СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА ДВУХФАЗНОЙ СМЕСИ Российский патент 2008 года по МПК G01F1/74 G01F1/88 G01F1/46 G01N9/26 

Изобретение относится к расходоизмерительной технике паро-газожидкостных смесей и может использоваться при определении расхода двухфазной смеси при исследовании аварийных режимов на крупномасштабных стендах.

При исследовании аварийных режимов в стендовых условиях одной из центральных проблем является определение расхода двухфазной смеси в различных элементах контура. Как правило, определение расхода двухфазной смеси необходимо проводить в существенно нестационарных условиях, когда характерное время исследуемого процесса не более 0,2 с.

Известен способ определения расхода двухфазных смесей, включающий измерение перепада давления на диафрагме, размещенной нормально к оси канала, и определение расхода двухфазной смеси на основе зависимости

Ω - площадь отверстия диафрагмы, м²;

ε - коэффициент сжатия потока;

α - коэффициент расхода;

G_см - расход двухфазной смеси.

(Кремлевский П.П. (Расходомеры и счетчики количества вещества. Справочник. Изд-е 5-е. Перераб. и доп. С-П. «Издательство "Политехника"». 2002 г.).

Недостатки способа заключаются в следующем:

1. Измерение G_см с помощью диафрагмы возможно только в стационарных режимах течения двухфазной смеси. При нестационарных режимах течения двухфазной смеси (G_см=f(τ)) определение расхода двухфазной смеси с помощью диафрагмы проблематично. Последнее связано с тем, что в этом случае необходимо знать ряд величин трудно поддающихся оценкам.

Для определения по уравнению (1) расхода двухфазной смеси необходимо знать коэффициент сжатия ε, показатель политропы n и истинные объемные концентрации фаз. Наиболее трудной задачей является определение истинных объемных концентраций фаз в сжатом сечении. Надежных прямых измерений этих величин нет. Поэтому для расчетов пользуются какой-либо гипотезой о структуре потока в сжатом сечении после диафрагмы. Наиболее известным является предположение о том, что жидкость при движении через диафрагму не ускоряется, w_ж1=w_ж2, в сжатом сечении поток имеет гомогенную структуру, давления в жидкости и паре в пределах любого живого сечения потока смеси равны. В зависимости от используемой модели точность расчета концентрации жидкости, а следовательно, и определение G_см различно (значения концентрации жидкости могут отличаться в 2-4 раза).

2. Способ имеет ограниченный диапазон применения. Ограничения обусловлены тем, что при движении двухфазного потока через диафрагму в узком сечении достаточно быстро достигается скорость звука и происходит "запирание" потока. В этом случае измерение расхода двухфазной смеси в принципе не возможно.

Известен способ определения расхода двухфазных смесей, включающий измерение перепадов давления на двух стандартных диафрагмах, установленных последовательно на некотором расстоянии друг от друга, достаточном для восстановления межфазного равновесия и режима (структуры) течения, возмущенного первой диафрагмой (А.с. №1580171 СССР. Способ измерения расхода парожидкостной смеси / Р.И.Созиев, Э.А.Захарова, М.А.Хризолитова. Д.А.Лабунцов // Открытия. Изобретения 1990. БИ №27).

Измерения на двух диафрагмах обеспечивают замкнутую систему расчетных соотношений - два уравнения вида (1) с искомым расходом и плотностью смеси.

h_см - энтальпия смеси;

x₁, х₂ - расходные массовые паросодержания потока перед диафрагмами;

r₁, r₂ - теплота парообразования при давлениях P₁ и Р₂;

h₁', h₂' - энтальпии насыщенной жидкости при давлениях P₁ и Р₂.

Точность метода зависит от точности измерения режимных параметров (Р₁, Р₂, ΔP₁, ΔP₂) и расчетных соотношений.

К недостаткам способа следует отнести невозможность его применения в нестационарных режимах течения двухфазной смеси.

Способ требует стабилизации потока на участке между диафрагмами. Длина стабилизации для двухфазных потоков значительно превосходит таковую для однофазных потоков. В связи с этим размещение диафрагм в канале не всегда возможно. В нестационарных режимах на длине стабилизации возможно изменение режимных параметров (паросодержание, давление, скорость и т.д.) в связи с этим метод в этих условиях неприменим.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ определения расхода двухфазной смеси, включающий определение плотности и скорости двухфазной смеси, определенной путем измерения динамического напора (Болтенко Э.А., Цой В.Р., Швец В.Г. Измерение расхода двухфазной смеси при проведении исследований аварийных процессов на интегральных крупномасштабных стендах / Теплоэнергетика, 2005, №3, с.10).

Скорость смеси W_см определяется на основе измерения динамического напора двухфазного потока. Усредненный по сечению трубопровода динамический напор определяется с помощью измерения силы, с которой поток действует на перфорированную пластину (драг-экран). Драг-экран - это перфорированный диск, перекрывающий 17% потока. Поверхность экрана перпендикулярна направлению потока. С одной стороны он закреплен на оси; диаметрально противоположная часть его свободно перемещается под действием потока. Смещение экрана передается преобразователю динамического напора потока. Преобразователь динамического напора потока устроен так, что сила воздействия потока на драг - экран передается через рычаг и подшипник на датчик с переменным магнитным сопротивлением, основным элементом которого является катушка с сердечником. Перемещение сердечника в катушке ограничивается пружиной, жесткость которой соответствует диапазону нагрузок на драг-экран. Постоянная температура датчика переменного магнитного сопротивления и пружины обеспечивается охлаждением водой. Таким образом, механическое воздействие, вызванное перемещением драг-экрана под действием потока, трансформируется в электрический сигнал, амплитуда которого прямо пропорциональна этому воздействию. Затем электрический сигнал пересчитывается в динамический напор потока теплоносителя с использованием результатов предварительной калибровки данного измерительного устройства на известных расходах.

где F - измеряемая сила;

А - площадь сечения потока;

С-коэффициент, определяемый в результате калибровки на однофазном потоке.

Определение средней плотности смеси ρ_см проводят с помощью метода гамма - просветки. Сущность метода γ-просветки состоит в определении параметров смеси по ослаблению интенсивности γ-лучей, пронизывающих поток.

Расход двухфазной смеси определяется на основе следующей зависимости

Где w_см средняя по сечению канала скорость двухфазной смеси;

ρ_см - средняя по сечению канала плотность двухфазной смеси;

А - сечение канала.

Показано, что способ дает представительные результаты в ограниченном диапазоне режимных параметров (Болтенко Э.А., Цой В.Р., Швец В.Г. Измерение расхода двухфазной смеси при проведении исследований аварийных процессов на интегральных крупномасштабных стендах / Теплоэнергетика, 2005, №3, с.10).

Последнее связано с тем, что измерения с помощью драг-пластины зависят от скольжения фаз. В связи с этим способ дает представительные результаты в случае гомогенной двухфазной смеси. В дисперсно-кольцевом режиме течения и расслоенных режимах ошибка определения скорости, а следовательно, и расхода двухфазной смеси будет значительной. Кроме того, применение способа достаточно сложно, измерительная аппаратура имеет высокую стоимость.

Основные недостатки способа:

1. Диапазон режимных параметров, в котором способ представителен, ограничен;

2. Сложность осуществления способа и высокая стоимость системы для его осуществления;

3. Большие геометрические размеры и соответственно большая металлоемкость вставки, вносит существенный вклад в теплоемкость, который невозможно оценить и правильно учесть при измерении в динамических режимах. Запасенное в металле тепло искажает физическую картину потока и приводит к значительным погрешностям при определении характеристик потока.

4. Из-за конструктивных особенностей вставки при работе в условиях высоких давлений и температур и в особенности при определенных сценариях эксперимента с заливом холодной воды и при возникновении гидроударов велика опасность раскрытия фланцев. Разгерметизация стенда приводит к срыву пуска и большим материальным затратам.

Предлагается способ определения расхода двухфазной смеси, включающий определение плотности двухфазной смеси и динамического напора.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в расширении диапазона и представительности полученных данных по расходу двухфазной смеси и снижению стоимости осуществления способа, что обеспечивается тем, что определение плотности двухфазной смеси проводят путем измерения статического давления в двух взаимно противоположных точках горизонтально ориентированного участка канала, а динамический напор определяют на основе измерения разности давления между лобовой и кормовой частями интегрирующей трубки, размещенной нормально к оси канала, расход двухфазной смеси определяют по зависимости

где: g - ускорение свободного падения;

Н - диаметр канала;

F - площадь поперечного сечения канала;

α - коэффициент, определяемый при калибровке;

ΔР_Д - разность давлений между лобовой и кормовой частями интегрирующей трубки;

ΔР_ст - разность статических давлений в двух взаимно противоположных точках горизонтально ориентированного участка канала.

Достижение технического результата, заключающегося в повышении представительности данных и расширении диапазона применимости способа, обеспечивается тем, что плотность смеси определяют путем измерения статического давления в двух взаимно противоположных точках горизонтально ориентированного участка канала.

Экспериментально показано, что определение плотности смеси путем измерения статического давления в двух взаимно противоположных точках горизонтально ориентированного участка канала исключает зависимость показаний от режима течения.

Достижение технического результата, заключающегося в снижения стоимости осуществления способа, обеспечивается тем, что плотность смеси определяют путем измерения статического давления в двух взаимно противоположных точках горизонтально ориентированного участка канала, а динамический напор определяют на основе измерения разности давления между лобовой и кормовой частями интегрирующей трубки, размещенной нормально к оси канала.

Снижение стоимости осуществления способа достигается за счет использования стандартных датчиков перепада давления, которые значительно дешевле элементов, используемых в известном способе.

Способ определения расхода двухфазной смеси осуществляется следующим образом.

Плотность смеси определяется на основе измерения статических давлений в двух точках канала, измерении разности этих давлений и определении ρ_см из равенства

где g - ускорение свободного падения;

Н - диаметр канала;

ΔР_см - потери на трение при движении двухфазной смеси;

ΔР_ст - разность статических давлений в двух взаимно противоположных точках горизонтально ориентированного участка канала.

На фиг.1 приведен участок канала, где проводится определение плотности смеси. Измерение ρ_см проводится на горизонтально ориентированных участках контура. В этом случае ΔР_см=0, тогда

Гидростатический метод позволяет определять плотность смеси на горизонтальных участках контура при любых режимах течения.

Динамический напор определяется на основе измерения перепада давления в напорных камерах интегрирующей трубки. Конструкция интегрирующей трубки приведена на фиг.2. Интегрирующая трубка представляет собой заглушенную с одной стороны трубку 10×1, разделенную продольной перегородкой на две камеры, из которых осуществлялся отбор давления на датчик перепада давления. В лобовой и кормовой частях трубки по образующей просверлены пять отверстий. Трубка устанавливается в трубопровод вертикально, перекрывая весь диаметр. Разность давлений между камерами пропорциональна динамическому напору потока:

где: α - коэффициент, определяемый при калибровке.

Использование интегрирующей трубки позволяет избежать влияния неравномерности профиля скорости потока по диаметру, так как в камерах создается давление, соответствующее среднему динамическому напору потока. Таким образом, с помощью интегрирующей напорной трубки можно определять средний по сечению динамический напор потока в вертикальных каналах для гомогенных, и в горизонтальных каналах для гомогенных и стратифицированных режимов течения. По измеренному перепаду давления ΔР_Д определяется средний по сечению динамический напор потока

или

Для двухфазного потока:

где w_см - скорость смеси;

η_см - динамическая вязкость смеси.

В настоящее время нет надежных формул для определения η_см. Следуя (Лабунцов Д.А., Ягов В.В. Механика двухфазных систем // Издательство МЭИ, 2000 г.), примем, что динамическая вязкость смеси равна динамической вязкости жидкости (η_см=η_в). Таким образом, G_см, определяется по следующей зависимости:

В качестве примера использования способа рассмотрим исследование аварийного режима на установке ПСБ ВВЭР. На фиг.3 показан пример определения ρ_см гидростатическим методом в одном из аварийных режимов, реализованном на установке ПСБ ВВЭР-1000. Критерием правильности определения является удовлетворительное совпадение ρ_см и ρ_в при однофазном течении. Как видно из фиг.3, в области однофазного потока совпадение измеренной ρ_см и плотности, определенной по температуре и давлению воды, удовлетворительное. На фиг.4 показан пример определения динамического напора потока с помощью интегрирующей трубки. На фиг.5 показан пример определения расхода двухфазного потока.

Изобретение может использоваться при исследовании аварийных режимов на крупномасштабных стендах. Расход двухфазной паро-газожидкостной смеси определяют на основе плотности смеси и динамического напора. Определение плотности проводят путем измерения разности статических давлений в двух взаимно противоположных точках горизонтально ориентированного участка канала. Динамический напор определяют на основе измерения разности давлений между лобовой и кормовой частями интегрирующей трубки, размещенной нормально к оси канала. Изобретение повышает точность измерения в дисперсно-кольцевом режиме течения и расслоенных режимах, простое и экономичное в осуществлении. 5 ил.

Способ определения расхода двухфазной смеси, включающий определение плотности двухфазной смеси и динамического напора, отличающийся тем, что определение плотности двухфазной смеси проводят путем измерения статического давления в двух взаимно противоположных точках горизонтально ориентированного участка канала, а динамический напор определяют на основе измерения разности давления между лобовой и кормовой частями интегрирующей трубки, размещенной нормально к оси канала, расход двухфазной смеси определяют по зависимости

где g - ускорение свободного падения;

Н - диаметр канала;

F - площадь поперечного сечения канала;

α - коэффициент, определяемый при калибровке;

ΔР_Д - разность давлений между лобовой и кормовой частями интегрирующей трубки;

ΔР_ст - разность статических давлений в двух взаимно противоположных точках горизонтально ориентированного участка канала.