DE3937784C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der sich rasch ändernden gemittelten Temperatur eines strömenden kompressiblen Mediums.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung insbesondere ein Ver­ fahren zur Bestimmung der gemittelten Temperatur des aus einem Dampferzeuger austretenden Dampfes, wobei in einer Brennkammer des Dampferzeugers ein Brennstoff mit einem Oxidator reagiert und zusätzlich noch Wasser in die Brenn­ kammer eingespritzt wird.

Die bislang bekannten Verfahren zur Bestimmung der sich rasch ändernden gemittelten Temperatur eines strömenden kompressiblen Mediums sehen stets eine direkte Messung der Temperatur selbst vor, wobei die üblichen Temperatur­ sensoren, wie z. B. Thermoelemente, zum Einsatz kommen.

Die üblichen Temperatursensoren haben den Nachteil, daß sie relativ lange Ansprechzeiten haben und somit sprunghafte Temperaturänderungen nur mit Verzögerung nachvollziehbar sind, so daß stets immer dann Probleme auftreten, wenn derartige Temperaturmessungen in Regelprozessen Berücksichtigung finden sollen.

Aus der DE-OS 24 44 856 ist es zwar bekannt, sprunghafte Temperaturänderungen mit möglichst geringer Zeitverzögerung zu erfassen. Gemäß dem in dieser Druckschrift vorgeschlagenen Verfahren ist hierzu jedoch eine Messung der Druckänderung sowie der Temperatur, das heißt zweier Zustandsgrößen, erforderlich. Darüber hinaus bezieht sich das Meßverfahren lediglich auf ein im Gleichgewicht befindliches nichtströmendes Medium, so daß keine gemittelte Temperatur eines strömenden Mediums damit ermittelt wird.

Der Erfindung liegt ausgehend von dem eingangs genannten Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung der sich rasch ändernden gemittelten Temperatur eines strömenden kompressiblen Mediums derart zu verbessern, daß dieses in der Lage ist, sprunghafte Temperaturänderungen exakt und mit möglichst geringer Zeitverzögerung zu erfassen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Bestimmung der sich rasch ändernden gemittelten Temperatur eines strömenden kompressiblen Mediums dadurch gelöst, daß man das Medium durch eine Drosselstelle strömen läßt, daß man den Massenstrom des durch die Drosselstelle strömenden Mediums bestimmt, daß man innerhalb und stromaufwärts außerhalb der Drosselstelle den Druck erfaßt und daß man aufgrund des Massenstroms und des Drucks innerhalb und außerhalb der Drosselstelle die gemittelte Temperatur bestimmt.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß aufgrund der für die Druckerfassung erforderlichen üblichen Drucksensoren eine wesentlich kürzere Ansprechzeit erreichbar ist, da die Ansprechzeiten der Drucksensoren mindestens um eine Größenordnung kürzer sind als die Ansprechzeiten üblicher Temperatursensoren. Damit ist ein erheblicher Vorteil erzielt. Darüber hinaus bietet das erfindungsgemäße Verfahren noch den großen Vorteil, daß die bei diesem Verfahren bestimmte gemittelte Temperatur die massenstromdichtegemittelte Temperatur ist, was einen großen Vorteil dann mit sich bringt, wenn das kompressible Medium mit einer inhomogenen Massenstromdichte strömt, da eine Er­ mittlung einer massenstromdichtegemittelten Temperatur in einem derartigen Fall bislang nur dadurch möglich ist, daß man an mehreren Orten in der Strömung mit inhomogener Massenstromdichte die Temperatur und die Strömungs­ geschwindigkeit erfaßt und rechnerisch dann die massen­ stromdichtegemittelte Temperatur ermittelt.

Die Abhängigkeit der gemittelten Temperatur von den Drucken, d. h. insbesondere der Differenz der Drucke innerhalb und stromaufwärts außerhalb der Drosselstelle sowie dem Massen­ strom ist noch mit einer Konstante behaftet, die durch die Art der Drosselstelle und die geometrischen Verhältnisse vor und nach der Drosselstelle und durch die Art des Mediums be­ dingt sind.

Es besteht die Möglichkeit, diese Konstante rechnerisch zu bestimmen, wobei die genaue Geometrie der Drosselstelle erfaßt werden muß. Besonders einfach ist es jedoch, wenn die Konstante experimentiell bestimmt wird.

Im Rahmen der bislang beschriebenen erfindungsgemäßen Lösung wurde nicht näher darauf eingegangen, wie die Erfassung des Drucks stromaufwärts außerhalb der Drosselstelle erfolgt. Dieser wird stromaufwärts vor der Drosselstelle, wo noch keine Querschnittsverengung vorhanden ist, als statischer Druck gemessen. So sieht eine besonders bevorzugte Möglich­ keit vor, diesen Druck unmittelbar stromaufwärts vor der Drosselstelle zu messen.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Lösung sieht vor, daß die Drosselstelle eine Düse an der Mündung eines Rohrendes ist, welches von dem strömenden kompressiblen Medium durchströmt wird. In diesem Fall ist es insbesondere denkbar, zur Erfassung des Drucks innerhalb der engsten Stelle der Düse den Druck des Raums zu messen, in welchen das strömende Medium von der Düse ausgehend eintritt, d. h. den Druck in der Umgebung außerhalb der Düse.

Alternativ dazu ist es aber auch im Rahmen der erfindungs­ gemäßen Lösung denkbar, daß die Drosselstelle eine Engstelle in einem Rohr ist.

Hinsichtlich der Ausbildung der Drosselstelle wurden im voranstehenden keine näheren Angaben gemacht. Besonders einfach läßt sich der Zusammenhang zwischen dem Massenstrom und der Differenz der Drucke innerhalb und außerhalb der Drosselstelle dann ermitteln, wenn die Drosselstellen zu ihrer Längsachse parallele Austrittstangenten aufweisen.

Bei den bislang bekannten Verfahren zur Bestimmung der gemittelten Temperatur des aus einem Dampferzeuger aus­ tretenden Dampfes liegt die vorstehend erwähnte Aufgaben­ stellung ebenfalls vor.

Diese Aufgabe wird ebenfalls bei einem Verfahren zur Be­ stimmung der gemittelten Temperatur des aus einem Dampf­ erzeuger austretenden Dampfes, wobei in einer Brennkammer des Dampferzeugers ein Brennstoff mit einem Oxidator reagiert und zusätzlich noch Wasser in die Brennkammer ein­ gespritzt wird, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man am Ende der Brennkammer eine Drosselstelle vorsieht, daß man die Summe der zugeführten Massenströme erfaßt, daß man innerhalb und außerhalb der Drosselstelle den Druck erfaßt und daß man aufgrund des aus der Drosselstelle austretenden Massenstroms und des Drucks innerhalb und außerhalb der Drosselstelle die gemittelte Temperatur bestimmt.

Insbesondere bei diesem speziellen Verfahren ist es von erheblicher Bedeutung, daß die gemittelte Temperatur die massenstromdichtegemittelte Temperatur ist, da der Dampf innerhalb der Brennkammer mit inhomogener Massenstromdichte strömt, jedoch für die spätere Verwendung des Dampfes die massenstromdichtegemittelte Temperatur, d. h. die Temperatur des vollständig vermischten und mit gleicher Geschwindigkeit strömenden Dampfes, von Bedeutung ist.

Bei diesem Verfahren ist insbesondere vorgesehen, daß der Brennstoff Wasserstoff und der Oxidator Sauerstoff ist.

Derartige Dampferzeuger werden vorteilhafterweise so be­ trieben, daß Wasserstoff und Sauerstoff in stöchiometrischen Verhältnissen geregelt zugeführt werden.

Darüber hinaus ist bei einem besonders bevorzugten Aus­ führungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens vorge­ sehen, daß man die zugeführten Massenströme des Wasserstoffs und des Sauerstoffs aufgrund der Meßwerte für die stöchio­ metrische Regelung derselben bestimmt und daß man außerdem auch den zugeführten Massenstrom des in die Brennkammer eingespritzten Wassers mittels der für die Regelung der Ein­ spritzung des Wassers vorgesehenen Meßeinrichtung bestimmt, so daß insgesamt der aus der Brennkammer austretende Massen­ strom sich aus der Summe dieser Massenströme ergibt.

Im übrigen ist hinsichtlich vorteilhafter Ausführungen des Verfahrens zur Bestimmung der gemittelten Temperatur des aus einem Dampferzeuger austretenden Dampfes auf die besonders bevorzugten Ausführungsbeispiele zu verweisen, welche im Zusammenhang mit dem Verfahren zur Bestimmung der sich rasch ändernden gemittelten Temperatur eines strömenden kompres­ siblen Mediums erläutert wurden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 Ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens gemäß der Erfindung, angewandt bei einem mit einer Düse abgeschlossenen Rohr;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Verfahrens gemäß der Erfindung, angewandt bei einer Engstelle in einem Rohr und

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Dampferzeugers, bei welchem ein Verfahren gemäß der Erfindung Anwendung findet.

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel eines Verfahrens gemäß der Erfindung zur Messung der sich rasch ändernden gemittelten Temperatur eines strömenden kompressiblen Mediums wird, wie in Fig. 1 dargestellt, ein Massenstrom M durch ein Rohr 10 geführt, welches endseitig mit einer Düse 12 versehen ist, die eine Mündungsdüse des Rohrs 10 darstellt. Die Düse 12 ist rotationssymmetrisch zu einer Längsachse 14 des Rohrs 10 angeordnet und weist ebenfalls eine konzentrisch zur Längs­ achse 14 angeordnete Mündung auf.

Der Druck des durch das Rohr 10 strömenden Massenstroms des kompressiblen Mediums wird stromaufwärts der Düse 12 im wesentlichen vor dieser an einer Stelle 18 gemessen, bei welcher das Rohr 10 noch einen vollen Querschnitt aufweist. Dieser Druck ergibt den Meßwert P1.

Ferner wird ein Druck P2 im Bereich des engsten Querschnitts der Düse 12 an der Stelle 20 gemessen.

Aus dem mit beliebigen Methoden zu messenden Massenstrom und den Drucken P1 und P2 läßt sich nun die gemittelte Tempera­ tur des strömenden kompressiblen Mediums vollständig und exakt ermitteln, wobei zur Messung der Drucke P1 und P2 übliche Drucksensoren verwendbar sind und das Stoffgesetz des Mediums (p.T) bekannt sein muß.

Der Vorteil der Methode liegt darin, daß sich bei schnell veränderlichen Temperaturen die Messung über die Drucke P1 und P2 wesentlich schneller und exakter durchführen läßt als mittels üblicher, für die Temperatur­ messung verwendeter Temperatursensoren, wie z. B. Thermo­ elementen, da die Ansprechzeiten üblicherweise verwendeter Drucksensoren um mindestens eine Größenordnung kürzer sind als die Ansprechzeiten üblicherweise verwendeter Temperatur­ sensoren.

Alternativ zu dem vorstehend erläuterten ersten Ausführungs­ beispiel eines Verfahrens gemäß der Erfindung, besteht auch die Möglichkeit, anstelle einer innerhalb der Düse 12 durchge­ führten Messung des Drucks P2 den Druck P2′, der in der Um­ gebung außerhalb der Düse 12, d. h. stromabwärts derselben, herrscht, zu messen und mit diesem Wert P2′ sowie dem Wert P1 und dem Wert des Massenstroms die Bestimmung der Temperatur in derselben Weise wie zuvor durchzuführen.

Für die Berechnung erfolgt eine Anwendung der Theorie der eindimensionalen isentropen Düsenströmung, wobei die ge­ mittelte Temperatur T des strömenden kompressiblen Mediums mit den Drucken P1 und P2 und dem Massenstrom M bei Annahme idealen Gasverhaltens in folgender Relation steht:

= Isentropenexponent
M = Massenstrom
A = Düsenquerschnittsfläche
Z = Realgasfaktor

Besonders vorteilhaft sind bei der Durchführung des Verfahrens alle Formen von Düsen 12, die gut abgerundet sind und eine zur Längsachse 14 parallele Aus­ trittstangente aufweisen.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel eines Verfahrens gemäß der Erfindung, erfolgt die Messung der Temperatur des strömen­ den kompressiblen Mediums mittels einer in einem Rohr 22 vorgesehenen Engstelle 24, welche ebenfalls koaxial zur Längsachse 26 des Rohrs 22 ausgerichtet ist. Prinzipiell können anstelle der Engstelle 24 aber auch Blenden oder Venturirohre zum Einsatz kommen.

In gleicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel er­ folgt eine Messung eines Drucks P1 stromaufwärts der Eng­ stelle 24 und eine Messung eines Drucks P2 in der Engstelle 24 am Ort mit dem geringsten Querschnitt.

Durch Ermittlung des durch das Rohr 22 strömenden Massen­ stroms wird ebenfalls unter Heranziehung der Drucke P1 und P2 eine Berechnung der Temperatur des strömenden kompres­ siblen Mediums durchgeführt.

Das Verfahren gemäß der Erfindung findet insbesondere Anwendung bei einem in Fig. 3 schematisch dargestellten Wasserstoff- Sauerstoff-Dampferzeuger, welcher als Sofortreserve- Dampferzeuger für Kraftwerke dient.

Bei diesem in Fig. 3 als Ganzes mit 30 bezeichneten Dampf­ erzeuger ist eine von einem Gehäuse 32 umschlossene Brenn­ kammer 34 vorgesehen, welche einerseits mit einem Einblas­ kopf 36 und andererseits mit einer Düse 38 abgeschlossen ist.

Mittels des Einblaskopfes 36 wird Sauerstoff einerseits und Wasserstoff andererseits in Form eines sich mischenden Strahls in die Brennkammer 34 eingeblasen und dort ver­ brannt, so daß Wasserdampf entsteht. Dieser Wasserdampf wird dadurch abgekühlt, daß mittels in Strömungsrichtung 40 stromabwärts des Einblaskopfes 36 angeordneter Einspritz­ ringe 42 und 44 zusätzlich Wasser in die Brennkammer 34 ein­ gespritzt wird, und zwar so viel, daß dieses aufgrund der zur Verfügung stehenden Wärme ebenfalls noch verdampft und mit dem Dampf aus der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung einen Wasserdampfstrom bildet, welcher als Massenstrom M durch die Düse 38 hindurch die Brennkammer 34 verläßt. Der Massenstrom wird dabei am einfachsten bestimmt durch die ohnehin für die stöchiometrische Zufuhr von Wasserstoff und Sauerstoff notwendigen Meßeinrichtungen 46 bzw. 48 zur Erfassung der der Verbrennung in der Brennkammer 34 zuge­ führten Massenströme von Wasserstoff und Sauerstoff und außerdem durch eine ebenfalls für die Abkühlung des Dampfes erforderliche Meßeinrichtung 50, die zur Erfassung des Massenstroms des durch die Einspritzringen 42 und 44 in die Brennkammer 34 eingespritzten Wassers zur Abkühlung des Dampfes dient und ebenfalls bei einem derartigen Dampfer­ zeuger zur Regelung der eingespritzten Wassermenge erforder­ lich ist.

Die Drucke P1 und P2 werden mit üblichen Drucksensoren ge­ messen, die wie bereits im Zusammenhang mit dem ersten Aus­ führungsbeispiel erwähnt bei sich schnell ändernden Tempera­ turen eine wesentlich schnellere Bestimmung der Temperaturen erlauben als die übliche Messung der Temperaturen mittels Thermoelementen.

Alternativ dazu ist es auch möglich, den Druck P2 außerhalb der Düse 38 zu messen.

Im übrigen wird hinsichtlich der Ausbildung der Düse 38 auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel Bezug ge­ nommen.

Bei einer Anwendung des Dampferzeugers 30 in einem Kraftwerk ist anstelle der Düse 38 eine Engstelle, ähnlich der Eng­ stelle 24, vorgesehen, vor welcher dann eine Rohrleitung zu einer Dampfturbine führt.

Claims (10)

1. Verfahren zur Bestimmung der sich rasch ändernden ge­ mittelten Temperatur eines strömenden kompressiblen Mediums, dadurch gekennzeichnet, daß man das Medium durch eine Drosselstelle strömen läßt, daß man den Massenstrom des durch die Drosselstelle strömenden Mediums bestimmt, daß man innerhalb und stromaufwärts außerhalb der Drosselstelle den Druck erfaßt und daß man aufgrund des Massenstroms und des Drucks innerhalb und außerhalb der Drosselstelle die gemittelte Temperatur bestimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Erfassung des Drucks stromaufwärts außerhalb der Drosselstelle unmittelbar stromaufwärts vor der Drosselstelle mißt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstelle eine Düse an der Mündung eines Rohrendes ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Erfassung des Drucks innerhalb der Düse den Druck in der Umgebung außerhalb der Düse mißt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstelle eine Engstelle in einem Rohr ist.

6. Verfahren zur Bestimmung der gemittelten Temperatur des aus einem Dampferzeuger austretenden Dampfes, wobei in einer Brennkammer des Dampferzeugers ein Brennstoff mit einem Oxidator reagiert und zusätzlich noch Wasser in die Brennkammer eingespritzt wird, dadurch gekennzeich­ net, daß man am Ende der Brennkammer eine Drosselstelle vorsieht, daß man die Summe der zugeführten Massen­ ströme erfaßt, daß man innerhalb und außerhalb der Drosselstelle den Druck erfaßt und daß man aufgrund des aus der Drosselstelle austretenden Massenstroms und des Drucks innerhalb und außerhalb der Drosselstelle die gemittelte Temperatur bestimmt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff Wasserstoff und der Oxidator Sauerstoff ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoff und der Sauerstoff in stöchiometrischen Verhältnissen geregelt zugeführt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich­ net, daß man die zugeführten Massenströme von Wasser­ stoff und Sauerstoff aufgrund der Meßwerte für die stöchiometrische Regelung derselben bestimmt, daß man den zugeführten Massenstrom des eingespritzten Wassers aufgrund des Meßwerts für die Regelung zur Ein­ spritzung des Wassers bestimmt und daß man zur Ermitt­ lung des aus der Brennkammer austretenden Massenstroms die Summe der Massenströme von Wasserstoff, Sauerstoff und Wasser bildet.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dieses entsprechend den Unter­ ansprüchen 2 bis 5 durchgeführt wird.