Инж. МУЛЕВ Ю. В., кандидаты техн. наук, доценты КАЧАН А. Д.,
СУДИЛОВСКИЙ В. К, канд. техн. наук РУБАХИН В. Б.,
инж. РЫМАШЕВСКИЙ Ю. В.
Белорусский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт
Повышение экономичности, снижение аварийности, оптимизация режимов работы энергетического оборудования требуют широкой автоматизации процессов и в некоторых случаях введения дополнительных измерений новых величин и параметров как для дальнейшего улучшения режимов работы оборудования, так и для совершенствования используемых и разработки новых систем автоматического регулирования.
В химической промышленности одним из основных параметров наряду с температурой и давлением стала диэлектрическая проницаемость рабочих сред и веществ. Как показывает анализ, в тепловой и атомной энергетике диэлектрическая проницаемость воды и водяного пара может быть также использована в качестве важного параметра, характеризующего состояние рабочего тела.
Измерению диэлектрической проницаемости воды и водяного пара, разработке и исследованию устройств измерения влажности на основе диэлькометрического способа посвящен ряд работ [1, 2], в которых последний успешно применен для исследования двухфазных потоков. Более широкое распространение этого способа, как представляется авторам, затруднено из-за недостаточной изученности электрофизических свойств водяного пара и сложности аппаратурной реализации предложенных методов измерений на основе серийных приборов.
С целью дальнейшего изучения электрических свойств воды и создания на основе диэлькометрического способа измерительных средств для определения влажности водяного пара на Лукомльской ГРЭС смонтирован экспериментальный стенд.
Работа стенда основана на создании потока влажного пара путем охлаждения в теплообменниках отбираемого из пароводяного тракта котлоагрегата перегретого пара с параметрами р=25 МПа и T = 703 К. Стенд состоит (рис. 1) из последовательно соединенных теплообменников 1—4, установленных по паровому и водяному трактам расходомерных диафрагм 5, 6, встроенных в паровую линию трех диэлькометрических датчиков 7, 8, 9, коллектора охлаждающей воды 10, мерного сосуда охлаждающей воды, регулирующей арматуры 12—16.
Экспериментальный стенд позволяет в установившемся режиме работы одновременно проводить исследования на трех участках паропровода с различной степенью сухости пара, причем последняя устанавливается путем регулирования подачи охлаждающей воды на каждый теплообменник автономно. Для исследования потоков с высокой степенью сухости пара теплообменник перед первым датчиком разделен на две параллельные секции.
Рис. 1. Экспериментальный стенд для исследования электрофизических свойств влажного водяного пара
Теплообменники представляют собой «трубу в трубе». Паровой тракт и диэлькометрические датчики изготовлены из нержавеющей стали Х18Н9Т. Диаметр паропроводов 32 мм с толщиной стенки 6 мм.
Расход острого пара измерялся стандартной расходомерной диафрагмой с учетом поправок на изменение удельного объема перегретого пара. Для установки стандартной диафрагмы в тракте предусмотрен участок Dy50, изготовленный из стали 12Х1МФ. В качестве вторичного использован прибор ДСР 1-10 с классом точности 0,5.
Замер расхода охлаждающей воды производился также стандартными диафрагмами, предварительно оттарированными и периодически контролируемыми с помощью мерного сосуда.
Температура пара измерялась при помощи хромель-алюмелевых термопар, изготовленных из провода Ø 0,4 мм и зачеканенных в стенки паропровода. Данный способ, согласно [3], обеспечивает измерение температуры потока с погрешностью не более 0,7 К. Для автоматической записи применялись потенциометры ПС1-10 с классом точности 0,5 и для проведения контрольных измерений — потенциометр ПП-0,63 с классом 0,05.
Замер температуры охлаждающей воды на входе и выходе теплообменников производился стеклянными термометрами со шкалами 0—50 и 50—100 °С с ценой деления 0,1 °С.
Давление исследуемой среды контролировалось образцовыми манометрами с классом точности 0,4 и шкалой 0—160 кгс/см2.
В качестве диэлькометрических датчиков применен емкостный датчик, предложенный в [4], состоящий из коаксиально расположенных внутренней и наружной обкладок и подводящих патрубков; в качестве электроввода применен стандартный проходной изолятор, представляющий собой металлический корпус с керамикой и впеченным в нее электродом.
Перед проведением эксперимента осуществлялась тарировка датчиков по методике, предложенной в [5]. Измерение производилось прибором Е8-4 с классом точности 0,2. Диэлектрические проницаемости тарировочных жидкостей приняты также из [5].
В качестве измерителя диэлектрической проницаемости принято устройство, структурная схема которого показана на рис. 2. Диэлькометрический датчик 1 подключен к генератору 2, частота выходного сигнала которого пропорциональна значению емкости датчика. Выходной сигнал генератора поступает на преобразователь частота-напряжение. Для устойчивой работы преобразователя на него также поступает сигнал с генератора опорного напряжения, имеющий строго определенную частоту. Значение напряжения на выходе преобразователя характеризует величину емкости датчика. Напряжение на выходе преобразователя контролируется вольтметром В7-27 и записывается прибором Н-399. Устройство работает на частоте 2 МГц. Высокие частоты выбраны, исходя из того, что. как показано в [6], при удельной проводимости воды ϭ= (0,1—0,2) ·10-4 См/м и нор- мальной температуре тангенс угла диэлектрических потерь минимален в диапазоне 106—108 Гц.
Для получения рабочей характеристики устройства к его входу (место подключения датчика) подсоединялся высокочастотный магазин емкостей Р 534/2 с ценой деления 0,1 пФ. Средняя крутизна характеристики μ = 0,058 пФ, причем дрейф устройства влечение 1 часа с подсоединенным датчиком не превышал 0,0005 В (1·10-2 пФ). На характеристику устройства активное сопротивление до R≥10 кОм не влияло.
Рис. 2. Структурная схема измерительного устройства:
1 — диэлькомстрический датчик; 2 — генератор; 3 — преобразователь; 4 — опорный генератор; 5 — цифровой и записывающий приборы
Проверка работоспособности устройства и подтверждение правильности выбора методики осуществлялись измерением диэлектрической проницаемости пара на линии насыщения. Получены экспериментальные данные при давлении р = 8,83; 11,77; 14,7 МПа. Проведено по 3—4 замера на каждом давлении для 5 серий экспериментов. Максимальная среднеквадратичная ошибка измерения диэлектрической проницаемости водяного пара на линии насыщения от известных составила 2,16·10-2, что подтвердило правильность выбора методики.
Определение степени сухости х создаваемого на экспериментальном стенде пароводяного потока осуществлялось из уравнения теплового баланса
Gпhвх''-hвых''= Gвhвых'-hвх'+ ∆Q , (1)
где hвх'' — энтальпия пара на входе в теплообменник;
hвых''—то же, на выходе;
hвых' — энтальпия охлаждающей воды на выходе из теплообменника;
hвх' — то же, на входе;
Gп, Gв — расход пара и охлаждающей воды, кг/с;
∆Q — удельные тепловые потери.
Из формулы (1) путем несложных преобразований получим
Рис. 3. Зависимости диэлектрической проницаемости от степени сухости влажного водяного пара при р= 11,77 МПа;
1 (∆) — предложенная В. И. Оделевским; 2 (□) — по закону объемно-долевой аддитивности; 3 (О) — экспериментальные точки
x= hвх''- hs'hs''- hs'- GвGп ∙ hвых'- hвх'hs''- hs'-∆Q1hs''- hs' , (2)
где hs', hs'' —удельная энтальпия воды и водяного пара на линии насыщения.
Измерение диэлектрической проницаемости влажного пара производилось на изобаре p=11,77 МПа.
На рис. 3 показаны полученные экспериментальные, а также теоретические зависимости диэлектрической проницаемости от степени сухости влажного водяного пара, рассчитанные по формуле, предложенной В. И. Оделевским,
ε= 2-3φεв+(3φ-1)εп4+ 2-3φεв+(3φ-1)εп42+εвεп2 , (3)
и зависимость диэлектрической проницаемости от степени сухости по закону объемнодолевой аддитивности:
ε = φεп+(1 - φ)εв (4)
где ε —диэлектрическая проницаемость смеси;
φ — объемное паросодержание;
εв — диэлектрическая проницаемость воды;
εп — диэлектрическая проницаемость пара.
Полученные экспериментальные точки лежат между теоретическими зависимостями. Это свидетельствует о том, что влажный водяной пар существенно отличается от электрофизических моделей, принятых в приведенных публикациях. В связи с этим требуется разработка собственной электрофизической модели влажного водяного пара на основе экспериментальных исследований в более широком диапазоне давлений и влажностей (паросодержаний). В то же время опыты показали, что диэлькометрический способ может успешно применяться для измерений влажности пароводяных потоков высоких параметров и формирования сигналов для систем автоматического регулирования энергетического оборудования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Голубев Б. П. Исследование физико-химических свойств теплоносителя методом кондуктометрии и диэлькометрии для современных теплоэнергетических установок: Автореф. дис. ... докт. техн. наук.— М.: МЭИ, 1978.—41 с.
2. Судиловский В. К- Сигнал по влажности водяного пара в системах автоматического регулирования: Автореф. дис. ... канд. техн. наук.— Киев, 1968.—21 с.
3. Внуков А. К. Экспериментальные работы на парогенераторах.— М.: Энергия, 1971, с. 221—222.
4. А. с. 325549 (СССР) Емкостный датчик влажности газа / В. К. Судиловский, И. В. Боярчук, М. А. Вселюбский.— Опубл. в Б. И., 1972, № 3.
5. Надь Ш. Б. Диэлектрометрия.— М.: Энергия, 1976.—199 с.
6. Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов / Под общ. ред. Е. С. Кричевского.— М.: Энергия, 1980.—240 с.
Представлена кафедрой 12.1 1.1982 тепловых электрических станций
