Система измерения сухости пара

На генерацию пара уходит до 80% топлива, потребляемого в РФ. Однако эффективность процесса генерации пара и его использования низка по двум, в основном, причинам: во-первых, отсутствие автоматического регулирования степени сухости пара в парогенераторах и, во-вторых, отсутствие систем контроля сухости пара у потребителей.

Дело в том, что для перевода одного килограмма воды в пар необходимо затратить 2250 кДж тепловой энергии и, соответственно, столько же получит потребитель тепла, при переходе пара в жидкую воду. Теплоемкость же воды равна 4,2 кДж/(кг·К). Поэтому, если в паре присутствует капельная влага (влажный пар), то при переходе пара в жидкое состояние один килограмм капельной влаги дает тепла в 535 раз меньше, чем килограмм пара.

Для исключения попадания капельной влаги в пар в котлах устанавливают сепараторы и пароперегреватели, на работу которых уходит до 15% общего расхода топлива [1]. Отсутствие систем измерения сухости пара приводит к тому, что пароперегреватели работают из расчета максимальной мощности при любых режимах отбора пара и температурах у потребителя. В итоге имеет место избыточный расход топлива.

Еще большие потери тепловой энергии и измеренной массы потребленного пара связаны с паропроводами. Некачественная или изношенная теплоизоляция паропроводов приводит к охлаждению пара в процессе транспортировки к потребителю и неоправданным финансовым затратам на покупку пара, в котором неизвестное количество капельной воды существенно снижает количество передаваемого тепла и искажает показания массовых расходомеров. Поскольку потребителю тепловой энергии ее необходимо фиксированное количество, определяемое технологическим процессом, то котельные (или парогенераторы) вынуждены генерировать дополнительное количество пара, на что расходуется, естественно, дополнительное количество топлива.

Общее представление о состоянии теплоснабжения в РФ дает статья руководителя департамента энергетического надзора, лицензирования и энергоэффективности Минэнерго РФ (Главгосэнергонадзор) С.А. Михайлова и В.Г. Семенова, главного редактора журнала «Новости теплоснабжения» под названием «Теплоснабжение Российской Федерации в цифрах» [2].

Согласно приведенным данным:
«Энергоемкость ВВП превышает уровень, достигнутый в развитых странах Запада, в 3,5 раза… С учетом объемов теплопотребления становится ясно, что теплоснабжение определяет энергорасточительность экономики страны… Суммарный объем реальной экономии в тепловых сетях и теплопотреблении можно оценить в 850 млн Гкал/год»

«Устройство для определения степени сухости потока влажного пара, содержащее: паропровод, с измерителем давления и измерителем температуры, с узлом отбора пробы пара; теплообменник; линию подвода пара в теплообменник от узла отбора пробы пара; линию подвода холодной воды, с расходомером, с измерителем давления и измерителем температуры; вычислитель, с подключенными выходами измерителей; содержит: теплообменник, не смешивающий конденсат отбираемого пара с нагреваемой водой; линию отвода конденсата отбираемого пара, с расходомером, с измерителем давления и измерителем температуры».

Автор патента приводит описание эксперимента с использованием устройства: «Возможность осуществления работы устройства показана примером вычисления степени сухости по сигналам его измерителей. Во время эксперимента для выбранного момента времени зарегистрированы следующие значения измеряемых параметров:
- расход холодной воды - Gхол.воды=30,0 т/ч;
- расход конденсата пара - Gконд.пара=10,0 т/ч».

Оказывается, согласно патенту, для выполнения измерений потребовалось 30 тонн в час холодной воды и 10 тонн в час пара. Подобные затраты на измерения не окупятся ни в каких системах генерации, передачи или использования паровой энергии.

За рубежом положение с измерением сухости пара аналогично российскому. Вот что сказано в справочных данных мирового лидера по разработке и продаже систем измерения расходов жидкостей и пара Kessler - Ellis Products Co. Inc. (USA) [4]:

«Измерение расхода двухфазной среды - задача, вызывающая большие сложности. До сих пор ее решение рассматривается в исследовательских лабораториях. В особой степени это можно отнести к пароводяным смесям…»

Из проведенного рассмотрения проблемы измерения сухости пара можно сделать, как минимум, два вывода:

Первое. Система измерения сухости пара является первым необходимым условием модернизации котлов и паропроводов, поскольку без знания численных значений параметров пара невозможно выполнять процессы регулирования режимов котлов, диагностировать состояние паропроводов, обоснованно вести расчеты между потребителями и поставщиками тепловой энергии. По самым скромным оценкам авторов статьи [2], сокращение потерь только в расходе природного газа хотя бы на 10% и половину потерь в паропроводах (150 млн. Гкал/год при стоимости 1 Гкал в 300 руб.) дает экономию в 60 млрд. руб. в год.

Второе. Как видно из проанализированных материалов, попытки решить корректно проблему измерения влажности пара, величина которой входит во все тепловые уравнения и позволяет снизить количество передаваемой тепловой энергии, пока не увенчались успехом.

По указанным причинам работы по созданию эффективной системы измерения степени сухости пара в реальном режиме времени представляется весьма актуальной.

Параметры трубопроводов пара делятся на несколько категорий по характеристикам теплоносителя:

4 - давление пара до 1,6 МПа и температурой пара до 204°С.

Данная классификация обусловлена исходными типоразмерами производимого на территории России парового оборудования. Давление пара соответствуют оборудованию - температура пара принята из расчета температуры пара на линии насыщения, так как если пар идет с температурой выше линии насыщения, то он считается перегретым и его влажность x = 0

Рассмотрим и проанализируем исходные параметры измеряемой среды.

1) Давление: Р=0,07-0,6 МПа. Давление принимаем из расчета того, что основная масса современных производителей парового оборудования изготавливает паровые котлы и парогенераторы давлениями в данном диапазоне. Так как это, во - первых, устраивает потребительский рынок, а во вторых при данном давлении можно избежать трудностей с оформлением документов РОСТЕХНАДЗОРа.

2) Температура измеряемой среды (пара): Т=110-165°С. Данная температура совпадает с температурой пара на линии насыщения в рабочем диапазоне давлений. Запас на температуру перегрева или недогрева не требуется, так как при перегреве пара на 5°С выше температуры насыщения при данном давлении пар считается 100% сухим. В то время как недогрев на 5°С ведет к образованию огромного количества конденсата.

3) Диапазон измерения влажности пара: x = 0-15%. Данный диапазон позволяет дать полную характеристику пару как теплоносителю. При влажности пара 18-20% он на 1/2 теряет свои свойства и несет по паропроводу 1/3 конденсата.

4) Погрешность измерения: δ = 5%. Что составляет 0,75% влажности. И является для данной отрасли достаточной.

Данные параметры, описанные в техническом задании позволяют полностью выявить все свойства измеряемой среды и оценить насколько эффективно она используется на предприятии. Имея данные о расходе пара, влажности и давлении можно однозначно рассчитать поступившую на предприятие энергию, за которую организации и платят.

По определению степень сухости пара x есть отношение массы сухого пара m_с к массе влажного пара, равной сумме масс сухого пара m_с и капельной влаги m_к в том же объеме [5]:

Проведенный патентно-технический анализ показал, что наиболее перспективными для измерения сухости пара являются способ и устройство по патентам РФ на изобретения № № 2421714, 2568050 [6, 7].

На рис. 1 представлена функциональная схема системы.

Мерный участок содержит измерительную камеру 1 постоянного объема, установленную на паропровод 6. С двух концов камера 1 сообщается с паропроводом через запирающие клапаны 5. На стенки камеры намотан электронагревательный кабель 2. Внутри камеры установлен датчик давления и температуры 3, смонтированный в один корпус. Электрическое питание клапанов и нагревателя, промежуточные измерительные преобразователи каналов измерения давления и температуры и вычислитель условно не показаны.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии клапана 5 открыты и в измерительную камеру 1 поступает пар из паропровода 6 с абсолютными температурой Т₁, давлением Р₁ и степенью сухости x. Давление Р₁ и температуру Т₁ измеряют соответственно каналами давления и температуры с датчиком давления и температуры 3.

Двухпараметровые миниатюрные датчики давления и температуры разработаны ООО Метроник специально для настоящего проекта. Диаметр мембраны датчика составляет 7.8 мм. Температурный диапазон: от +5 до +350°С (макс. +400°С). Диапазон по давлению: от 1 до 60 МПа. Выходной сигнал через высокотемпературный провод подаеттся на электронный блок (БП).

После измерений давления и температуры клапана 5 запирают. Через короткий промежуток времени, достаточный для запирания клапанов, подают ток на обмотку нагревателя 2 и температура в камере 1 нарастает до температуры перегрева пара. Поскольку процесс происходит при постоянном объеме (изохорическое нагревание), то с ростом температуры растет давление массы m_C + m_К перегретого пара в камере. Производят измерения давления Р₂ и температуры Т₂ пара. После окончания измерений отключают ток с нагревателя 2 и открывают клапана 5. Температура и давление в камере 1 понижаются до значений этих параметров в паропроводе 2; камеру 1 заполняет новая порция пара с параметрами, равными их значениям в паропроводе, и весь цикл работы устройства повторяется.

Полученные результаты измерений Р₁, Т₁, Р₂, Т₂ используются для вычисления сухости пара x. Выражение для вычислений получают из следующих соображений. В объеме v измерительной камеры 1 содержится объемная доля x сухого пара v_С и часть объема v_В, занятого капельной влагой, доля которой составляет 1 - x:

Поскольку плотность жидкой воды на три порядка выше плотности пара, то, соответственно, занимаемый ею объем на три порядка меньше объема, занимаемого сухим паром. Поэтому в паропроводах, где массовая доля сухого пара x больше массовой доли жидкой фазы 1 - x, первым слагаемым в правой части выражения (2) можно пренебречь и считать, что весь объем измерительной камеры v занят сухим паром при давлении Р₁ и температуре Т₁. Свойства сухого пара близки к свойствам идеального газа, поэтому с погрешностью не более единиц процентов их можно записать в виде уравнения Клапейрона

где R - газовая постоянная водяного пара.

После нагрева объема v пара до температуры Т₂ давление в камере Р₂ будет определяться всей массой воды m_C + m_К, поскольку капельная фаза так же перейдет в состояние сухого пара и, следовательно,

Почленное деление выражения (3) на (4), после элементарных преобразований дает, с учетом (1), искомую зависимость степени сухости пара от его измеренных параметров

В случаях высоких давлений пара (выше 5 МПа) или повышенных требований к точности результатов измерений (относительная погрешность не должна превышать долей процента) вместо уравнения (5) необходимо пользоваться табличными значениями состояния пара.

Использование одних и тех же датчиков давления и температуры для измерения последовательно во времени параметров пара до и после нагрева позволяет сократить количество измерительных каналов и снизить погрешность измерения степени сухости пара. Погрешность снижается за счет снижения числа измерительных каналов до двух и того, что результаты измерений давлений одним датчиком (аналогично и температуры) содержат сильно коррелированные значения случайной погрешности измерений, ведущих к снижению случайной составляющей погрешности конечного результата.

Функциональная схема прибора содержит следующие основные узлы и устройства:

● Канал измерения полного давления, состоящий из нормализатора сигнала и АЦП (используется датчик абсолютного давления т.к. данные о температуре насыщенного пара представлены относительно полного давления и чтобы, исключить погрешность, связанную перепадом атмосферного давления и разницы высот, на которых может использоваться прибор).

● Канал измерения температуры, состоящий из нормализатора сигнала и АЦП.

● Коммутатор, позволяющий сигналы канала давления и канала температуры после нормализации подать на один АЦП.

● Микроконтроллер, на который подаются цифровые сигналы каналов давления и температуры после АЦП. Микроконтроллер управляет работой коммутатора и АЦП, хранит текущие данные измерений, управляет работой системы подогрева камеры и производит все математические вычисления по описанному алгоритму работы прибора.

● Система подогрева измерительной камеры, управляемая от микроконтроллера. Система подогрева содержит блок питания и регулятор тока подогрева камеры.

Необходимо отметить, что использование при измерении сухости пара одного измерительного канала давления и одного канала температуры значительно снижает общую погрешность системы.

На основании изложенного, измерительная камера имеет следующий вид и основные размеры (рис. 2).

Измерительная камера состоит из корпуса 1, в который вварена гайка 2. В гайку 2 ввинчивается совмещенный датчик давления и температуры 3. Подобная конструкция датчика позволяет избежать установки еще одного узла крепления датчика и снижает теплопередачу от пара в камере. К торцам корпуса крепятся электроклапана 4 через переходные трубки 6 и гайки с уплотнением 7 и 8. На корпус 1 намотана нагревательная спираль, выполненная из высокотемпературного нагревательного кабеля КНМС.

По выполненным расчетам был изготовлен опытный образец мерного участка в сборе (рис. 3), который был подвергнут прочностным и теплофизическим испытаниям и при этом были подтверждены основные ожидаемые параметры устройства.