диагностика двухфазных потоков методом акустозондирования// Промышленная теплотехника. 1981. 4. 3. № 2. С. 110—116.

5.  Судиловский В. К. Сигнал по влажности пара в системах регулирования прямоточных парогенераторов: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Киев, 1968.

6.  Мулев Ю. В. Диэлектрическая проницаемость воды и водяного пара// Изв. вузов. Энергетика. Деп. Информ- энерго. 1987. № 2512-эн. 15 с.

7.  Мулев Ю. В., Кравец В. В Вторичные преобразователи диэлькометрических влагомеров водяного пара// Изв. вузов. Энергетика. Деп. Информэнерго. 1987. № 2649-эн. 17 с.

8.  А. с. 325549 СССР. Емкостный датчик влажности газа/ В. К. Судиловский, И. В. Боярчук, М. А. Вселюб- ский// Открытия. Изобретения. 1972. № 3.

9.  Нетушил А. В., Едмуратский П. В. О двусторонних оценках параметров смесей// ЖТФ. 1978. Т. 48. Вып. 6. С. 1300, 1301.

10.  Мулев Ю. В. Особенности диэлектрической проницаемости влажного водяного пара// Изв. вузов. Энергетика. Деп. Информэнерго. 1987. № 2506-эн. 8 с.

11.  Определение диэлектрической проницаемости влажного водяного пара/ Ю. В. Мулев, А. Д. Качан, В. К. Судиловский и др.// Изв. вузов. Энергетика. 1983. № 10. С. 96—99.