KR900005477B1

KR900005477B1 - 전기 가열된 증기질 측정기 및 측정방법

Info

Publication number: KR900005477B1
Application number: KR1019880003809A
Authority: KR
Inventors: 케니드 헤이스 제임스
Original assignee: 컴버스쳔 엔지니어링 인코포레이티드; 리챠드 에이취.버나이크
Priority date: 1987-04-06
Filing date: 1988-04-06
Publication date: 1990-07-30
Also published as: EP0285918A3; KR880013008A; EP0285918A2

Abstract

내용 없음.

Description

전기 가열된 증기질 측정기 및 측정방법

제1a도 및 1b도는 증기라인에서 등속도 샘플링을 위해 배치된 증기칠 측정기의 부분 단면 입면도.

제2도는 제1도에 도시한 측정기의 가열기 유닛의 상부의 확대 단면도.

제3도는 제2도의 선 3-3선을 절취한 단면도.

제4도는 증기라인에서 등속도 샘플링을 위해 배치된 증기질 측정기의 다른 실시예의 부분 단면 입면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 측정기 12 : 샘플링부

14 : 가열기 유닛 16 : 배출부

20 : 증기라인 36,38 : 관

40 : 환형공간 44 : 가열부

66 : 글로브(globe) 밸브

본 발명은 증기질의 측정에 관한 것으로서, 특히 공정설비의 증기라인에서 증기질 측정방법 및 장치에 관한 것이다.

발전소에서 여러 지점에서 증기질을 측정하기 위해 정확하고 신뢰성 있는 "온-라인"(on-line) 감시 시스템을 가질 것을 크게 요구하고 있다. 몇개의 필요한 장소는 증기 발생기 출구, 고압 터빈 노즐 출구, 습기 분리기 재열기로 향한 공정 증기입구 및 이에 관련된 관다발, 및 응축기로 향한 저압 터빈 배기장치이다. 증기질에 관계되는 정확한 "온-라인" 정보는 설비부품의 성능을 평가하는데 대단히 유리하다.

현재 두 방식의 증기질 측정장치가 공업적으로 이용되고 있다. 이중에 몇년동안 이용되어 왔던 것은 드로틀 열량계이다. 상기 장치는 동력 사이클, 기구 및 장치에서 11편의 물 및 증기와 같이, ASME 성능 시험 규약집에 상세히 설명되어 있다. 드로틀 열량계는 열손실이 없고 초기와 최종 운동 에너지간의 차이를 무시하면, 증기가 고압에서 저압으로 오리피스를 통해 지나갈 때 초기 및 최종 엔탈피가 동일하다는 원리에 따라 작동한다. 이 기구에서 최대 오차가 +/-0.2%로 기록되어 있으나, 발전 및 공정공업에서 많은 공학자들은 이 기구가 인용한 값보다 크게 부정확하다는 것을 알고 있다.

다른 증기질 측정기가 엔지니어링 메쥬어먼츠캄파니(EMCO)에 의해 소개되었다. 이 기구는 "Q-바아"(Q-bar)로써 언급되고, "Q-메이트"(Q-Mate)로 불리는 판독장치와 함께 이용되고 있다. 이 장치에서 사용된 기술은 각 단부가 단단히 고정된 쌍동이 중공관에 의존하고 있다. 주 증기라인에서 채집된 증기는 상기 관을 통해 연속적으로 유동한다. 관은 회전 포크와 유사한 방식으로 강제로 공명되며, 그 성질 즉, 액체, 기체, 고체에 관계없이 관내의 모든 물질에 가속력을 발생시킨다. 결과적으로, 튜브내의 각 질량 입자는 질량 및 가속도의 곱에 비례하는 힘을 발휘한다. 관내의 총 질량이 증가할때, 진동 주파수는 입자 양적관계에 따라 감소한다. 진동 주파수를 측정함에 의하여 총 질량이 계산될 수 있고, 그때 그 질은 총 질량에 대해 관이 측정온도에서 완전 포화증기로 채워져 있을때의 질량의 비율로부터 계산될 수 있다.

현재 상기 장치는 최대 오차 1%로 0 내지 100% 범위에서 증기질을 측정할 수 있는 것으로 나타나 있다. 판매자는 제안된 새로운 변경에 따라 최대 오차가 약 +/-0.2%까지 개량될 것이라고 한다.

전기 가열된 증기질 측정기는 증기질을 측정하기 위해 상술한 두 방식과는 다른 새로운 기술을 제공한다. 이러한 기술에 따라 제어 열량이 습기를 증발시키고 그리고 규정된 과열상태로 증기를 가열시키기 위해 유동하는 습증기내로 입력된다. 질량 유량, 입력열 및 과열온도를 측정함으로써 증기질이 용이하게 계산되어서 판독기구 및 제어기에서 표시될 수 있다.

한 실시예에서, 등속도 샘플링 라인은 증기 라인에 배치되고, 측정기의 가열기 조립체 입구에 유동적으로 연결된다. 다른 실시예에서, 가열기 조립체의 입구단부는 증기질의 운동학적 샘플링을 위해 증기 라인의 축에서 종방향으로 설치된다.

바람직하게도, 가열기 유닛 또는 조립체는 외부 파이프와, 이 파이프내에 동심적으로 장착되어서 그 사이에서 유동환대를 형성하는 원통형 가열기관을 구비한다. 유동환대의 단면적과 내부관의 가열부의 길이는 유동체적을 규정하고, 이 체적내에 열에너지가 증기의 측정된 질량유량에 의해 흡수되어야 할 제어율로 저장된다. 입력열은 10℃(50°F) 내지 37.8℃(100°F)의 범위에서 파열을 달성하도록 제어될 것이다.

마이크로프로세서가 달린 계산 및 판독 유닛을 이용하여 수행할 때, 본 발명은 다수의 증기장소로부터 증기질의 신속하고 연속적인 온-라인 감시를 제공한다. 본 발명은 통상적으로 92 내지 100%의 범위에서 증기질을 측정하기 위해서 사용될 것이다. 부품들은 공업상 용이하게 얻을 수 있고, 이런 기술에서 숙련된 자는 본 발명을 조립, 프로그램, 시험 및 사용할 수 있다.

본 발명의 양호한 실시예의 상기 특징 및 다른 특징과 장점은 첨부된 도면을 참고하여 설명하기로 한다.

제1도는 두 부분, 제1a도 및 1b도로 구성되고, 본 발명의 제1실시예를 예증하기 위해 수직으로 함께 연결되는 것으로 이해하여야 한다. 증기질 측정기(10)는 가열기 유닛(14)의 입구에 연결되는 샘플링부(12)를 포함하고, 상기 가열기 유닛은 차례로 배출부(16)에 연결된다. 계산 및 표시 유닛(18)은 가열기 유닛(14)과 배출부(16)로부터 자료를 수집하도록 배치된다. 계산 유닛은 예를 들어 증기발생 설비의 제어실에서 가열기 유닛(14) 부근에 또는 유닛에 관하여 원거리에 배치될 수 있다. 본 발명에서 사용된 "표시"는 측정된 또는 계산된 자료의 지시 또는 기록의 어떤 형태를 포함하는 것으로 넓게 해석될 것이다.

샘플링부(23)의 상부는 증기라인(20)에 배치된다. 샘플링부는 다수의 구멍(24)을 갖는 샘플링관(22)을 포함하고, 상기 구멍을 통해 증기라인(20)내의 습증기가 등속도로서 샘플링부를 통과하여 가열기 유닛(14)내로 들어갈 수 있다. 샘플링관은 증기라인(20)의 외부에서 플랜지(26)에 의해 지탱된다. 메이팅 플랜지(28)는 플랜지(26)에 고정되고, 연결 파이프(30)를 지탱하는데, 이 파이프는 증기라인(20)으로부터 가열기 유닛(14)을 선택적으로 연결 또는 분리하는 볼 밸브(32)를 가진다. 감소기(34)는 연결 파이프(30)를 가열기 유닛(14)의 상단부에 유동적으로 연결시킨다.

가열기 유닛은 제1b도, 2도 및 3도를 참고하여 설명될 것이며, 이에 따라 그 작동사항이 명백하게 나타날 것이다. 증기는 샘플링부(12)를 통해 유인되어 가열기 유닛(14)으로 공급되는데, 이 유닛에서 증기는 양호하게 -1.1℃(30°F) 내지 37.8℃(100°F)까지 과열될 때까지 유동로를 따라 가열된다. 가열기 유닛의 출구에서 과열된 증기의 온도와 유닛을 통과하는 총 질량유량을 측정함에 의하여, 그리고 가열기 유닛의 입구에서 증기의 포화온도를 측정한 것에서, 계산 유닛(18)으로 계산하여 증기라인(20)의 증기량을 측정할 수 있다.

가열기는 여러가지 모양을 취할 수 있으나, 가장 편리한 형태는 사이에서 환형공간(40)을 규정하는 동심원관(36,38)을 포함한다. 도시한 실시예에서, 관(38)은 와트로우(watlow) 가열기와 같은 전기저항 가열기로서, 외경이 3.175cm(1.25인치)이고, 양호하게 3.81cm(1.5인치) ID 스케쥴 80파이프인 외부관(36)내에서 다수의 스페이서(42)에 의해 동심원상으로 지탱된다. 내부관은 소정길이 L을 가지는 가열부(44)와 비가열단부(46)를 가진다. 따라서 가열길이(L)만큼 증가된 지역(40)은 가열부(44)에 의해 가열되는 특정한 유동체적을 규정한다. 가열부(44)는 가열체적을 규정하는 또는 이와 접촉하는 표면을 통해 제어된 일정비율로서 열을 만들어낸다.

가열길이(L)는 가열기 유닛(14)의 입구로 들어가는 포화증기를 배출부(16)로 들어가는 과열 증기로 변환시키기 위하여, 유동체적의 증기내로 충분한 열을 전달할 정도로 충분히 길어야 한다. 100W/in²을 발생하는 상술한 와트로우 가열기에서, 필요한 가열길이는 입구 증기량이92%이면 약 2.08m(82인치)에서, 입구 증기량이 약 99%이면 약 0.61m(24인치)까지 이르는 범위에 있다. 이러한 형태는 유동체적 및 등속도 샘플링을 통해 초당 61m(200피이트)의 증기속도를 취한 것에 근거를 두고 있다. 외부관(36)이 5.08cm(2인치) ID 스케쥴 120파이프로 구성되어 있는 동일한 와트로우 가열부(44)에서, 필요한 가열길이는 92 내지 99%의 증기질 범위에 대해 약 4.50m(177인치) 내지 약 1.32m(52인치)의 범위에 있을 것이다.

가열기 유닛(14)의 하단부에서, 적절한 플러그(38)는 가열기 도선(50)을 내부관(38)에 연결시키고, 내부관(38)과 외부관(36)간에 압력밀봉을 제공한다.

따라서, 적절한 가열길이(L)의 선택에서는, 측정될 것으로 여겨지는 최하의 증기질과, 가열기에 의해 발생된 특정 동력과, 열이 전달되게 되는 질량유량(1lbs/hr)을 고려하여야 한다. 또한 유동 환대 및 증기속도도 유닛의 크기에 중요한 요인일 것이다.

계산 유닛(18)은 내부관(38)으로 공급된 동력 및 이에 따라 유동 증기로 전달된 열을 측정하는 고정밀 와트계기(도시되지 않음)를 포함한다. 다수의 열전쌍도 계산 유닛(18)에 작동상으로 연결된다. 양호하게도, 제1열전쌍(52)은 증기라인(20)을 위해 유인된 증기의 포화온도를 측정하기 위해서 가열기 유닛(14)의 입구(46)의 단부에 배치되지만, 이 온도는 예를 들어 직접 증기라인(20)에 부착된 다른 센서에 의하여 추정 또는 측정될 수 있다. 제2열전쌍(54)은 과열증기의 온도를 측정하기 위해서, 가열기 유닛(14)의 하류측에, 양호하게는 배출부(16)에 배치된다. 제3 및 제4열전쌍(56,58)이 가열기 유닛(14)의 길이를 따라 배치되어 유닛내의 온도분포를 감시하게 하는 것도 유리하다.

가열기 유닛(14)을 통과하는 질량유량은 기술에 공지된 바와 같이, 오리피스판(60)과 이 오리피스판의 양면에 있는 차압센서(62,64)에 의하여 양호하게 배출부에서 측정되어야 한다. 질량유량은 조정을 필요로 하거나 또는 다른 이유 때문에 글로브 밸브(66)에 의해 제어될 수 있고, 상기 유량은 가열기 유닛에서 양호하게도 초당 61cm(200피이트)의 요구비율에서 떨어진다. 글로브 밸브(60)를 통과하는 과열증기는 파이프(68)를 통하여 응축기, 대기 또는 다른 적절한 통 또는 저장소로 운반된다.

양호하게도, 가열기 유닛(14)은 가열부(44)에 의해 발생된 열이 거의 모두 다 유동체적 즉, 환형공간(40)내의 증기에 의해 확실하게 흡수되도록 하기 위해서 절연된다.

계산 및 표시 유닛(18)은 종래의 하드웨어 방식에 속할 수 있는데, 바람직하게도, 아래식에 따라 증기질 q를 계산하도록 프로그램된 마이크로프로세서를 포함하는 것이 양호하다.

여기서 Mt는 가열기를 통과하는 총 질량유량이고, hg는 측정된 압력/온도에서 포화증기의 엔탈피이고, hg'는 측정된 압력 및 측정된 과열온도에서 과열증기의 엔탈피이고, Qt는 가열부에서 발생된 에너지이고, hfg는 포화액체를 포화증기로 변환시키는데 필요한 열이다.

상기식은 아래식에서 (3) 및 (4)를 (2)에 대입하여 끌어낸다.

본원 설명에서 이익을 얻어서 기술에 숙련된 자는, 전술한 바와 같은 자료를 모아서 식을 계산하기 위하여 열전쌍, 차압전지, 와트로우 가열기, 및 프로그램된 마이크로프로세서를 배치할 수 있다.

계산 유닛(18)은 양호하게도, 예를 들어 증기질(70), 과열증기의 온도(72) 및 내부관으로 공급된 동력(74)을 나타내기 위해 여러개의 표시창을 가지는 디스플레이를 포함한다. 실시예에서 계산 유닛은 또 4 내지 20밀리 암페어 출력신호를 보내거나 또는 RS 323 자료 경로를 제공하기 위해 접촉영역 출력라인(76)을 포함한다. 다수의 계량기(10)와 이에 관련된 계산 유닛(18)은 중앙 제어실등에 자료를 공급할 수 있으며, 이 제어실에서 설비작동 상태 및 증기질이 측정될 수 있다.

제4도는 증기라인(82)에서 등속도 샘플링을 위한 다른 실시예를 도시한다. 증기질 측정기(84)는 증기라인내로 들어가고, 외부관(88) 및 내부관(90)이 통과하는 노즐(86)에 의해 라인에서 지탱된다. 양호하게도 노즐(86)은 증기라인(82)의 외부 엘보우부상에 설치되므로, 측정기(84)의 관(88,90)의 일직선 라인 연장부가 증기라인축의 일직선 라인부의 연장선상에 놓인다.

측정기(84)의 입구부분은 제2도 및 3도에 도시된 것과 같다. 동력학적으로 측정이 될 것이며 그리고 증기가 가열기 유닛으로 들어가기 전에 증기를 "정지"시킬 필요가 없기 때문에 샘플링부등이 없다. 다른 모든 관점에서, 측정기(84)는 제1도에 관하여 기술한 것과 실제로 동일하다. 플러그(92)는 외부관과 내부관 사이의 환형공간을 밀봉하고, 가열기 라인(94)은 플러그(92)를 통하여 내부관(90)의 가열기 요소와 연결된다. 배출부(96)는 과열증기 온도를 측정하기 위한 열전쌍(98)과, 오리피스관(100) 및 미분 변환기(102,104)를 포함한다. 과열증기의 유량은 유동밸브(106)를 통해 제어될 수 있고, 증기는 파이프(108)를 통해 측정기 조립체에서 배출된다.

두 실시예에서, 전술한 것 이외의 배치를 사용하여 환형공간(40)내의 증기를 가열시킬 수 있음을 알 것이다. 예를 들면, 적절하게 형성된 가열기 요소를 이용하면 열은 외부관(36 또는 88)을 통해 공급될 수 있다. 또한 두 관은 열원을 제공할 수도 있다. 내부 및 외부관(36,38), 가열부(44) 및 가열길이 L, 그리고 포화 및 과열증기에 관련되는 중요한 설계변수는 아래의 양적 실예에 따라 끌어낼 수 있다.

상기 관계는 설명한 장치의 세부 사항을 변경하는데 사용될 수 있다. 대체로, 본 발명에 의한 측정기는 약 0.61m(2피이트) 내지 4.6m(15피이트) 사이의 범위에서 가열길이를 가질 것이다. 유동체적의 단면적은 통상적으로 약 1.858cm²(0.002ft²)와 9.29cm²(0.010ft²) 사이의 범위에 있을 것이다. 주어진 상황에 대한 측정기의 정확한 형태는 측정될 증기질의 범위와 가열기 유닛에서 이용가능한 특정 동력에 의존한다.

Claims

증기질 측정기에 있어서, 공급원에서 습증기를 등속도적으로 추출하기 위한 샘플라인과, 상기 샘플라인에 유동적으로 연결되며, 소정의 증기 유동체적과 상기 유동체적에서 증기를 과열하는 수단을 포함하는 가열기 유닛과, 상기 유닛을 통해 증기의 총질량 유량을 측정하는 수단과, 상기 유닛의 입구에서 증기온도를 측정하는 수단과, 상기 유닛의 출구에서 과열증기의 온도를 측정하는 수단과, 증기포화, 증기 과열온도, 총질량 유량 및 가열기 유닛에 의해 발생된 동력의 함수로써 공급원에서 증기질을 계산 및 표시하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 증기질 측정기.
제1항에 있어서, 가열기 유닛은 동심원관을 구비하고, 유동체적은 적어도 하나의 관의 소정길이에 따라 관 사이의 유동면적에 의해 규정되는 것을 특징으로 하는 증기질 측정기.
제2항에 있어서, 상기 관은 원통형이고, 상기 면적은 관 사이의 환형공간인 것을 특징으로 하는 증기질 측정기.
제2항에 있어서, 하나의 관은 열을 소정길이에 따라 실제로 일정비율로서 유동체적내로 전달하는 가열기를 구비하는 것을 특징으로 하는 증기질 측정기.
제4항에 있어서, 가열기를 구성하는 관은 동심원관중 내부관인 것을 특징으로 하는 증기질 측정기.
제3항에 있어서, 유동면적은 약 1.858cm²(0.002ft²) 내지 9.29cm²(0.010ft²)의 범위에 있고, 소정길이는 약 0.61m(2피이트) 내지 4.6m(15피이트) 사이의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 증기질 측정기.
제1항에 있어서, 샘플라인과 가열기 유닛 사이에서 볼 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기질 측정기.
제1항에 있어서, 가열기 유닛을 통과하는 질량유량을 제어하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 증기질 측정기.
제8항에 있어서, 상기 질량유량 제어수단은 글로브 밸브인 것을 특징으로 하는 증기질 측정기.
제1항에 있어서, 상기 계산 및 표시수단은 습증기 및 과열증기의 온도와 질량유량의 특성을 나타내는 값을 표시하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 증기질 측정기.
증기질 측정기에 있어서, 증기의 유량을 수용하기 위해 한 단부가 개방된 입구부와 증기 유동체적을 가지는 가열부와, 출구부를 포함하는 가열기 조립체와, 입구부를 통해 흐르는 증기의 엔탈피를 측정하는 수단과증기가 출구부로 들어가기 전에 증기의 유동체적을 통해 흐르는 모든 증기를 과열시키기 위해서 가열부에 있는 동력 발생수단과, 배출구에서 증기의 엔탈피를 측정하는 수단과, 가열기 조립체를 통해 증기의 총질량 유량을 측정하는 수단과, 상기 동력 발생수단에 의해 발생된 동력을 측정하는 수단과, 측정된 증기엔탈피, 동력 및 질량유량으로 부터 증기질을 계산 및 표시하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 증기질 측정기.
제11항에 있어서, 가열기 조립체는 동심원관의 형태인 것을 특징으로 하는 증기질 측정기.
제12항에 있어서, 증기라인의 외부에 가열기 조립체를 장착하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 증기질 측정기.
제13항에 있어서, 상기 장착수단은 상기 입구부내로 증기를 등속적으로 유입시키기 위하여 증기라인 내부에 위치하는 샘플라인을 포함하고, 상기 입구부는 증기라인의 외부에 위치하는 것을 특징으로 하는 증기질 측정기.
제13항에 있어서, 상기 장착수단은 증기라인의 외부 멜보우에 위치하여 가열기 조립체내로 증기를 동력학적으로 유입시키기 위하여 증기라인내에서 적어도 상기 입구부를 지탱하는 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 증기질 측정기.
제15항에 있어서, 입구부는 증기라인의 축과 종방향으로 위치하는 것을 특징으로 하는 증기질 측정기.
증기질 측정방법에 있어서, 입구부와, 유동체적을 가지는 가열부와, 출구부를 포함하는 가열기 조립체를 설치하고, 상기 가열기 조립체를 통해 증기의 유량을 설정하고, 증기가 입구부를 통해 흐를때 증기의 포화 온도를 측정하고, 모든 증기를 과열시키기 위해 가열부 유동체적에서 충분한 에너지를 발생하고, 출구부에서 과열증기의 온도를 측정하고, 가열기 조립체에서 압력을 측정하고, 유동체적에 관한 입력 에너지와, 증기의 총질량 유량과, 입구부 및 출구부에서의 증기 온도의 함수로써 증기질을 계산하는 것을 특징으로 하는 증기질 측정방법.
제17항에 있어서, 상기 계산단계는

여기서, Mt는 가열기 조립체를 통과하는 총질량 유량이고, hg는 측정된 압력/온도에서 포화증기의 엔탈피이고, hg'는 측정된 압력 및 측정된 과열온도에서 과열증기의 엔탈피이고, Qt는 가열부에서 발생된 에너지이고, h_fg는 포화액체를 포화증기로 변환하는데 필요한 열인 경우에 상기 식에서 증기질 q를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기질 측정방법.
제18항에 있어서, 상기 에너지 발생단계는 가열부에서 저항요소를 통해 제어된 전류를 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기질 측정방법.