KR20010030687A - 습증기의 엔탈피를 결정하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 습증기(ND), 특히 증기 터빈의 배출구에 있는 습증기(ND)의 엔탈피(hND)를 결정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 상기 습증기(ND)의 부분 체적 흐름은 기준 가스(HD)와 혼합되어 혼합물(M)을 형성하기 때문에, 상기 부분 체적 흐름의 액체 성분은 완전히 증발한다. 그리고 측정된 물리적 변수에 의해 기준 가스(HD)의 엔탈피(hHD) 및 혼합물(M)의 엔탈피(hM)가 결정되며, 이로부터 상기 습증기(ND)의 엔탈피(hND)가 계산된다.

Description

습증기의 엔탈피를 결정하기 위한 방법 및 장치 {METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING THE ENTHALPY OF WET STEAM}

고온 증기, 다시 말해 과열된 증기의 엔탈피를 결정하기 위한 방법은 예컨대 DE-AS 10 46 068 에 공지되어 있다. 상기 문서는 증기 동력 장치, 특히 고온 증기 및 생산 증기 배출을 갖는 장치에서 중간 가열 및 급수 예열을 개선시키기 위한 방법을 기술하고 있다. 상기 증기 동력 장치에서 증기는 고압 장치의 팽창에 따라 두 부분 증기량으로 나누어지며, 상기 부분 증기량의 한 부분은 재열기를 통해 보내어진다. 그리고 두 부분량은 복류 중압 장치에서 서로 분리되어 동일한 배출 압력으로 팽창된 이후, 장치 뒤에서 다시 통합된다. 여기서 부분 증기량의 양의 관계 및 온도에 상응하여 결정된 혼합물 온도가 나타난다. 증기 터빈의 배출구에서 고온 증기의 엔탈피를 결정하기 위한 방법, 즉 고온 증기의 압력 및 온도가 측정되고 나서 엔탈피가 계산되는 이러한 방법은 습증기의 엔탈피를 결정하는데 적합하지 않다. 왜냐하면, 상태 변수의 압력 및 온도가 습증기 영역에 결합되기 때문에, 다시 말해 상기 압력 및 온도가 서로 독립적이지 않기 때문이다. 습증기 영역내의 점의 상태는 두 가지 상, 즉 기체상 및 액체상의 양의 관계가 공지될 때 비로소 완전히 확정된다. 액체 성분은 일반적으로 습증기에 균일하게 분포되지 않기 때문에, 실제로는 상당한 어려움이 있다. 따라서 DE-AS 10 46 068 는 증기 동력 장치를 조절하기 위한 방법 및 장치만을 다루고 있다. 여기서, 증기는 고압 장치의 팽창에 따라 전체적으로 두 부분 증기량으로 분리되어, 후에 장치 뒤에서 재 통합(혼합)되며, 상기 부분 증기량의 양의 관계 및 온도에 상응하여 결정된 혼합물 온도가 나타날 수 있다.

원자력 영역에 대한 인쇄물 및 응용에 공지된, 다양한 습증기 측정 방법이 VDI 2043 지시 "습증기 측정"(07/1979)에 제시되어 있다. 상기 VDI 지시는 원자력 영역에 대한 인쇄물 및 응용에 공지된, 다양한 습증기 측정 방법과 관계가 있다. 제 3.4 장에 따르면, 에너지 공급을 통해 습증기 샘플을 가열할 수 있는 - 과열 열량계 - 가 습증기 검출을 위해 제공된다. 과열 증기의 상태는 압력 및 온도의 측정에 의해 결정된다. 마찬가지로 공급된 열흐름이 측정된다.

본 발명은 습증기, 특히 증기 터빈의 배출구에 있는 습증기의 엔탈피를 결정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히 본 발명은 습증기 영역의 터빈을 작동시키는 원자력 발전소에서 흐름을 발생시키기 위한 증기 동력 프로세스에 관한 것이다.

도 1은 h-s 다이어그램이고,

도 2는 본 발명에 따른 장치의 실시예이다.

본 발명의 목적은 습증기, 특히 증기 터빈의 배출구에 있는 습증기의 엔탈피를 결정하기 위한 간단한 측정 방법을 제공하는데 있다. 또한 상기 방법을 실행하기 위한 장치를 제공하는데 있다.

상기 목적은 청구항 제 1 항의 특징을 갖는, 습증기의 엔탈피를 결정하기 위한 측정 및 계산 방법, 그리고 청구항 제 10항의 특징을 갖는 장치에 의해 달성된다. 실시예 및 개선예는 개별 종속항의 대상이 된다.

습증기, 특히 증기 터빈의 배출구에 있는 습증기의 엔탈피를 결정하기 위한 측정 및 계산 방법에 있어서, 상기 습증기의 부분 체적 흐름은 기준 가스와 혼합되어 혼합물을 형성하기 때문에, 상기 부분 체적 흐름의 액체 성분은 완전히 증발한다. 그리고 측정된 물리적 변수에 의해 기준 가스의 엔탈피 및 혼합물의 엔탈피가 결정되며, 이로부터 상기 습증기의 엔탈피가 계산된다. 이에 따라, 상기 방법은 습증기의 압력 및 엔탈피로부터 증기 함량을 결정할 수 있다는 장점을 갖는다.

이 경우, 증기 흐름에서 기준 가스로서 부분 체적 흐름의 고온 증기만이 샘플로 빼내진다. 상기 부분 체적 흐름의 고온 증기는, 습증기의 추가 부분 체적 흐름과의 혼합시 그 속에 포함된 액체 성분이 완전히 증발하도록, 기준 가스로서 혼합 공간에 제공된다. 결과적으로 측정에 의한 두 변수, 즉 본 발명의 바람직한 개선예에 따른 고온 증기 및 기준 가스의 엔탈피, 그리고 기준 가스-습증기 혼합물의 엔탈피가 공지되어 있으며, 상기 변수에 의해 추구했던 변수, 즉 습증기의 엔탈피가 계산될 수 있다.

상기 방법의 개선예에서는, 습증기의 부분 체적 흐름은 단열되도록 기준 가스와 혼합된다. 따라서, 혼합 과정시 엔탈피 변화를 고려할 필요는 없다.

바람직한 개선예에서, 기준 가스는 고온 증기이다. 습증기 및 고온 증기는 혼합물을 형성하며, 상기 혼합물의 상태점(state point)은 고온 증기 영역에 놓여있다. 공지된 방법은 상기 혼합물의 엔탈피를 결정하는 연결 지점에서 사용될 수 있다. 추가로 제시된 실시예에서, "혼합물(blend)" 또는 "혼합물(mixture)" 이라는 개념은 제 1 경우에서는 둘 이상의 성분을 갖는 흐름의 용도에 상응하고, 제 2의 경우에서는 일성분 유체에 상응한다. 상기 일성분 유체 및 다성분 유체는 단상 또는 2상 일 수 있다. 본 발명에 있어서, 두 개념은 동의어로 사용된다.

상기 방법의 바람직한 실시예에서는, 기준 가스의 압력 및/또는 온도 및/또는 양은 혼합물의 상대 습도에 의해 조절된다. 상기 실시예에서 기준 가스는, 습증기의 특성이 시간의 진행에 따라 변경될 경우, 상기 습증기의 액체 성분이 허용될 수 있을 만큼 완전히 증발되는 특성을 나타낸다.

고온 증기가 기준 가스로 사용되는 바람직한 개선예에 따라, 고온 가스의 압력 및/또는 온도 및/또는 양은 고온 증기 영역내 혼합물의 상태점과 포화선과의 거리에 따라 조절된다.

또한 기준 가스 및/또는 혼합물의 엔탈피는 각각 압력 및 온도를 측정함으로써 결정될 필요가 있다. 이러한 기준 가스 및 혼합물의 상태 변수 및 양으로부터 엔탈피가 공지된 방식으로 직접 측정될 수 있다.

특히 기준 가스 및 습증기의 연속 흐름이 존재할 경우에는, 습증기 부분 및 기준 가스가 혼합 구간으로 유입되어, 상기 혼합 구간의 끝에서 혼합물의 엔탈피가 결정되는 것이 바람직하다. 상기 혼합 구간을 지나면서 액체 성분은 완전히 증발되고, 동일한 압력 및 동일한 온도가 혼합물에서 나타날 수 있다.

상기 방법의 개선예에서, 습증기의 엔탈피는 연속적으로 또는 준(quasi)연속적으로 습증기 부분 및 기준 가스의 질량 흐름의 고려하에 측정된다. 이는 증기 동력 프로세스의 중대한 변수를 모니터링하고, 경우에 따라 상기 증기 동력 프로세스를 새롭게 조절할 수 있는 가능성을 제공한다. 바람직한 개선예에서는 혼합물 및 기준 가스의 질량 흐름이 측정된다. 고정 흐름에서 습증기 부분의 질량 흐름이 측정될 수 있다.

본 발명에 따른 방법의 개선예에서는 습증기의 엔탈피로부터 증기 터빈의 효력이 결정된다.

상기 방법을 실행하기 위한 본 발명에 따른 장치는 습증기를 공급하기 위한 제 1 공급관 및 기준 가스를 공급하기 위한 제 2 공급관을 가지며, 상기 두 공급관은 혼합 공간으로 뻗는다. 또한 혼합물의 엔탈피를 결정하기 위한 측정 장치가 혼합 장치를 갖는다. 바람직한 개선예에서는 두 공급관이 공통 노즐을 통해 혼합 공간으로 뻗는다. 여기서 습증기 및 기준 가스, 특히 고온 증기는 샘플로 결합될 수 있다. 또한 바람직하게 상기 노즐은 외부 배출구에 의해 둘러싸인 내부 배출구를 가지며, 내부 배출구의 공급관 및 외부 배출구의 공급관은 혼합 공간으로 뻗는다.

본 방법 및 장치의 추가 실시예는 도면에 의해 더 자세히 기술된다. 그러나, 본 발명은 상기 실시예에만 한정되어 있지 않다.

도 1은 수증기의 비엔탈피(s)에 대한 비엔탈피(h)를 도시한 다이어그램이다. 고온 증기 영역(선의 상부)과 습증기 영역 사이의 경계는 실선으로 표시된다. 다이어그램에는 고온 증기(HD)의 상태, 습증기(ND)의 상태, 그리고 결과되는 혼합물(M)이 표시되어 있으며, 이는 고온 증기와 습증기 부분의 혼합에 의해 생긴다. 혼합 과정은 점선에 의해 표시된 바와 같이 진행된다. 고온 증기를 위해, 2 kg/s의 질량 흐름을 갖는 q = 240℃의 온도에서 p = 12 바아의 압력을 지닌 고온 증기의 배출을 가능하게 하는 근원이 사용된다. 상기 변수는 거의 일정하게 유지된다. 상기 방법의 변형에서, 고온 증기 근원은 가변적이다. 즉, 혼합물(M)과 포화선과의 상태점 간격에 따라 조절된다. 위에 언급된 변수, 즉 p = 12 바아의 압력 및 q = 240℃의 온도에 대략 2908 kJ/kg 의 비엔탈피가 상응한다. 이는 포화 증기를 갖는 프로세스시, 중간 가열된 고온 증기의 상태이다.

도 2는 습증기 엔탈피 결정을 위한 방법을 실행하기 위한 장치(1)를 나타낸 것이다. 제 1 공급관(2)에 의해 습증기(ND)(습증기 샘플) 부분이 혼합 공간(4)에 공급되고, 제 2 공급관(3)에 의해 고온 증기(HD)(기준 가스 샘플)가 혼합 공간(4)에 공급된다. 따라서, 도시되지 않은 증기 터빈의 전체 습증기 흐름으로부터 습증기의 샘플링이 이루어진다. 제 1 공급관(2)이 복류 노즐(9)의 내부 배출구(10)에서 혼합 공간(4)으로 뻗는다. 제 2 공급관(3)은 내부 배출구(10)를 둘러싸는 외부 배출구(11)에서 혼합 공간(4)으로 뻗는다. 혼합 구간(w)을 거치는 동안, 습증기(ND) 부분의 액체 성분은 완전히 증발하고, 두 공급관(2, 3)을 통해 제공된 증기(ND, HD)의 상태 변수가 균등해진다. 혼합 구간(w)의 끝에 혼합물의 압력(p), 온도(q) 및 질량 흐름(m)이 측정되거나 결정된다. 이를 위해, 거기에는 압력 차이 측정기(5), 온도계(7), 그리고 절대 압력 측정기(8)가 있다. 상기 압력 차이 측정기(5)는 흐름의 두 위치 사이에서, 즉 스로틀 장치, 예컨대 블라인드(6)의 앞과 뒤에서는 압력 하강을 가지지 않는다. 베르누이의 방정식을 적용하여, 압력 차이로부터 혼합물(M)의 질량 흐름(mM)이 계산된다. 상기 혼합물(M)의 압력 및 온도로부터, 비엔탈피(hM)가 공지된 방식으로 계산된다. 이와 유사하게, 제 2 공급관(3)에서 고온 가스(HD)의 질량 흐름(mHD) 및 비엔탈피(hHD)가 결정된다. 측정기의 배치는 목적에 맞게, 다시 말해 현장에서 바로 사용될 가능성에 따라 이루어진다. 상기 측정기의 배치는 특히 기술적 지시 및 규범의 고려하에 바람직하게 이루어진다. 여기서, 도 2에 기술된 방법의 정확성을 위해, 1995년 9월 스로틀 장치를 갖는 유체의 유량 측정을 위한 규범 DIN EN ISO 5167-1이 준수된다.

제 1 공급관(2)에 있어서, 습증기(ND) 부분의 질량 흐름(mND)은 차이(mM - mHD)로부터 결정된다. 제 1 공급관(2)내에 있는 도시된 측정기는 특히 제어하는데 사용되고, 경우에 따라 생략될 수 있다. 질량 흐름 측정기의 용도는, 상기 측정기가 작은 직경의 파이프내의 습증기 흐름을 측정할 수 있을 때 바람직하게 나타날 것이다. 이에 따라, 전체 방법의 정확성이 더욱 증대될 수 있다. 도시되지 않은 평가 장치는 측정값을 검출하고, 거기로부터 언급된 중간 변수, 그리고 추가 목적 변수, 즉 방정식

에 따른 습증기(ND)의 비엔탈피(hND)를 계산한다.

비엔탈피(hND)의 허용되는 결정을 위해, 습증기(ND)의 부분 흐름의 배기 라인은 전체 흐름을 대표하는 물리적 특성을 지닌다. 이를 위해, 흐름의 물리적 특성을 균일화하는 장치의 용도 및 균일화하는 장치 바로 뒤에 배치된 배출 장소가 제공된다. 상기 배출 장소의 디자인은 위에서 이미 언급된 지시 VDI 2043를 참조한 것이다.

공급관(2, 3) 및 혼합 공간(4)은 외부로 열절연되기 때문에, 공급관(2, 3)내의 측정기(5, 6, 7, 8)와 혼합 공간(4) 사이의 적어도 하나의 영역에서 증기와 주위간에 매우 적은 열전달이 이루어진다.

증기(ND, HD)를 혼합 공간(4)으로 유도하는 복류 노즐(9)은 팽창을 야기시킴으로써, 혼합물(M)의 압력은 높은 압력을 갖는 증기(HD, ND)의 압력 보다 최소한 더 작다. 상기 복류 노즐(9)은 두 증기(HD, ND)의 적합한 혼합을 보장함으로써, 혼합 구간(w)은 단축될 수 있다. 이에 따라, 혼합 과정이 거의 단열 작용에 의해진행된다는 것도 보증된다. 도 2에서와 달리, 도면 기술에 근거하여 두 공급관(2, 3)내의 측정기(5, 6, 7, 8)는 복류 노즐(9)의 바로 앞에 놓여있다.

본 발명에 따라, 습증기, 특히 원자력 발전소의 증기 동력 프로세스에서 증기 터빈의 배출구에 있는 습증기의 엔탈피를 결정하는 것이 가능해진다. 고온 증기 근원을 사용함으로서, 증기 함량을 결정하는 어려움에서 벗어나게 되고, 공지된 측정 방법을 사용할 수 있다. 이러한 근거로, 본 발명에 따른 방법은 저렴한 비용으로 실행될 수 있다.

Claims (12)

1. 습증기(ND), 특히 증기 터빈의 배출구에 있는 습증기(ND)의 엔탈피(hND)를 결정하기 위한 측정 및 계산 방법에 있어서,

   상기 습증기(ND)의 부분 체적 흐름이 기준 가스(HD)와 혼합되어 혼합물(M)을 형성함으로써, 상기 부분 체적 흐름의 액체 성분이 완전히 증발하고, 측정된 물리적 변수에 의해 기준 가스(HD)의 엔탈피(hHD) 및 혼합물(M)의 엔탈피(hM)가 결정되어, 이로부터 상기 습증기(ND)의 엔탈피(hND)가 계산되는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 습증기(ND)의 부분 체적 흐름이 단열되도록 기준 가스(HD)와 혼합되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 2항에 있어서,

   기준 가스(HD)로서 고온 가스가 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

   기준 가스(HD)의 압력 및/또는 온도 및/또는 양이 혼합물(M)의 상태점의 상대 습도 및/또는 상태에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

   기준 가스(HD) 및/또는 혼합물(M)의 엔탈피(hHD, hM)가 각각 압력 및 온도의 측정에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,

   습증기(ND) 및 기준 가스(HD)가 혼합 구간(w)으로 유도되고, 상기 혼합 구간(w)의 끝에서 혼합물(M)의 엔탈피(hM)가 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,

   습증기(ND)의 엔탈피(hND)가 연속적으로 또는 준연속적으로 습증기(ND) 및 기준 가스(HD)의 질량 흐름률(mND, mHD)의 고려하에 계산되는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 7항에 있어서,

   혼합물(M) 및 기준 가스(HD)의 질량 흐름률(mM, mHD)이 측정되는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,

   습증기(ND)의 엔탈피(hND)로부터 증기 터빈의 효율이 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제 1항 내지 제 9항에 따른 방법을 실시하기 위한 장치에 있어서,

    혼합 공간(4)으로 뻗는, 습증기(ND)를 공급하기 위한 제 1 공급관(2) 및 기준 가스(HD)를 공급하기 위한 제 2 공급관(3)을 포함하며, 또한 상기 혼합 공간(4) 내의 혼합물(M)의 엔탈피(hM)를 결정하기 위한 측정 장치(5, 6, 7, 8)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
11. 제 10항에 있어서,

    두 공급관(2, 3)이 공통의 노즐(9)을 통해 혼합 공간(4)으로 뻗는 것을 특징으로 하는 장치.
12. 제 11항에 있어서,

    상기 노즐(9)이 외부 배출구(11)에 의해 둘러싸인 내부 배출구(10)를 가지며, 하나의 공급관(2)은 내부 배출구(10)에서, 그리고 다른 공급관(3)은 외부 배출 구(11)에서 혼합 공간(4)으로 뻗는 것을 특징으로 하는 장치.