УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ПАРА В ПАРОПРОВОДЕ Российский патент 2004 года по МПК G01F1/34 G01F1/50 

Изобретение относится к устройствам для измерения расхода пара и может быть использовано в конструкциях устройств измерения расхода пара в паропроводах АЭС и ТЭС.

Известна конструкция устройства для измерения расхода пара, основанная на измерении перепада давления на измерительной трубке, содержащая измерительную трубку, установленную в паропроводе, выполненную с внутренним кольцевым и цилиндрическими каналами, при этом отборы давления размещены на расстоянии ¹/₄R от внутренней стенки паропровода, где R - внутренний радиус паропровода, и соединены с цилиндрическим и кольцевым каналами, каналы подключены к преобразователю перепада давления в токовый сигнал, подключенному к регистрирующему прибору.

Такое конструктивное выполнение измерительного элемента, размещенного на расстоянии ¹/₄R от внутренней стенки паропровода, обеспечивает измерение среднего значения расхода пара, а цилиндрический и кольцевой каналы повышают запас воды, что исключает возможность появления дополнительной погрешности за счет изменения уровня в импульсной линии, способствуя повышению надежности измерения (см., например, Агеев А.Г., Васильева Р.В., Нигматулин Б.И. и др. Устройство для измерения расхода пара в паропроводах. Полезная модель, свидетельство 6620, опубликовано 16.05.98, бюл. № 5).

К недостаткам описанной конструкции следует отнести то, что ток, пропорциональный расходу пара, нелинейно зависит от перепада давления на измерительной трубке. При этом расход пара определяется при реальном давлении в паропроводе, а при использовании устройства для измерения расхода пара для систем автоматического регулирования необходимо привести реально измеренный расход пара к условиям номинального давления в паропроводе для снижения начального возмущения, уменьшению отклонений и времени переходного процесса.

Наиболее близким к предложенному техническому решению по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство для измерения расхода пара, основанное на измерении перепада давления на сужающем устройстве, отборы давления перед сужающим устройством и после него подключены к преобразователю перепада давления в токовый сигнал, отверстие для отбора давления в паропроводе подключено к преобразователю давления в токовый сигнал. Выходы преобразователей перепада давления и давления подключены к блоку обработки данных, включающему в себя аналого-цифровой преобразователь, соединенный с микропроцессорным блоком коррекции, подключенным к цифроаналоговому преобразователю, и блок информации (см., например, П.П. Кремлевский. Расходомеры и счетчики количества. Изд-во “Машиностроение”, 1989 г., стр. 208-211).

К недостаткам такого устройства следует отнести то, что использование сужающих устройств в трубопроводах больших диаметров и высоких скоростях потока приводит к большим необратимым потерям давления на сужающем устройстве, недостаточная надежность и быстродействие, отсутствие самодиагностики, диагностики входных сигналов и возможности перенастройки пользователем блока обработки данных.

Задачей предлагаемого технического решения является создание устройства, повышающего надежность, безопасность и экономичность работы парогенерирующего оборудования за счет измерения среднего значения расхода пара в паропроводах без необратимых потерь давления, обеспечения линейной зависимости между расходом пара и выходным током, блока обработки данных повышенной надежности и быстродействия, обеспечивающего приведение расхода пара к условиям номинального давления в паропроводе, с самодиагностикой и диагностикой входных сигналов.

Поставленная задача решается благодаря тому, что устройство для измерения расхода пара в паропроводе содержит импульсную трубку, подключенную к выполненному в стенке паропровода отверстию для отбора давления и соединенную с преобразователем давления в токовый сигнал, измерительную трубку перепада давления с каналами для отбора давления, которые через выполненные в трубке цилиндрический и кольцевой каналы подключены к импульсным трубкам, соединенным с преобразователем перепада давления в токовый сигнал, и корректор тока, содержащий токовые входные резисторы, подключенные к преобразователям давления и перепада давления в токовые сигналы, а своими выходами соединенные с аналого-цифровым преобразователем, подключенным к микропроцессорному блоку коррекции, блок формирования сигнала готовности к коррекции, микропроцессор управления и обмена данных, блок ввода/вывода информации и цифроаналоговый преобразователь, соединенный с преобразователем напряжения в ток, при этом один выход микропроцессорного блока коррекции соединен с микропроцессором управления и обмена данных, а два других выхода подключены соответственно к блоку формирования сигнала готовности к коррекции и к входу цифроаналогового преобразователя, два выхода микропроцессора управления и обмена данных соответственно соединены с микропроцессорным блоком коррекции и блоком ввода/вывода информации, выход которого подключен к микропроцессору управления и обмена данных.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематично изображено устройство для измерения расхода пара в паропроводе.

Устройство для измерения расхода пара содержит измерительную трубку перепада давления 1, проходящую через корпус паропровода 2 и помещенную внутри него. Измерительная трубка 1 имеет каналы для отбора давления 3 и 4, при этом канал 4 подсоединен к внутреннему цилиндрическому каналу 5, а канал 3 подсоединен к внутреннему кольцевому каналу 6 измерительной трубки 1, выходы из которых подключены к импульсным трубкам 7 и 8, присоединенным к входам преобразователя перепада давления в токовый сигнал 9. Отверстие для отбора давления 10 в стенке паропровода 2 импульсной трубкой 11 подключается к входу преобразователя давления 12 в токовый сигнал.

Выходы преобразователей перепада давления 9 и давления 12 в токовые сигналы подключены к преобразователям тока в напряжение, выполненным в виде токовых входных резисторов 13 корректора тока 14. Выходы от токовых входных резисторов 13 соединены со входами аналого-цифрового преобразователя 15, выходы которого соединены с микропроцессорным блоком коррекции 16. Один из выходов микропроцессорного блока коррекции 16 подключен к входу цифроаналогового преобразователя 17, выход которого подключен к преобразователю напряжения в ток 18. Второй выход микропроцессора блока коррекции 16 соединен с блоком формирования сигнала готовности к коррекции 19. Третий выход микропроцессорного блока коррекции 16 соединен с микропроцессором управления и обмена данных 20, два выхода которого соединены соответственно с микропроцессором блока коррекции 16 и блоком ввода/вывода информации 21, выход которого подключен к микропроцессору управления и обмена данных 20.

Устройство для измерения расхода пара в паропроводе работает следующим образом. При обтекании турбулентным потоком пара в лобовой зоне измерительной трубки перепада давления 1 образуется область повышенного давления. В кормовой зоне измерительной трубки 1 образуется вихревая область с пониженным давлением. Давления из этих областей отбираются каналами для отбора давления 3 и 4. Перепад давлений между лобовой и кормовой областями примерно в два раза превышает динамический напор набегающего на измерительную трубку 1 потока пара. Перепад давления между лобовой и кормовой областями по кольцевому 6 и цилиндрическому каналу 5 поступает по импульсным трубкам 7 и 8 к преобразователю перепада давления в токовый сигнал 9, пропорциональный перепаду давления. Давление в паропроводе 2 через отверстие для отбора давления пара 10 по импульсной трубке 11 подается к преобразователю давления 12 в токовый сигнал, пропорциональный давлению в паропроводе. В качестве блоков 9, 12 используются преобразователи давления и перепада давления в токовые сигналы типа "Сапфир" или "Метран", имеющие рабочие характеристики типа ΔP=K(i), P=K(i), у которых диапазон изменения выходных токов составляет 0-5 мА или 4-20 мА, чем и определяются пределы токовых значений этих блоков, требуемое предельное значение Р или ΔР выбирается в соответствии с ГОСТ 18140-77 по известным значениям максимального давления в паропроводе и максимального перепада давления на измерительной трубке. Токовые сигналы от преобразователей перепада давления 9 и давления 12 в токовые сигналы подаются на токовые входные резисторы 13, в которых токовые сигналы преобразуются в падение напряжения, которое затем преобразуется в цифровой код в аналого-цифровом преобразователе 15, оцифрованные сигналы нормализуются и поступают в микропроцессорный блок коррекции 16. В микропроцессорном блоке 16 производится расчет выходного сигнала. В корректоре тока в предлагаемом техническом решении важнейшие узлы: аналого-цифровой преобразователь 15, вычислительный микропроцессор 16, цифроаналоговый преобразователь 17 конструктивно объединены в одной микросхеме, что повышает надежность работы корректора тока. Результат расчета из блока 16 поступает в схему цифроаналогового преобразователя 17, в которой оцифрованные сигналы преобразуются в напряжение, и затем в преобразователе напряжения в ток 18 - в выходной токовый сигнал корректора тока 14, линейно пропорциональный расходу пара. В процессе обработки сигналов преобразователей перепада давления в токовые сигналы 9 и давления 12 микропроцессорный блок 16 контролирует вхождение текущих значений сигналов в заданные пределы. Микропроцессор 16 управляет блоком 19.

Алгоритм управления следующий: блок 19 должен сигнализировать о нарушении хода технологического процесса в следующих случаях:

- если давление в паропроводе становится ниже или выше установленного значения;

- если перепад давления на измерительной трубке становится ниже или выше установленного значения.

В соответствии с этим алгоритмом производится диагностика правильности входных токовых сигналов корректора 14, которые в алгоритме расчета используются для определения токового выходного сигнала. При получении информации о величине уровня сигналов датчиков преобразования давления и перепада давления микропроцессор 16 выполняет проверку вхождения имеющихся уровней сигналов в разрешенные для работы диапазоны. В случае выхода входных сигналов за заданные пределы с помощью реле на светодиоде включается сигнал аварии.

Таким образом с помощью микропроцессора 16 и блока 19 осуществляется измерение входных сигналов, что повышает надежность работы корректора и обеспечивает получение верных значений выходного сигнала.

Кроме того, микропроцессорный блок коррекции 16 выводит текущие значения сигналов от преобразователей перепада давления и давления в токовый сигнал 9 и 12 с помощью микропроцессора управления и обмена данных 20 в блок ввода/вывода информации 21, представляющий собой систему управления в виде клавиатуры и индикатора. Микропроцессор 20 следит за правильностью принимаемых данных от микропроцессора 16 и за их своевременным поступлением. В случае сбоя или зависания микропроцессора 16 микропроцессор 20 выдает ему сигнал сброса для выполнения программы микропроцессора 16 вновь, осуществляя тем самым диагностику работы микропроцессора 16, в результате чего повышается надежность работы корректора. Применение микропроцессора 20 также позволяет освободить микропроцессор 16 (блок вычислений) от вспомогательных функций: вывода символов на индикатор, обслуживание прерываний пользователя (во время приема и анализа данных, поступающих с клавиатуры, микропроцессор 16 работает в режиме вычислений), сканирования клавиатуры, за счет чего повышается быстродействие корректора и сокращается время вычисления выходного токового сигнала (расхода пара). Благодаря этому вычислительной мощности микропроцессора 16 достаточно не только на расчет расхода за 20 мс, но и на цифровую фильтрацию входных сигналов с предварительным усреднением выборки. Блок ввода/вывода информации 21 имеет буквенно-цифровую клавиатуру и двухстрочный индикатор, на котором отображаются все вводимые символы, константы и названия вводимого параметра на русском языке. При этом в период до окончания ввода дополнительной информации микропроцессор 16 не прерывает процесс вычислений.

Система управления с помощью клавиатуры позволяет вводить различные необходимые параметры, переключать режимы отображения информации на индикаторе, формировать градуировочные характеристики преобразователей 9 и 12, задавать технологические параметры функционирования корректора тока 14. В корректоре тока 14 индикатор и клавиатура образуют совокупность устройств, которые предназначены для ввода/вывода данных в/из корректора тока 14. Корректор тока 14 имеет возможность ввода поправки во входной сигнал давления для устранения систематических ошибок от давления гидростатического столба от места врезки импульсной линии до места установки преобразователя давления в токовый сигнал 12. По своим технологическим возможностям корректор тока 14 осуществляет автоматическую коррекцию выходного тока при изменении давления в паропроводе, является устройством обработки данных, которые используются для формирования сигналов управления технологическими объектами.

Предлагаемое устройство определяет выходной токовый сигнал, линейно пропорциональный расходу пара

где

для преобразователей давления и перепада давления в токовый сигнал в диапазоне 0-5 мА,

для преобразователей давления и перепада давления в токовый сигнал в диапазоне 4-20 мА. Линеаризация выходного сигнала в зависимостях (1-3) достигается за счет использования при выводе указанных алгоритмов соотношения для БИК (блок извлечения квадратного корня)

При расчете выходного тока в микропроцессоре 16 по алгоритмам (1-3) ток на выходе из корректора изменяется в пределах 0-5 мА или 4-20 мА так же, как для преобразователей давления и перепада давления в токовые сигналы.

При применении трубки предлагаемой конструкции не возникает необратимых потерь давления, несмотря на получение на трубке значительного перепада давления (до 6000 кг/м²). Этот перепад давления легко измеряется с помощью стандартных преобразователей перепада давления в токовый сигнал типа “Сапфир” или “Метран”. При этом турбулентные пульсации не оказывают влияния на измеряемый перепад давления. Установка приемных отверстий трубки на определенном расстоянии от корпуса паропровода позволяет сразу измерить значение среднего расхода пара. Коэффициент расхода трубок определяется с высокой точностью при тарировках, причем он постоянен в широком диапазоне чисел Re до Re=10⁶. Последнее обстоятельство сразу упрощает алгоритм расчета расхода пара. Для насыщенного пара известно также, что отношение плотностей пара в диапазоне давлений, используемых в энергетике, равно отношению давлений. Это дает возможность использовать при получении алгоритма расчета непосредственно отношение токов, пропорциональных измеренным давлениям, а не производить коррекцию по давлению, в сущности являющуюся коррекцией по плотности пара, с помощью табличных данных, либо расчетных зависимостей плотности от давления. Это обстоятельство также упрощает алгоритм расчета без снижения точности расчета, а также позволяет значительно уменьшить объем необходимых запоминающих устройств в схеме корректора тока и вычислительную мощность основного микропроцессора. В качестве входных сигналов корректора используются непосредственно измеренные величины Р и ΔР, преобразуемые в токовые сигналы, которые используются в алгоритме расчета.

В настоящее время предлагаемое устройство измерения расхода пара испытано: 1 - на гидродинамическом стенде ЭНИЦ и реальных паропроводах энергоблока АЭС в части определения коэффициента расхода измерительных трубок, при этом подтверждено постоянство коэффициента расхода в диапазоне скоростей в реальном паропроводе; 2 - на действующей АЭС испытана схема, включающая все элементы предлагаемого решения, проведены приемосдаточные испытания устройства на полномасштабной модели блока ВВЭР-1000 при натурных параметрах. В результате этих испытаний установлено, что инерционность предлагаемого устройства соответствует инерционности при измерениях расхода пара с помощью сужающих устройств.

Устройство для измерения расхода пара в паропроводе позволяет повысить надежность, безопасность и экономичность работы парогенерирующего оборудования в стационарных и переходных режимах за счет измерения расхода пара в паропроводах без необратимых потерь давления с выходным токовым сигналом, линейно пропорциональным измеряемому расходу пара, приведения величины расхода пара к условиям номинального давления в паропроводе при обеспечении повышенной надежности и быстродействия корректора тока с самодиагностикой и диагностикой входных сигналов.

Изобретение может быть использовано в паропроводах АЭС и ТЭС для формирования сигналов управления технологическими объектами в переходных режимах. Устройство содержит измерительную трубку перепада давления, соединенную с преобразователем перепада давления в токовый сигнал, импульсную трубку, подключенную к отверстию для отбора давления в стенке паропровода и соединенную с преобразователем давления в токовый сигнал. Преобразователи подключены к токовым входным резисторам корректора тока, включающего в себя АЦП, микропроцессорный блок коррекции, блок формирования сигнала готовности к коррекции, микропроцессор управления и обмена данных, ЦАП, преобразователь напряжения в ток и блок ввода/вывода информации. Изобретение обеспечивает линейную зависимость между выходным токовым сигналом и измеряемым расходом в широком диапазоне измерения. 1 ил.

Устройство для измерения расхода пара в паропроводе, содержащее импульсную трубку, подключенную к выполненному в стенке паропровода отверстию для отбора давления и соединенную с преобразователем давления в токовый сигнал, измерительную трубку перепада давления с каналами для отбора давления, которые через выполненные в трубке цилиндрический и кольцевой каналы подключены к импульсным трубкам, соединенным с преобразователем перепада давления в токовый сигнал, и корректор тока, содержащий токовые входные резисторы, подключенные к преобразователям давления и перепада давления в токовые сигналы, а своими выходами соединенные с аналого-цифровым преобразователем, подключенным к микропроцессорному блоку коррекции, блок формирования сигнала готовности к коррекции, микропроцессор управления и обмена данных, блок ввода/вывода информации и цифроаналоговый преобразователь, соединенный с преобразователем напряжения в ток, при этом один выход микропроцессорного блока коррекции соединен с микропроцессором управления и обмена данных, а два других выхода подключены соответственно к блоку формирования сигнала готовности к коррекции и ко входу цифроаналогового преобразователя, два выхода микропроцессора управления и обмена данных соответственно соединены с микропроцессорным блоком коррекции и блоком ввода/вывода информации, выход которого подключен к микропроцессору управления и обмена данных.