к. т. н., А. В. Коваленко

Используемые измерители перегретого пара определяют: давление, температуру, и, один «расходный параметр». Как уже отмечалось, этой информации недостаточно для определения тепла и массы влажного пара .

С целью обеспечения возможности контроля тепла и массы влажного пара для таких измерителей планируют использование вычислителей с возможностью ввода коррекции по параметру «степени сухости». Однако такое решение задачи контроля параметров влажного пара, на базе известного уровня техники, следует признать недостаточно эффективным.

В паропроводах перегретого пара сигнал «расходного параметра» этих измерителей соответствует массовому расходу контролируемого потока. Расход перегретого пара может быть представлен следующим математическим выражением:

, (1 .1)

где: - расход перегретого пара;

Плотность перегретого пара;

Скорость перегретого пара в паропроводе;

Сечение контролируемого потока.

Плотность перегретого пара является известной функцией давления и температуры пара в контролируемом паропроводе.

Для определения скорости потока перегретого пара () может быть использован любой приемлемый измеритель «расходного параметра», например измерительная диафрагма.

Таким образом, расход перегретого пара определяется по измеряемым сигналам «расходного параметра», температуры и давления. Для определения параметров перегретого пара эта расчетная модель является идеальной.

Однако перегретый пар, в процессе использования, или потерь, его тепловой энергии, неизбежно становится влажным паром.

Расход влажного пара может быть представлен следующим математическим выражением:

, (1.2)

где: - расход влажного пара;

Расход паровой фазы влажного пара (фаза насыщенного пара);

Расход жидкой фазы влажного пара;

Скорость движения жидкой фазы потока.

Насыщенный пар с температурой насыщенных паров; - влажный пар; - вода с температурой насыщенных паров.

Плотности фаз влажного пара являются известными функциями давления пара в контролируемом паропроводе. Другие же параметры влажного пара, например, такие как: , , , , , измерителями перегретого пара не могут быть определены. В этой ситуации не имеет смысла коррекция сигнала «расходного параметра» измеренным значением степени сухости по той причине, что этот сигнал физически не соответствует расходу потока или его фаз. Такой сигнал «расходного параметра нуждается не в коррекции, а … в подгонке.

Обозначенная проблема контроля тепла и массы влажного пара может быть в деталях показана на конкретных примерах.

Пример системы измерения расхода . Система измерения расхода пара с использованием напорных трубок специальной конструкции по патенту на изобретение № 2243508 (RU ). В этой системе (устройстве) определения расхода измеряются статическое давление и перепад давлений () между двумя напорными трубками в контролируемом потоке пара на выходе реактора, приемное окно одной напорной трубки направлено навстречу потоку, а другой - по потоку .

Из опубликованных источников известно, что результаты испытаний этой системы в паропроводах АЭС и ТЭС показывают преимущество использования напорных трубок перед другими измерителями параметров пара. В частности, показано их преимущество перед измерительными диафрагмами, в надежности и простоте конструкции, простоте и удобстве монтажа, в практическом отсутствии потерь напора .

В паропроводе реактора, например энергоблоков ВВЭР-1000, течет влажный пар со степенью сухости, не превышающей значение 0,98. В связи с этим перепад давления () измеряемый двумя напорными трубками устройства формируется обеими фазами контролируемого потока. Зависимость этого перепада давлений на напорных трубках от параметров потока может быть представлена следующим математическим выражением:

(1.3)

где: - коэффициент сигнала двух измерительных трубок;

Истинное объемное паросодержание потока влажного пара;

Скорость движения паровой фазы потока;

Скорость движения жидкой фазы потока;

Плотность паровой фазы;

Плотность жидкой фазы.

Приведенное выше уравнение (1.3) содержит три неизвестных параметра потока ( , , ) и коэффициент ( ) сигнала измерительных трубок устройства. Другой информации для решения задачи в эту систему не поступает. В связи с этим задача определения расхода влажного пара не может быть решена без использования дополнительной информации или ввода ограничивающих условий.

Рассматриваемому устройству, для определения расхода контролируемого потока влажного пара необходимо как-то определять, или, где-то брать значения , , и .

Это устройство используется в системе регулирования уровня теплоносителя в реакторах АЭС. Система обработки информации устройства использует однофазную модель потока. Это следует из текста и формул в его описании . Таким образом, реальное присутствие жидкой фазы, в контролируемом потоке, этим устройством игнорируется. Основная расчетная формула устройства по патенту на изобретение № 2243508 (RU ) может быть представлена следующим образом:

(1.4)

То есть, используется уравнение (1.3) при фиксированном значении (равном единице) истинного объемного паросодержания ( ) . Непосредственно из уравнения (1.4) видно как это искажает расчетное значение параметра скорости паровой фазы потока. Левая сторона формулы - измеряемый параметр, формируемый двумя движущимися с разными скоростями (сплошной паровой и, в ее объеме, дисперсной жидкой) фазами потока. Правая сторона формулы - произведение плотности паровой фазы (функция статического давления) на квадрат скорости паровой фазы потока.

Другой пример . Устройство по патенту № 2444726 (RU ) содержит паропровод с избирательным (селективным) к свойствам и параметрам паровой фазы измерителем «расходного параметра» (например, трубку Пито приемное окно которой, направлено по потоку), измеритель статического давления, и, измеритель степени сухости .

- По сигналу статического давления () определяют необходимые «табличные» параметры потока, например: плотности и удельные теплосодержания его фаз:

Плотность паровой фазы;

Плотность жидкой фазы;

Энтальпию паровой фазы;

Энтальпию жидкой фазы.

Сигнал измерителя динамического разрежения (если предварительно определен или где-то взят коэффициент ) позволяет определить скорость паровой фазы потока:

,(2.1)

где: - сигнал измерителя динамического разрежения;

Коэффициент сигнала измерителя динамического разрежения;

Плотность паровой фазы;

Скорость паровой фазы потока влажного пара.

- По сигналу измерителя степени сухости определяют отношение расхода паровой фазы (фазы насыщенного пара) к общему расходу контролируемого потока:

, (2.2)

Решение системы двух уравнений (2.1) и (2.2) с тремя неизвестными параметрами: , , , и четвертым неизвестным коэффициентом возможно только с привлечением дополнительной информации.

Такой дополнительной информацией для решения задачи может стать параметр скольжения фаз (). Отношение «местной» величины (истинное объемное паросодержание) к «расходной» величине (расходное объемное паросодержание) в технике именуемое параметром скольжения фаз ( ). Параметр скольжения фаз (), является слабой функцией давления, и может быть определен по эмпирической формуле () .

Таким образом, для решения задачи получают третье уравнение:

, (2.3)

Если как-то определить или где-то взять коэффициенты ( , , ) система трех уравнений (2.1), (2.2), (2.3) с тремя неизвестными параметрами потока ( , , ) по сигналам измерителей устройства (по патенту № 2444726) позволяет решать задачу контроля тепла и массы потока влажного пара. Показанное решение выглядит весьма громоздким, однако в некоторых условиях реализации отмеченный недостаток является ничтожным. Следует так же принимать во внимание то, что определяемые этим устройством параметры пара отстают от текущего момента на время запаздывания определяемого параметра степени сухости (около 30- 40 сек).

В представленной работе на конкретных примерах показано, что :

- Известные измерители перегретого пара, не обеспечивают возможности создания системы контроля тепла и массы влажного и насыщенного пара .

Следует признать бесперспективность узлов контроля тепла и массы влажного пара с использованием измерителей перегретого пара. Сами по себе они не контролируют тепло и массу потока влажного пара, а при их дополнении средствами контроля степени сухости, в лучшем случае, образуют, не обеспечивающую требуемой точности, громоздкую систему контроля с существенным запаздыванием определяемых параметров пара.

Следует обратить внимание на уровень техники доступный для решения задач контроля тепла и массы влажного пара: .

Предлагаемые технические решения являются ядром (варианта) системы контроля текущих параметров влажного пара обеспечивающей возможность нормирования точности по опорным сигналам измерителей степени сухости. Непосредственно нормируется точность контроля истинного объемного паросодержания и скоростей фаз потока. Детальное описание этого варианта системы контроля тепла и массы потока влажного пара будет позже представлено отдельной работой.

Литература:

1. Коваленко А. В. Вопрос создания системы контроля влажного пара для задач учета

и технологических целей. Статья на портале РосТепло. Опубликовано 06.02.2012 г.

2. А.Г. Агеев, Р.В. Васильева, Ю.С. Горбунов, Б.М. Корольков. Испытания системы измерения расхода пара в паропроводах парогенераторов энергоблока № 3 Балаковской АЭС в динамических режимах. / Журнал "Новое в Российской электроэнергетике", № 11, 2007 г./

3. Агеев А.Г. и др. Патент РФна изобретение № 2243508. Устройство для измерения расхода пара в паропроводе. Бюллетень изобретений, 27.12.2004 г. /Патентообладатель ЭНИЦ /

4. Коваленко А.В. Патент РФна изобретение № 2444726 (RU ). Устройство для контроля тепловой мощности, массового расхода, энтальпии и степени сухости потока влажного пара. Бюллетень изобретений № 7, 2012 г.

5. Тонг Л. Теплопередача при кипении и двухфазное течение. М.: Мир, 1969. -344 с.

6. Коваленко А.В. Патент РФна изобретение № 2380694 (RU ), МКП G 01N 25/60. Способ контроля степени сухости влажного пара / А.В. Коваленко // Бюллетень изобретений. 2010. № 3. № 2008119269. Приоритет 15.05.2008 г.

7. Коваленко А. В. Патент РФна изобретение № 2459198 (RU ), Устройство для контроля степени сухости, энтальпии, теплового и массового расходов влажного пара. Бюллетень изобретений № 23, 2012 г.

8. Коваленко А.В. Заявка на изобретение № 2011129977 (RU ). Устройство для определения степени сухости потока влажного пара. Приоритет от 19.07.2011 г. Решение о выдаче патента на изобретение от 09.07.2012 г.

9. Коваленко А.В. Заявка на изобретение № 2011120638 (RU ). Способ контроля истинного объемного паросодержания и скоростей фаз потока влажного пара в паропроводе парогенератора. Приоритет от 20.05.2011 г. Решение о выдаче патента на изобретение от 12.10.2012 г.

10. Коваленко А.В. Заявка на изобретение № 2011121705 (RU ). Способ контроля истинного объемного паросодержания и скоростей фаз потока влажного пара в паропроводе на потоке. Приоритет от 27.05.2011 г. Решение о выдаче патента на изобретение от 12.10.2012 г.

1. Измерение расхода водяного пара

Расчет сужающего устройства для измерения расхода (Q 0) водяного пара производится по следующей методике

Определяем недостающие для расчета данные

Абсолютное давление измеряемой среды перед сужающим устройством определяется как сумма барометрического и избыточного давлений

где - барометрическое давление (Р б = 1 кгс/см 2 = 9,8066*10 4 Па);

Избыточное давление().

Плотность измеряемой среды в рабочих условиях (и t=340 0 С).

Приложение 3

Определяем значение D, соответствующее рабочей температуре t = 340 0 С вещества в трубопроводе по формуле:

где - внутренний диаметр трубопровода перед сужающим устройством при температуре t = 20 0 С (D = 200 мм);

Средний коэффициент линейного теплового расширения материала сужающего устройства (трубопровода) в интервале от 20 до t°С, 1/град

t - температура измеряемой среды перед сужающим устройством (t = 340 0 С).

Динамическая вязкость измеряемой среды в рабочих условиях

Температура, 0 С
Динамическая вязкость, 10 -5 Па*с

Принимаем.

Принимаем показатель адиабаты равным k =1,38.

Принимаем сужающее устройство Сопло, руководствуясь следующими соображениями

а) при одних и тех же значениях модуля и перепада давления сопло позволяет измерять больший расход, чем диафрагма, а при D ? 300 мм обеспечивает также более высокую точность измерения в сравнении с диафрагмой (особенно при малых модулях);

б) при одних и тех же значениях модуля и расхода потеря давления в сопле значительно меньше, чем в диафрагме;

в) точность измерения расхода газов и пара при применении сопла выше, чем при применении диафрагмы;

г) изменение или загрязнение входного профиля сужающего устройства в процессе эксплуатации влияет на коэффициент расхода диафрагмы в значительно большей степени, чем на коэффициент расхода сопла.

1.3. Верхний предел измерений дифманометра Q П (Q ОП, Q НИ, Q МП) выбираем по заданному наибольшему измеряемому расходу Q max = 0,8 м 3 /с = 2880 м 3 /ч так, чтобы стандартное значение Q П было ближайшее большее по отношению к значению Q m ах. Таким образом принимаем Q П = 3200 м 3 /ч.

1.4. Принимаем модуль сужающего устройства из следующих соображений:

При применении сопел и сопел Вентури неточность поправки на число Рейнольдса ДQ оказывает наименьшее влияние на коэффициент расхода, когда 0,5 ? m ? 0,65.

Таким образом принимаем m = 0.5.

1.5. По значению m вычисляю:

Коэффициент расхода а И по формуле:

а И = 0,9100 + 0,6258m - 1.4m 2 + 1.6667m 3 , при m = 0,5 а И = 1.0812;

Значение коэффициента расхода б по формуле:

а = а И *k 2 ,

где k 2 - поправочный множитель на шероховатость трубы (k 2 = 1,005).

пар давление аналоговый коммутатор

а = ,0812*1,005 = 1,0866.

1.6. Определяем предельный номинальный перепад давления дифманометра ДРн. Пусть задана допустимая потеря давления в сужающем устройстве, при наибольшем измеряемом расходе Qmах.

Определяем допустимую потерю давления Р ПД при расходе, равном выбранному верхнему пределу измерений дифманометра Q П = 3200 м 3 /ч.

Предельный перепад давления дифманометра ДРн выбираем из ряда стандартных чисел. Следовательно, ДРн = 250 кПа.

1.7. Определяем число Рейнольдса при расходе равном Q СР = 2520 м 3 /ч.

Т.к. рассчитанное число Рейнольдса > для данного модуля m = 0.5, то расчет продолжаем дальше.

1.8. Определяем наибольший перепад давления в сужающем устройстве для кольцевых, сильфонных и мембранных дифманометров по формуле:

1.9. Определяем поправочный множитель по формуле:

1.10. Подсчитываем отношение

1.11. Определяем поправочный множитель по формуле:

1.12. Подсчитываем (с четырьмя значащими цифрами) искомое значение d 20 диаметра отверстия сужающего устройства при 20 °С:

1.13. Для поплавковых дифманометров, заполненных ртутью, над которой находится газ плотностью 14 кг/м 3 , или маслом, над которым находится газ плотностью 0,9 кг/м 3 , а также для кольцевых, колокольных, сильфонных и мембранных дифманометров определяем объемный расход соответствующий наибольшему перепаду давления

Влияние схем включения подогревателей энергоблока на тепловую эффективность подогрева

Первый этап расчета ПТС заключается в определении состояний водяного пара в ступенях турбины. Для этого строят процесс работы пара в турбине в h, S-диаграмме. Используем методику ...

Модернизация системы энергоснабжения цементного завода

Выполняется тепловой баланс: В соответствии с ВНТП 06-86 выбираем параметры пара: T=187.9 0C P=1.2MПа Где теплоемкость мазута в ккал/(кг*0С) считается по формуле сТ=0,415+0,0006*t, t - температура топлива, 0С. Среднюю температуру мазута принимаем зима- -20, лето 20...

Проект конденсационной электростанции 450 мВт в г. Назарово

Коэффициент недовыработки мощности отопительного отбора равен: Для первого отбора: (4) где - энтальпия на выходе из турбины, кДж/кг; - энтальпия пара на входе в пароперегреватель, кДж/кг; - энтальпия пара на выходе из пароперегревателя, кДж/кг...

Проект ТЭЦ мощностью 500 МВт

Коэффициент недоиспользования мощности отопительных отборов: для первого отбора: (30) для второго отбора: (31) Расход пара на сетевые подогреватели определим из уравнения теплового баланса: (32) (33) Принимая коэффициент регенерации Kр = 1...

Проект ТЭЦ с разработкой инвариантных САР

Расход пара на турбину определяется по формуле: . Тогда: кг/с, кг/с, кг/с, кг/с, кг/с, кг/с, кг/с, кг/с, кг/с, кг/с, кг/с, кг/с, кг/с. Мощность, вырабатываемая в турбине: =80 МВт - мощность...

Проектирование ГРЭС

Коэффициент недоиспользования мощности отопительного отбора на нижний сетевой подогреватель: (2.21) где iотб7 - энтальпия пара в отборе на нижний сетевой подогреватель из таблицы 2.2, кДж/кг; iк - энтальпия пара в конденсаторе из таблицы 2.2...

В данном курсовом проекте для измерения расхода пара используется метод переменного перепада давления. Этот метод основан на том, что поток пара, протекающего в трубопроводе...

Проектирование систем контроля расхода и температуры пара

Для измерения температуры пара используем термоэлектрический термометр - термопара ХК (хромель-капель). Термопара - это два проводника (термоэлектрода), изготовленные из разных металлов, спаянные в одной точке...

Проектирование тепловой схемы ТЭЦ для промышленного предприятия и жилого района

Измерение расхода и массы веществ (жидких, газообразных, сыпучих, твердых, паров и т. п.) широко применяется как в товароучетных и отчетных операциях, так и при контроле, регулировании и управлении технологическими процессами...

Разработка расходомера переменного перепада давления с трубой Вентури

Требуется рассчитать приведенную температуру перегретого водяного пара tпр и приведенное давление pпр для определения коэффициента динамической вязкости з. По данным справочника : , где t - температура водяного пара, ?C; t=500 ?C....

Расчет принципиальной тепловой схемы и технико-экономических показателей энергоустановки (энергоблок с турбиной ПТ-135/165-130/15)

энергоблок пар турбина деаэратор Определение предварительного расхода пара на турбину. Коэффициент недоиспользования мощности промышленного отбора: ; где Hi=i0-ik, hпр=i0-i3 - использованные теплоперепады потока пара. Hi=3471.4-2063.26 =1408.14 кДж/кг. hпр=3471...

Расчет рабочего контура ядерной энергетической установки

Количество пара, отбираемого на технологические нужды двухконтурных АЭС (расход пара на собственные нужды СН), определяется мощностью АЭС, особенностями принципа действия принятой в расчет ЯЭУ АЭС и АЭС в целом...

Расчет тепловой схемы турбины К-800-240

Расчёт принципиальной тепловой схемы по методу последовательных приближений основан на предварительной оценке расхода пара на турбину с помощью диаграммы режимов или по приближенным формулам...

Расчет цилиндра низкого давления (ЦНД) турбины К-300-240-1

Тепловая схема установки принимается по прототипу. Число отборов, давление пара в отборах и расход пара в каждом отборе выбираются по таблицам, представленным в приложении ...

Точность измерения расхода пара зависит от целого ряда фак­торов. Один из них – степень его сухости. Часто этим показа­телем пренебрегают при подборе приборов учета и измерения, и совершенно напрасно. Дело в том, что насыщенный влажный пар по сути является средой двухфазной, и это вызывает ряд проблем в измерении его массового расхода и тепловой энер­гии. Как решить эти проблемы, мы сегодня разберемся.

Свойства водяного пара

Для начала, определимся с терминологией и выясним, каковы особенности влажного пара.

Насыщенный пар – водяной пар, находящийся в термодинами­ческом равновесии с водой, давление и температура которого связаны между собой и располагаются на кривой насыщения (рис.1), определяющей температуру кипения воды при данном давлении.

Перегретый пар – водяной пар, нагретый до температуры выше температуры кипения воды при данном давлении, получаемый, например, из насыщенного пара путем дополнительного нагре­ва.

Сухой насыщенный пар (рис.1) – бесцветный прозрачный газ, является гомогенной, т.е. однородной средой. В некоторой сте­пени это абстракция, так как получение его затруднительно: в природе он встречается только в геотермальных источниках, а производимый паровыми котлами насыщенный пар не является сухим – типичные значения степени сухости для современных котлов 0,95-0,97. Чаще всего степень сухости еще ниже. Кроме того, сухой насыщенный пар метастабилен: при поступлении тепла извне он легко становится перегретым, а при отдаче теп­ла - влажным насыщенным:

Рисунок 1. Линия насыщения водяного пара

Влажный насыщенный пар (рис.2) представля­ет собой механическую смесь сухого насыщенно­го пара с взвешенной мел­кодисперсной жидкостью находящейся с паром в термодинамическом и ки­нетическом равновесии. Флуктуация плотности га­зовой фазы, наличие по­сторонних частиц, в том числе несущих электриче­ские заряды – ионы, при­водит к возникновению центров конденсации, носящей гомогенный ха­рактер. По мере роста влажности насыщенно­го пара, например, из-за тепловых потерь или повышения давления, мельчайшие капельки воды становятся центрами конденсации и по­степенно растут в размерах, а насыщенный пар становится гетерогенным, т.е. двухфазной сре­дой (пароконденсатной смесью) в виде тумана. Насыщенный пар, представляющий газовую фазу пароконденсатной смеси, при движении передает часть своей кинетической и тепло­вой энергии жидкой фазе. Газовая фаза потока несет в своем объеме капельки жидкой фазы, но скорость жидкой фазы потока существен­но ниже скорости его паровой фазы. Влажный насыщенный пар может формировать границу раздела, например, под воздействием гравита­ции. Структура двухфазного потока при конден­сации пара в горизонтальных и вертикальных трубопроводах меняется в зависимости от со­отношения долей газовой и жидкой фаз (рис.3):


Рисунок 2. PV-диаграмма водяного пара

Рисунок 3. Структура двухфазного потока в горизонтальном трубопроводе

Характер течения жидкой фазы зависит от соотношения сил трения и сил тяжести, и в горизонтально расположенном трубо­проводе (рис.4) при высокой скорости пара течение конденсата может оставаться пленочным, как и в вертикальной трубе, при средней может приобретать спиралевидную форму (рис.5), а при низкой пленочное течение наблюдается только на верхней внутренней поверхности трубопровода, а в нижней формирует­ся непрерывный поток, «ручей».

Таким образом, в общем случае поток пароконденсатной сме­си при движении представляет собой три составляющих: сухой насыщенный пар, жидкость в виде капель в ядре потока и жид­кость в виде пленки или струи на стенках трубопровода. Каждая из этих фаз имеет свою скорость и температуру, при этом при движении пароконденсатной смеси возникает относительное скольжение фаз. Математические мо­дели двухфазного течения в паропро­воде влажного насы­щенного пара пред­ставлена в работах.

Рисунок 4. Структура двухфазного потока в вертикальном трубопроводе

Рисунок 5. Спиралевидное движе­ние конденсата.

Проблемы измерения расхода

Измерение массового расхода и тепловой энергии влажного на­сыщенного пара связано со следующими проблемами:
1. Газовая и жидкая фазы влажного насыщенного пара движут­ся с различной скоростью и занимают переменную эквива­лентную площадь поперечного сечения трубопровода;
2. Плотность насыщенного пара возрастает по мере роста его влажности, причем зависимость плотности влажного пара от давления при различной степени сухости неоднозначна;
3. Удельная энтальпия насыщенного пара снижается по мере роста его влажности.
4. Определение степени сухости влажного насыщенного пара в потоке затруднительно.

Вместе с тем, повышение степени сухости влажного насыщенно­го пара возможно двумя известными способами: «мятием» пара (снижением давления и, соответственно, температуры влажного пара) с помощью редукционного клапана и отделением жидкой фазы с помощью сепаратора пара и конденсатоотводчика. Со­временные сепараторы пара обеспечивают почти 100% осуше­ние влажного пара.

Измерение расхода двухфазных сред – крайне сложная задача, до сих пор не вышедшая за пределы исследовательских лабо­раторий. Это в особой степени касается пароводяной смеси.

Большинство расходомеров пара являются скоростными, т.е. измеряют скорость потока пара. К ним относятся расходомеры переменного перепада давления на базе сужающих устройств, вихревые, ультразвуковые, тахометрические, корреляционные, струйные расходомеры. Особняком стоят кориолисовые и те­пловые расходомеры, непосредственно измеряющие массу протекающей среды.

Рассмотрим, как различные виды расходомеров справляются со своей задачей, если имеют дело с влажным паром.

Расходомеры переменного перепада давления

Расходомеры переменного перепада давления на базе сужаю­щих устройств (диафрагм, сопел, труб Вентури и других местных гидравлических сопротивлений) до сих пор являются основным средством измерения расхода пара. Однако, в соответствии с подразделом 6.2 ГОСТ Р 8.586.1-2005 «Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом перепада давления»: По условиям применения стандартных сужающих устройств, кон­тролируемая «среда должна быть однофазной и однородной по физическим свойствам ":

При наличии в трубопроводе двухфазной среды пара и воды из­мерение расхода теплоносителя приборами переменного пере­пада давления с нормированной точностью не обеспечивается. В этом случае «можно было бы говорить об измеренном рас­ходе паровой фазы (насыщенного пара) потока влажного пара при неизвестном значении степени сухости».

Таким образом, применение таких расходомеров для измере­ния расхода влажного пара приведет к недостоверным показа­ниям.

Оценка возникающей методической погрешности (до 12% при давлении до 1 МПа и степени сухости 0,8) при измерении влаж­ного пара расходомерами переменного перепада давления на базе сужающих устройств проведена в работе.

Ультразвуковые расходомеры

Ультразвуковые расходомеры, успешно применяемые при изме­рении расхода жидкостей и газов, ещё не нашли широкого приме­нения при измерении расхода пара, несмотря на то, что отдель­ные их типы выпускаются серийно или были анонсированы производителем. Проблема заключается в том, что ультра­звуковые расходомеры, реализующие доплеровский принцип из­мерений, основанный на сдвиге частоты ультразвукового луча, не пригодны для измерения перегретого и сухого насыщенного пара из-за отсутствия неоднородностей в потоке, необходимых для от­ражения луча, а при измерении расхода влажного пара сильно занижают показания из-за отличия скоростей газовой и жидкой фазы. Ультразвуковые расходомеры времяимпульсного типа наоборот неприменимы для влажного пара из-за отражения, рас­сеивания и преломления ультразвукового луча на каплях воды.

Вихревые расходомеры

Вихревые расходомеры разных производителей при измерении влажного пара ведут себя неодинаково. Это определяется как конструкцией первичного преобразователя расхода, принципа детектирования вихрей, электронной схемы, так и особенно­стями программного обеспечения. Принципиальным является влияние конденсата на работу чувствительного элемента. В некоторых конструкциях «серьезные проблемы возникают при измерении расхода насыщенного пара, когда одновременно в трубопроводе существует газовая и жидкая фаза. Вода кон­центрируется вдоль стенок трубы и препятствует нормальному функционированию датчиков давления, установленных запод­лицо со стенкой трубы". В других конструкциях конденсат может затапливать сенсор и блокировать измерение расхода вовсе. Зато у некоторых расходомеров это практически не влия­ет на показания.

Кроме этого, двухфазный поток, набегая на тело обтекания, фор­мирует целый спектр вихревых частот, связанных как со скоро­стью газовой фазы, так и со скоростями жидкой фазой (капель­ ной формы ядра потока и пленочной или струйной пристеночной области) влажного насыщенного пара. При этом амплитуда вих­ревого сигнала жидкой фазы может быть весьма значительной и, если электронная схема не предполагает цифровой фильтрации сигнала с помощью спектрального анализа и специального ал­горитма выделения «истинного» сигнала, связанного с газовой фазой потока, что характерно для упрощенных моделей рас­ходомеров, то будет происходить сильное занижение показаний расхода. Лучшие модели вихревых расходомеров обладают си­стемами DSP (цифровой обработки сигнала) и SSP (спектральной обработки сигнала на основе быстрого преобразования Фурье), которые позволяют не только повысить отношение сигнал/шум, выделить «истинный» вихревой сигнал, но и устранить влияние вибраций трубопровода и электрических помех.

Несмотря на то, что вихревые расходомеры предназначены для измерения расхода однофазной среды, в работе показано, что они могут быть использованы для измерения расхода двух­фазных сред, в том числе, пара с каплями воды при некоторой деградации метрологических характеристик.

Влажный насыщенный пар со степенью сухости свыше 0,9 по экспериментальным исследованиям EMCO и Spirax Sarco мож­но считать гомогенным и за счет «запаса» по точности расходо­меров PhD и VLM (±0,8-1,0%), показания массового расхода и тепловой мощности будут находиться в пределах погрешно­стей.

При степени же сухости 0,7-0,9 относительная погрешность из­мерений массового расхода этих расходомеров может дости­гать десяти и более процентов.

Другие исследования, например, дают более оптимисти­ческий результат – погрешность измерения массового расхода влажного пара соплами Вентури на специальной установке для калибровки расходомеров пара находится в пределах ±3,0% для насыщенного пара со степенью сухости свыше 0,84.

Чтобы избежать блокирования чувствительного элемента вих­ревого расходомера, например, чувствительного крыла конден­сатом, некоторые производители рекомендуют ориентировать первичный преобразователь таким образом, чтобы ось чувстви­тельного элемента была параллельна поверхности раздела пар/конденсат.

Другие типы расходомеров

Расходомеры переменного перепада/переменной площади, обтекания с подпружиненной заслонкой и мишенные перемен­ной площади не допускают измерение двухфазной среды из-за возможного эрозионного износа проточной части при движении конденсата.

Принципиально только массовые расходомеры кориолисового типа могли бы измерять двухфазную среду, однако исследова­ния показывают, что погрешности измерений кориолисовых расходомеров в значительной степени зависят от соотношения долей фаз, а «попытки разработать универсальный расходомер для многофазных сред скорее ведут в тупик». В тоже время ко­риолисовые расходомеры интенсивно развиваются, и, воз­можно, успех будет достигнут уже скоро, но пока таких промыш­ленных средств измерений на рынке нет.