VÁROSI VÍZGŐZHÁLÓZAT

IDENTIFIKÁCIÓJA Doktori (PhD) értekezés

Pannon EgyetemVegyészmérnöki Doktori IskolaVeszprém2009

dr. Szakonyi Lajos

ELŐZMÉNYEK, CÉLKITŰZÉSEK, EREDMÉNYEK, MEGVALÓSULT OBJEKTUMOK

A kutatás bázisrendszere: 13 km hosszúságú, DN50… DN450 névleges átmérőjű városi vízgőzhálózat ~130 ezer tonna vízgőz/év.

Megelőző, GVOP projektmunka célja új információs és kommunikációs technológiák regionális hasznosításával:

a hálózatidentifikáció elvégzését, az energiaelosztás ellenőrzését biztosító monitoring rendszer;

az anyag- és energiaáram hálózat modelljeként, változó „forrásokkal”, ellenállásokkal, fogyasztóhelyekkel működtethető szimulációs rendszer;

a változó topológiák, üzemállapotok követésére alkalmas üzemviteli programcsomag;

a felügyeleti (intelligens monitoring) rendszer és a hálózati modellekhez illesztett irányítási stratégia.

Jelenleg a fogyasztóhelyen a szűkítőelemes áramlás-mérőhelyhez csatlakoztatott nyomáskülönbség távadók nyomás-, illetve hőmérsékletkorrekciója túlhevített vízgőz állapotjellemzői alapján. A gőzfogyasztások jelentős visszaesésével a fogyasztói végeken jellemző a telített (nedves) vízgőz állapot, ez indokolná a mért értékek módosítását.

A városi vízgőzhálózat műszerezési vázlata

A megvalósított kísérleti infokommunikációs rendszer

Data

DISZPÉCSERKözpont Modem

ETHERNET

Felügyeleti Központ

GSM Hálózat

GSM MODEM

GSM MODEM

Kézi adatbevitel

Mérőállomások

GSM MODEM

INTERNET

GSM Hálózat

Kondenzátum Mérés

PTE ROUTER

Akusztikus mérőrendszer

GSM MODEM

Operátori állomások

A mérési adatok továbbítása bérelt telefon-vonalakon, GSM alapú adatátviteli rendszeren. Ideiglenesen felszerelt terepi készülékek rádiós (mobil) adatátvitellel kommunikálnak a létrehozott felügyeleti központtal.

A Nyugati részhálózat térinformatikai vázlata

A hálózat felmérése, vizsgálata, művelettani modellezése bontása, szimulációja indokolta a térinformatikai háttérbázis létrehozását, meglétét.

A disszertáció fő célkitűzései:

az áramló közeg állapotjellemzőinek (nedvességtartalom, sűrűség, hőátadási tényező, nyírófeszültség, kondenzfilm-vastagság, fázisok térkitöltése, haladási sebessége stb.) becslésére szolgáló számítási módszerek kidolgozása;

a kétfázisú áramlás minősítésére, az áramlási formák jellemzésére alkalmas mérési módszerek, mérőeszközök és számítási módszerek kifejlesztése, gyakorlati hasznosítása;

a regionális vízgőzhálózat elemekre bontása, az elemekre és a teljes hálózatra vonatkozó matematikai modellek felállítása, modellszimuláció;

a topológiai és üzemviteli adatok feldolgozását, meghatározását és megjelenítését biztosító adat-integrált szoftverrendszer létrehozásához, a modellparaméterek becsléséhez és a modellellenőrzéshez szükséges identifikációs mérések megtervezése, kivitelezése.

A kutatás konkrét eredménye:

új mérési, számítási módszerek és technikák (vízgőzkondenzátorként funkcionáló, akusztikus elvű, fázis- és sebességeloszlás követésére szolgáló speciális áramlásmérők tervezése, hasznosítása a tömeg- és az energiamérlegek felállításánál),

új regionális infokommunikációs technológia (a vízgőzhálózat mobil távadatátviteli, adatgyűjtő és feldolgozó rendszere),

a topológiai megjelenítés mellett az áramlástani, hőátviteli modellezésre alkalmas szoftverrendszer

létrehozása.

TEVÉKENYSÉGEK, AZ ALKALMAZOTT VIZSGÁLATI / KÍSÉRLETI MÓDSZEREK ÖSSZEFOGLALÁSA

Az üzemvitelt ellenőrző mérések pontatlansága, energiaáramok követhetősége a hálózat áramlástani és hőátviteli modelljének kialakítását, új mérési, számítási módszerek és technikák kifejlesztését indokolta.

Irányított beavatkozások vizsgálata

Szakirodalmi feldolgozás

a folyamatidentifikációs feladatok és lehetőségek (aktív kísérletek, ellenőrzött energiaáram mérések, speciális érzékelők, adatgyűjtő és adatfeldolgozó eszközök kifejlesztésének szükségessége) elemzése,

a folytonossági és megmaradási törvények egyes, mikrofolyamatokat formalizáló tagjainak értelmezése,

a kétfázisú áramlás áramlási formáinak minősítésével és rendszerezésével foglalkozó publikációk alkalmazhatósága.

A kísérleti (vizsgálati) rész

A vízgőzhálózat bontása, modellparaméterek rendszerezése

bontással nyert berendezésekre (túlhevített, ill. nedves vízgőz szállítására szolgáló ágak, kondenzleválasztók) és berendezéselemekre (hidraulikai ellenállások, nyelők) először az áramlástani, hőátviteli makrofolyamatok fenomenologikus összefüggéseinek alkalmazása.

a fázisváltozás mikrofolyamatainak elemzése (két fázis egyidejű jelenléte indokolta), az egyes fázisjellemzők közötti kapcsolatok formális leírása.

A levezetett összefüggések, a vízgőzhálózati modellegyenletek szimulációs futtatásainak igazolása identifikációs mérések megvalósítását tette szükségessé.

A vízgőzhálózat elemekre bontása

Identifikációs mérések a modellalkotás folyamatában egyedi tervezéssel és kivitelezéssel megvalósított speciális érzékelők, a

mobil adatátvitelt, a mérésadatgyűjtést és –feldolgozást biztosító infokommunikációs rendszer tervezése és vízgőzhálózatra telepítése;

a hagyományos üzemi áramlásmérőkkel szolgáltatott mérési adatok korrekciója;

a jellegzetes üzemállapotokban elvégzett kísérletek megtervezése; a kifejlesztett mérőberendezések üzemi körülmények között végzett

kalibrálása; a vízgőzhálózat energetikai jellemzése.

A szimulációs futtatások és az identifikációs mérések kiértékelése bizonyította: a gőzkiadás és a gőzfelhasználás között kimutatott, éves szinten ~ 52 %-os tömegáram (hőáram) különbözetből mintegy 20 % a kondenzleválasztók-nál a környezetbe hasznosítatlanul eltávozó kondenzveszteség, ~ 30 % a pontatlan gőzáram mérés.

Állapotjellemzők a gerincvezetékről a kondenzleválasztókig vezető leágazásoknál

Tömegmérleg a Nyugati részhálózatra

A nagyfogyasztóknál kialakított méréstechnikai, műszertechnikai háttér az alábbi üzemviteli tényezők:

az erősen lecsökkent fogyasztószám és vízgőzigény, a tervezett és lehetséges kapacitásánál jóval alacsonyabb

kihasználással működő vízgőzhálózat üzemvitele, a tartós szaturációs állapot kialakulása

miatt nem alkalmas a telített vízgőz állapotváltozásának, a nedves, változó nedvességtartalmú vízgőz minőségének követésére.

Indokolt: a kétfázisú áramlás nyomon követésére is alkalmas mérések

elvégzése; a fogyasztók számára jutatott vízgőz minőségét jellemző

felügyeleti rendszer létrehozása; az identifikációs vizsgálatokhoz kidolgozott mérési, számítási

módszerek és technikák üzemviteli célú hasznosítása.

A felügyeleti rendszer műszaki és módszertani háttere

Az erőműnek nem lehet elsődleges szempont a sugaras szerkezetű, részhálózatonként egy betáplálási hellyel rendelkező regionális gőzhálózat egyes végpontjain az állandó vízgőzminőség biztosítása, ha a vízgőzkiadásoknál telepítettek a nyomásszabályozási körök érzékelő és beavatkozó szervei.

A vízgőzhálózati veszteségek követése, az állapotjellemzők üzemközbeni korrekt meghatározása a megbízható, az esetleges kétfázisú áramlás és a kondenzveszteségek nyomonkövetésére is alkalmas érzékelők beépítését, infokommunikációs rendszer működtetését, s az előbbiekkel megvalósított üzemvitelt igényli.

A kétfázisú áramlás jellemzésére kifejlesztett mérőrendszer, s a kidolgozott mérési és számítási módszer a kialakítandó felügyeleti rendszer műszaki és módszertani háttereként szolgált (gyakorlati megvalósítás az egyik nagyfogyasztó hőközpontjában).

Lehetővé vált a mérési eredmények kiértékelésével – homogén, ill. szlip modellt feltételezve – többek között a fázisok térkitöltésének, helyi és átlagos sebességének, tömegáramának követése.

1 – Mbej; 2 – Mmpkij; 3 – MP

kij; 4, 5, 6, 7, 8 - Mkli

csomópont

Pitot-cső elvű áramlásmérő

j.ág

1

6 7 854

2

3

csomópont

P T

kondenzleválasztók leágazásaikondenzátorként működtetett térfogatmérőkkel és

akusztikus elvű tömegárammérőkkelszámított tömegáram

mérőperemes áramlásmérő

Mérő- érzékelők elhelyezése felügyeleti rendszer kialakításához

A felügyeleti rendszer elemei:

az áramlás jellegéről információt nyújtó - több, egymástól függetlenül kivezetett, Pitot-cső elven működő dinamikus nyomásmérő beépítése minden nagyfogyasztónál (a mérőszakaszokon egy-egy nyomáskülönbség távadóhoz csatlakoztatva);

a kondenzleválasztók működésének akusztikus ellenőrzése (a kiáramló gőz és víz által keltett zaj alapján meghatározható a nyitás periódusideje és a nyitás időtartama; az adatokat elektronikusan tárolva, s a helyszínen kiolvasva, vagy a GSM hálózatban továbbítva követhető a kondenzáramok alakulása).

A beépítésre javasolt mérő-, adatgyűjtő- és adatfeldolgozó eszközök, s a Honeywell felügyeleti keretrendszer az identifikációs mérések idején beüzemelve és működtetve.

A felügyeleti rendszer létrehozásának előfeltételei:

a kifejlesztett számítógépes modellek futtatásával változó üzemállapotok (változó energiafeladás, topológia és ellenállásviszonyok) szimulálása;

a vízgőzhálózat egyes ágaiban (valamennyi nagyfogyasztói végpont és a gerincvezetékről való leágazás csomópontja közötti ágon) a jelenlegi áramlásmérőhelyek közelében a csőszelvényben kialakult sebességeloszlás meghatározása helyi dinamikus nyomásmérés elvén,

valamennyi, a gerincvezetékről leágazó ágban telepített kondenzleválasztó távozó tömegáramának mérése;

a meglévő és a javasolt mérőhelyeken mért adatok mobil kommunikációval történő továbbítása a felügyeleti rendszerhez;

a kétfázisú áramlás minősítésére és számítására szolgáló módszerek és összefüggések algoritmizálása.

TÉZISEK

1. tézis. A fázisváltozás mikrofolyamatait jellemző összefüggések felállítása

A Nusselt féle modellből kindulva (folyadékelemre a súlyerő falirányú összete-

vője és a falirányú súrlódási erő eredője), a függőleges falat egy gör-bült felülettel (vízszintes csőszakasz belső félpalástjával) helyette-sítve a függőleges falon történő kondenzálódás modelljének kiter-jesztése zárt csővezetékben történő kondenzálódásra.

A palástelemeken elhelyezkedő folyadékelemekre az erőegyensúly megadásá-val a differenciálegyenlet rögzített feltételekkel történő megoldása a folyadék ívérintő irányú sebességére szolgáltat összefüggést.

A csőfalon lecsurgó folyadék haladási sebessége, az általa kitöltött kereszt-metszet és a folyadéksűrűség szorzata a kondenzátum tömegáramát szolgáltatja. Az integrálásokat palástelemenként elvégezve, a keletkező tömegáramok összegzése a film kezdetétől adott ívhossznyi távolságban haladó kondenzáramot határozza meg (a vízszintes csőszakasz felső és alsó alkotója között a folyadékfilm rétegvastagságának fokozatos növekedése számítható).

Kondenzáció vízszintes csővezetékben

Tetszőleges folyadékelemre a súlyerő falirányú összetevője, s a falirányú súrlódási erő (előbbiek tartanak egyensúlyt a folyadékrészecske gyorsulásából adódó, esetünkben zérusnak feltételezett tehetetlenségi erővel):

ahol - folyadéksűrűség [kg/m3] , x, r, x j - ívérintő, sugárirányú, hosszmenti helykoordináta [m], - a folyadékelemek között fellépő nyírófeszültség [kg/s2m].

A nyírófeszültség sugárirányú változása:

ahol - a folyadék dinamikai viszkozitása [kg/ms] , f - a folyadék kinematikai viszkozitása [m2/s], ux - a folyadék ívérintő irányú sebessége [m/s], r - a

sugárirányú helykoordináta [m].

0cos jfj dxdxdgdxdrdx

f

drdr

uddr

dr

udd x

ffx

f 2

2

2

2

f

A folyadékfilm sebességével kapcsolatos differenciálegyenlet:

Feltételezések (minden palástelem esetén a belső csőfal mellett a folyadék-sebesség, a gőzzel érintkező filmfelületben a nyírófeszültség, s ezzel az x ívérintő irányú sebesség-összetevők sugárirányban vett differenciál-hánya-dosa, a viszkozitás hőmérsékletfüggése zérus) a differenciál-egyenlet megoldásaként egy – a függőleges síkkal szöget bezáró – palástelemre:

ahol r - a filmréteg sugárirányba eső vastagsága [m].

Az ívhosszon lecsurgó közegmennyiség az i-edik ferde felületű palástelemre:

f

x

v

g

dr

ud cos2

2

2

2

coscosr

v

gr

v

gu

ffx r

drrg

rdrg

drum ir

iri

ir

ir

ir

irii r

f

ifrr r

f

ifxfx

2

00 011 1

cos1

cos11

x̂

Az integrálásokat palástelemenként elvégezve a 0 ≤ r ≤ r közötti tartomány-ban, a csőszakasz kerületének fokonkénti felosztásával nyert palástelemek cos ψi –jével számolva, s a palástelemenként keletkező tömegáramokat összegezve, az egységnyi hosszúságú csőszakasz esetén a film kezde-tétől az egyik palástfélen ívhossznyi távolságban lefolyt kondenz-mennyiségre:

ahol – egységhosszúságú vízszintes csőszakaszon a palástfélre számított kondenzáram [kg/ms].

A cos ψi értékek átlagaként adódó K=(cos ψ)átl szorzótényező vízszintes cső esetében 0,6366.

A tömegáram irányú változása az előbbi összefüggés deriválásával:

A kondenzálódás során időegység alatt felszabadult hőmennyiség egye-ző a filmrétegen át a hőelvonó csőfalig vezetéssel haladó hőárammal:

x̂

3

3

)(cosr

f

átlfx

gm

xm

x̂

rf

rfxx d

v

gKdx

dx

mdmd

2

dxTTHmd falkondr

fx 1)(

ahol - kondenzáram [kg/ms], ΔH - kondenzációs hő [J/kg], f - a folyadék hővezetési tényezője [W/mK], Tkond - kondenzációs hőmérséklet [K], Tfal - falhőmérséklet [K].

Összevetve az előző összefüggéseket:

A filmréteg vastagságára:

A hőátadási tényezőre: x=f/r , a r filmvastagság behelyettesítésével:

ahol x - a folyadékfilm filmvastagságtól függő hőátadási tényezője [W/m2K].

xm

dxTTHdv

gKfalkond

r

fr

f

rf 1)(2

4)(4

HgK

xTTv

f

falkondffr

4

3

)(4 xTTv

HgK

falkondf

ffx

Az átl= átlagos hőátadási tényező bevezetésével:

ahol D – a vízszintes helyzetű cső átmérője [m].

Az átlagos hőátadási tényezőre:

Tehát . A mindkét palásfélről lecsurgó kondenz tömegárama:

Az x hőátadási tényezőt kifejezve, s figyelembevéve az átlagos hőátadási tényező definiálását:

Alkalmazás: kondenzleválasztók minősítése, hálózat energetikai jellemzése, sebességeloszlás számítása, áramlás minősítése.

dxTTTTD

falkondxfalkond

D

)(1)(2

12

0

4

3

)(4

2

3

4

DTTv

HgK

falkondf

ff

x3

4

smkgg

mxf

ffkond /

3

6366,02

3

3

333

3

002,16366,02

924,03

6366,02

3

4

kondf

ff

kondf

ff

kondf

ff

mv

g

mv

g

mv

g

2. tézis. A kétfázisú áramlás minősítésére szolgáló technikák (mérő-, adatgyűjtő- és adatfeldolgozó eszközök) létrehozása

A hőerőműben jelenleg működtetett irányítási rendszerek a nagyfogyasztók számára nem biztosítják az állandó vízgőzminőséget, esetenként a száraz vízgőz vételezésének lehetőségét. A száraz vízgőz mérésére be-állított mérőeszközök csupán tájékoztató tömegáram adatokat szolgál-tatnak a kétfázisú, réteges áramlás kialakulása miatt. Nem ismeretes a vízgőz nedvességtartalma, a fogyasztói hálózatvégeken esetlegesen kialakuló kétfázisú áramlás során az eltérő sebességgel haladó fázisok sebessége és térkitöltése.

Megoldás a javasolt, az intelligens monitorozást biztosító felügyeleti rendszer létrehozása. Az identifikációs méréseknél alkalmazott, s egyben az üzemviteli felügyeleti rendszer létrehozásához kívánatos eszközök sorában a hagyományos ipari mérőberendezések mellett döntő jelentőségű az egyedi tervezéssel és kivitelezéssel megvalósított, speciális mérő-érzékelők (a kétfázisú áramlás sebességeloszlásának, a fázisok térkitöltésének követésére, illetve a környezetbe távozó kondenzáramok mérésére alkalmas áramlásmérők) beépítése.

A speciális áramlásérzékelők gyártási és beépítési vázlata

Speciális áramlásérzékelő telepítése

Terepi mérőhely elrendezése és logikai vázlata

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

13:5

5

14:2

4

14:5

2

15:2

1

15:5

0

16:1

9

16:4

8

5 .c s a torna (s za bvá nyos m é ré s i he ly) 6 .c s a torna (s za bvá nyos m é ré s i he ly)

4 .c s a torna (s za bvá nyos m é ré s i he ly) 3 .c s a torna (s za bvá nyos m é ré s i he ly)

1 -ε°= 0 ,6 4 4 %1 5 :2 7 h

Irányított beavatkoz ás ok hatás ának felderítés e

1 4 :0 91 4 :3 3 1 5 :0 4 1 5 :2 7 1 5 :4 3 1 6 :1 4

1 -ε°= 0 ,5 1 %1 5 :0 4 h

1 -ε°= 0 .8 2 7 %1 5 :4 3 h

s zűkítőe le m e s [t/h] 0 ,5 0 ,8 6 1 ,3 6 0 ,8 2

Mé rt konde nz [l/h] 9 6 1 0 2 8 4 1 0 4 0 2 9 4 1 6 0 ne m m é rhe tő 2 1 2 7

1 -ε°= 0 .5 1 %1 6 :1 4 h

P din

[P a ]

t [h]

A Pitot-cső elvű áramlásmérő egyes mérőcsatornáihoz kapcsolódó nagyérzékeny-ségű nyomáskülönbség-távadók kimenetén az irányított beavatkozások folyamán a dinamikus nyomásértékek rögzítése. A tranziensek jól szemléltetik az egyensúlyi helyzetek beállásának időszükségletét.

Dinamikus nyomások tranziens lefutása a csőszelvényben

A szabadba távozó kondenzáram mérése az AKL-07 és az AKL-05 jelű kondenzleválasztóknál

Akusztikus kondenzmérő-berendezés és ideiglenes telepítése

A gőzvezeték-hálózaton keletkező és a környezetbe kilépő kondenzvíz mérésére kifejlesztett eszköz alkalmas a terepen történő mérésre és adatrögzítésre a zárt kondenzvíz-leválasztó rendszer megbontása nélkül is. A kifejlesztett akusztikus áramlásérzékelő a kondenzleválasztókhoz közeli zárószerelvényhez mereven rögzítve méri a vizsgált rendszerből származó rezgéseket. A kondenzleválasztók két lehetséges állapotát, a nyitott, illetve a zárt helyzetét jellemző akusztikus jelek eltérő amplitudójából meg lehet állapítani, hogy a kondenzvíz-leválasztó edényen keresztül áramlik-e közeg, vagy nem. A nyitott és zárt állapotok időarányának meghatározásával ellenőrizhető a leválasztón távozó kondenzvíz mennyisége.

Az akusztikus kondenzáram mérőberendezés kalibrálása valamennyi kondenzle-választónál telepített, vízgőzkondenzátorként működtetett, térfogatmérésen ala-puló köböző berendezéshez, mindkét módszerrel meghatározva a távozó kon-denzvíz mennyiségét. A két eszközzel mért és az ebből számított kondenzvíz térfogat- és tömegáram értékek jó egyezőséget mutattak.

Akl02 2007. 07. 30.

0

20

40

60

80

100

120

140

58 59 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59

1414151515151515151515151515151515151515151515151515151515151515151515151515151515151515151515151515151515151515151515151515

idő[h]

{l/h

}

akusztikus köbözéssel

Kondenzáram mérések összevetése

B őris z K ft. 2007.07.24.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

8:53

8:56

8:59

9:02

9:05

9:08

9:12

9:18

9:24

9:30

9:36

9:42

9:48

9:54

10:0

0

10:0

6

10:1

2

10:1

8

10:2

4

10:3

0

10:3

6

10:4

2

10:4

8

10:5

4

11:0

0

11:0

6

11:1

2

11:1

8

11:2

4

11:3

0

11:3

6

11:4

2

11:4

8

11:5

4

12:0

0

m intavétel: 1m in átlag a beavatkozás okra s zám itvakondenzáram [l/h]

Kondenzáram-mérés térfogatmérés elvén alapuló mérőberendezéssel

Bőrisz Kft. 2007.07.24

0

20

40

60

80

100

120

140

160

8:54

8:58

9:02

9:06

9:10

9:14

9:18

9:22

9:26

9:30

9:34

9:38

9:42

9:46

9:50

9:54

9:58

10:0

2

10:0

6

10:1

0

10:1

4

10:1

8

10:2

2

10:2

6

10:3

0

10:3

4

10:3

8

10:4

2

10:4

6

10:5

0

10:5

4

10:5

8

11:0

2

11:0

6

11:1

0

11:1

4

11:1

8

11:2

2

11:2

6

11:3

0

11:3

4

11:5

8

12:0

2

12:0

6

12:1

0

mintavétel: 1min átlag: 5min-re s z ámítvakondenzáram l/h]

Kondenzáram-mérés akusztikus elven működő mérőberendezéssel

A tervezett felügyeleti rendszer megvalósítása a javasolt mérő-érzékelők elhelyezését és működtetését, a technológián folyamatosan mért jellemzők mobil adatátvitellel a felügyeleti rendszer központi gépeihez való továbbí-tását feltételezi.

Ugyanis a vízgőzhálózat üzemvitelét minősítő korrekt tömegmérleg megadásához szükséges a mérőhelyenkénti közeg-sűrűség ismerete, a kondenzleválasztóknál kilépő anyagáramok, s a fogyasztókhoz juttatott vízgőz áramlási formájának meghatározása.

A felügyeleti rendszer elemei együttesen alkotják azt a mérés- és műszer-technikai, metrológia háttérbázist, mely előfeltétele a helyi ellenőrzést, a mobil távadatátvitelt, a központi felügyeletet és adatgyűjtési feladatokat biztosító infokommunikációs rendszer megfelelő működésének.

3. tézis. A kétfázisú áramlás jellemzésére alkalmas mérési és számítási módszerek kidolgozása

A fogyasztók számára biztosított vízgőzparaméterek korrekt meghatáro-zásához a 2. tézispontban megnevezett technika alkalmazása, a hálózat üzemellenőrzési pontjainál egyidejű mérések elvégzése és feldolgozá-sa szükséges.

A számítási módszer – az erőművi forrásoldalról kiindul-va, s a fogyasztók felé haladva – valamennyi, a gerincvezetékről a nagy-fogyasztókig leágazó vezetékszakaszra a mérési eredmények „homogén modell”, valamint „szlip modell” feltételezésével való feldolgozását követi.

Üzemviteli mérések és számítások menete

A csomópontok között elhelyezkedő j. ágon az akusztikus elven működő tömegáram számlálókkal mért átlagos tömegáramok összegzett értéke:

(1)

A korrekt tömegmérleg megadásához szükséges vízgőzsűrűség, kilépő anyagáram, áramlási forma meghatározása - valamennyi ágon az utolsó kondenzleválasztó utáni szakaszon - a szűkítőelemes áramlásmérés mellett (esetenként helyett) a csőszelvény helyi sebességeloszlását tisztázó Pitot-cső elvű áramlásmérők beépítésével biztosítható.

A szűkítőelemes – a tömegáramot a mért nyomáson és hőmérsékleten a telített száraz vízgőz sűrűségével számító – áramlásmérővel mért érték:

Ezt összevetve az kondenzáramokkal csökkentett , belépő ágárammal - a különbözet, az alábbi tömegárameltérés:

(2)

kkl

n

kkl MM

1

mpkiM

klM

n

iklkl i

MM1

)( beM

empkiklbe MMMM

Ez a kondenzálódással járó sűrűségváltozásnak, e sűrűségkorrekció hiányának tulajdonítható.

A szűkítőelemes áramlásmérő korrekciós szorzója:

(3)

Az áramló közeg átlagos sűrűsége:

(4)

ahol , ill. - a vízgőz, ill. folyadék térfogatáramtörtje; , - vízgőzsűrűség, folyadéksűrűség, átlagos sűrűség [kg/m3]; - a kétfázisú áramlás tömegárama [kg/s]; - a kétfázisú áramlás térfogatárama [m3/s].

A korrekciós szorzó és a (4) összefüggés alapján a térfogatáramtörtek számítására

(5)

mpki

empki

mp M

MMk

V

Mk fg )1(

1 g ,f k

)1( g2)( mpf k kg

MV

g

kmpk

Az ágat elhagyó tömegáramot tekinthetjük a szűkítőelemes mérés sűrűségkorrekcióval módosított értékének:

(6)

Ismerve a csővezeték Ac áramlási keresztmetszetét és a számított átlagos sűrűséget, az áramló közeg uk átlagos sebessége:

(7)

A Pitot-cső elvű speciális mérőeszközzel elvégzett áramlásmérések igazolták, hogy a csőszelvényben többnyire elkülönülten, jelentős sebességkülönb-séggel áramlik a folyadék- és a gőzfázis. Az egyes fázisokra megadott térfogatáramtörtek:

; (8)

a különböző sebességgel áramló fázisok térkitöltésére nem adnak felvilágosítást.

kiM

klbempkimpki MMMkM

ck

kik A

Mu

V

V

VV

V g

fg

g

V

V

VV

V f

fg

f

1

A vízszintes helyzetű csővezetékben kialakított mérőhelyeken a kondenzátum elhelyezkedése:

A vízszintes mérőszakasz csőszelvényének kitüntetett (szabvány által meghatározott) pontjaiban mért dinamikus nyomásokból a helyi sebességek az alábbi összefüggéssel számíthatók:

; (9)g

idinig

pu

2stödin ppp

A körszelvény azonos területű részszelvényeit jellemző helyi vízgőzsebessé-gek alapján számítható a vízgőz átlagos axiális sebessége:

(10)

ahol ugi - az m számú (min. 3, max. 6) helyi vízgőzsebesség számtani átlagaként nyert érték [m/s]; m - a szabványos mérőhelyek száma.

A (6) és (5) összefüggésekből határozható meg a kétfázisú áramlás térfogatárama. E térfogatáramot a (8) összefüggésekkel jellemzett térfogatáramtörtekkel beszorozva kapjuk meg az egyes fázisok térfogatáramát:

(11)

Az egyes fázisok térfogatáramának és sűrűségének ismeretében nyert tömegáramok:

; ; (12)

m

u

uig

m

ig

1 6,5,4,3m;

VV f 1 VVg

;

fff VM ggg VM

gf MMM

Az ágat elhagyó tömegáramból a (11) és a (12) összefüggések alkalmazásával nyert vízgőz tömegáramnál nem lehet nagyobb a dinamikus nyomásmérésen alapuló speciális áramlásmérővel mért, s az alábbiak szerint számított tömegáram:

(13)

ahol ug - a helyi dinamikus nyomásokból számított átlagos vízgőzsebesség [m/s]; m - a ténylegesen vízgőzáramot mérő szabványos mérési pontok száma (min. 3, max. 6); AF - a kondenzfilm (filmgyűrű) szelvénye [m2];

- a maximális, de megfelelő számú mérési pontok átlagaként számolt vízgőz tömegáram [kg/s]; - az ág távozó vízgőz össztömegárama [kg/s].

Amennyiben a szabványosan rögzített pontokban a dinamikus nyomásból vízgőzáramlásra következtethetünk, e pontok száma legalább 3, ill. legfeljebb 6 lehet, hogy a pontokhoz tartozó gőzsebességek számtani átlagaként nyert ug átlagos gőzsebességgel számolt tömegáram az előbbi egyenlőtlenségnek eleget tegyen. A (7) összefüggésnek megfelelően ellenőrízhető az uk átlagos sebesség az alábbiak szerint:

(14)

kiM MM ki

gM

ggFcgmg MAAm

uM

2

1

6

mgM

gM

cf

f

cg

gk A

M

A

Mu

A vízgőz ug átlagos sebességét a (10), a térfogatáramát a (11) összefüggés szerint meghatározva számítható a speciális áramlásmérő beépítési helyén a csőszelvényben a vízgőz által elfoglalt keresztmetszet:

(15)

A folyadék által elfoglalt Af csőszelvény:

(16)

Az egységnyi hosszúságú áramlási csatorna által meghatározott térfogatelemet tekintve, az előbbiek alapján számíthatók a térfogattörtek:

; (17)

gV

g

gg u

VA

gcf AAA

c

g

fg

g

A

A

AA

A

1

1

c

f

fg

f

A

A

AA

A

1

A tömegáramtörtek a (12) összefüggés alapján értelmezhetők:

; (18)

Az egyes ágak végső szakaszán beépített speciális áramlásmérőknél a (16) összefüggés szerint meghatározva a Af folyadékszelvény értékét, a (11) képlettel számított folyadék térfogatáram ismeretében a folyadékfázis uf átlagos haladási sebessége réteges áramlás esetén:

(19)

M

M

MM

Mx g

fg

g

M

M

MM

Mx f

fg

f

1

fV

f

ff A

Vu

A szűkítőelemes és a dinamikus nyomás mérésén alapuló áramlásmérők

összevetése (sebességmérés „homogén modell” feltételezésével)

A szűkítőelemes és a dinamikus nyomás mérésén alapuló áramlásmérőkkel mért tömegáramok jó egyezőséget mutatnak, amennyiben feltételezhetjük, hogy az áramlási csatornában homogén fluidum áramlik, s a két fázis tulajdonságaiból átlagos értékeket hozhatunk létre. A kétfázisú áramlás e homogén modellel való leképezése úgy értelmezhető, hogy a légnemű és a folyadék fázis azonos sebességgel áramlik, , ill. .

Az előző táblázatban összefoglalt számítási adatokból elkészített sebesség-eloszlást az ábrán tüntettem fel (homogén modell feltételezésével).

xx

Mérési eredmények feldolgozása és kiértékelése „szlip modell” feltételezésével

A kis sebességekkel, nagy hidraulikai ellenállásokkal működtetett vízgőzhálózat fogyasztói oldalát elsősorban a kétfázisú áramlás réteges áramlási formája jellemezte. A két fázis egymástól elkülönülő áramlásának jellemzéséhez alapvetően szükséges az egyes fázisok térkitöltésének ismerete, a térfogattörtek méréssel történő meghatározása.

Induljunk ki az előző táblázatban rögzített értékekből, elfogadva az átlagos sűrűségek, a térfogatáramtörtek, az átlagos sebességek, a Pitot-cső elvű áramlásmérővel meghatározott és a mérőperemmel mért, majd a korrekciós szorzóval korrigált tömegáramok értékeit (utóbbiak mérőperemmel nem rendelkező ágak esetében helyettesíthetők az ág tömegmérlegből számított belépő árama és összegzett kondenzárama különbségeként).

A (9) összefüggés mintájára a homogén modell esetén a képletbe történő be-helyettesítés az átlagos sűrűséggel és a Pitot-csővel mért dinamikus nyomá-sokkal történt. A „szlip modell” feltevéssel most ez a vízgőzsűrűséggel valósul meg. Az így feltételezett és számított vízgőzsebességeket, valamint a meg-felelő számú (m=3,4,5,6 a (10) képlet szerint) mérési pont figyelembevételé-vel nyert gőzsebesség-átlagokat, az ebből számított vízgőz tömegáramokat a következő táblázatban tüntettem fel.

Kétfázisú áramlás áramlási jellemzőinek „szlip modell” feltételezésével számított értékei

Az Af folyadékszelvény-felületekből a kondenzátum vízszintes csőszakaszban való elhelyezkedésére lehet következtetni. A folyadék által elfoglalt Asz körszelet-szelvény területének meghatározása:

(20)

ahol r - a csővezeték átlagos kondenzfilm-vastagsággal csökkentett belső sugara [m]; - középponti szög [º].

A speciális áramlásmérővel mért, s az ismertetett módszerrel számított sebességeloszlás (lásd következő ábra) alapján a vízgőz átlagos nedvességtartalmának növekedésével a csatornaszelvény belső részein elhelyezkedő mérési pontoknál a dinamikus nyomások növekedése (e helyeken száraz vízgőz sűrűségével számolva sebességnövekedés), a csővezeték felső alkotója ill. a folyadékfelszín felé haladva sebességcsökkenés tapasztalható.

sinrAsz 1802

1 2

r

0

1

2

3

4

5

6

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25

csőátmérő D [m]

sebe

sség

u [m

/s]

01. Mérés

02. Mérés

03. Mérés

04. Mérés

05. Mérés

06. Mérés

07. Mérés

08. Mérés

09. Mérés

10. Mérés

11. Mérés

Kétfázisú áramlás sebességeloszlása „szlip modell” feltételezésével (D=250mm)