VÁROSI VÍZGŐZHÁLÓZAT MODELLEZÉSE ÉS 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 fogyasztóhelyeken a szűkítőelemes áramlásmérőhelyhez 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 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 anyag- és állapotjellemzőinek, valamint áramlási paramétereinek (nedvességtartalom, sűrűség, hőátadási tényező, nyírófeszültség, kondenzfilm-vastagság, fázisok térkitöltése, haladási sebessége stb.) becslésére szolgáló számítási módszerek kidolgozása;

A vízgőzhálózat üzemviteli ellenőrzésére, a kétfázisú áramlás minősítésére, az áramlási formák jellemzésére alkalmas monitorozási stratégia (mérő-, adatátviteli, adatgyűjtő- és adatfeldolgozó rendszerek) 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.

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

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 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.

A vízgőzhálózat elemekre bontása

1. tézis. A fázisváltozás mikrofolyamatait jellemző összefüggések felállítása

A telített gőz függőleges falon történő lamináris filmkondenzációját értelmező Nusselt-féle modellt – a függőleges falat egy vízszintes csőszakasz belső félpalástjával helyettesítve, a folyadékfilm és a kis sebességgel (mérésekkel alátámasztott, 5…10 m/s alatti) áramló gőz közötti nyírófeszültséget elhanyagolva – terjesztettem ki zárt, vízszintes helyzetű csővezetékben történő kondenzálódásra.

– A csőszakasz belső palástfelületét elemi szélességű, a függőleges síkkal 0° és 90° között változó szöget bezáró, téglalap palástelemekkel közelítettem, a palástelemeken kondenzálódó folyadékfilm elemeire az erőegyensúlyt a súlyerő falirányú összetevője és a részecskék közötti falirányú súrlódási erő eredőjeként megadva a differenciálegyenlet megoldásakor palástelemenként az ívérintő irányú folyadéksebességre nyertem összefüggést.

– A kondenzfilm-vastagság sugárirányú változásával a falon lecsurgó folyadék sebessége, sűrűsége és az általa kitöltött keresztmetszet szorzataként az integrálásokat palástelemenként elvégezve, a keletkező tömegáramok összegezésével a hengeres, egységnyi hosszúságú vízszintes csőszakasz felső alkotójától kezdődően a paláston lefolyt, a filmvastagság köbével arányos kondenz-tömegáramot határoztam meg.

– A kondenzálódás során időegység alatt felszabadult hőmennyiséget a kondenzátum és a csőfal közötti hőmérsékletkülönbség hatására, a filmrétegen át a hőelvonó csőfalig vezetéssel haladó hőárammal egyezőnek tekintettem, s az így nyert differenciálegyenlet integrálása a kondenzfilm–vastagság, a hőátadási tényező, a kondenz geometriai elrendeződésének jellemzésére szolgáló összefüggéseket eredményezett, melyeket a működő hálózat áramlástani, hőátviteli modellezésénél, minősítésénél alkalmaztam.

Kapcsolódó publikációk: [P18, P8, P9, P10, P1, P11, P12, P3, P13, P4, P2]

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 differenciálhánya-dosa, a viszkozitás hőmérsékletfüggése zérus) a differenciálegyenlet megoldásaként egy – a függőleges síkkal szöget bezáró – palástelemre:

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

Az ívhosszon lecsurgó közegmennyiség az i-edik ferde helyzetű 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)(

/2

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 felügyeleti rendszer monitorozási stratégiájának kidolgozása a kétfázisú áramlás minősítésére, a kondenzáramok mérésére szolgáló technikák (mérő-,

adatátviteli, adatgyűjtő- és adatfeldolgozó rendszerek) létrehozásával

Megállapítottam, hogy a vízgőz ellenőrzésére jelenleg működtetett mérőeszközök nem alkalmasak a vízgőz nedvességtartalmának, a fogyasztói hálózatvégeken esetlegesen kialakuló kétfázisú áramlás során az eltérő sebességgel haladó fázisok sebességének és térkitöltésének meghatározására, ennek megoldását az általam kidolgozott, intelligens monitorozást biztosító felügyeleti rendszer teszi lehetővé.

– A hagyományos ipari mérőberendezések mellett nélkülözhetetlen az egyedi tervezéssel és kivitelezéssel megvalósított, a folyamatos ellenőrzést biztosító, speciális mérő-érzékelők (a kétfázisú áramlás sebességeloszlásának, a fázisok térkitöltésének követésére, illetve a környezetbe távozó kondenzáramok mérésére alkalmas áramlásmérők) beépítése, a technológián folyamatosan mért jellemzők mobil adatátvitellel a felügyeleti rendszer központi gépeihez való továbbítása.

– A kidolgozott monitorozási stratégia lehetővé teszi a vízgőzhálózat üzemvitelét minősítő korrekt tömeg- és energiamérleg megadását, biztosítja a mérés- és műszertechnikai, metrológiai háttérbázist a helyi ellenőrzést, a központi felügyeletet és adatgyűjtési feladatokat megvalósító infokommunikációs rendszer megfelelő működéséhez.

Kapcsolódó publikációk: [P5, P6, P7, P19, P20, P4, P14, P33]

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

A monitorozási stratégia elvi vázlata

A felügyeleti rendszer elemei:

az áramlás jellegéről információt nyújtó – a csőszelvény szabványos pontjaiban a dinamikus nyomás mérésén alapuló, egymástól független nyomáselvételi helyekkel és kivezetésekkel rendelkező speciális áramlásmérő beépítése minden nagyfogyasztónál (a mérőszakaszokon egy-egy nyomáskülönbség távadóhoz csatlakoztatva);

a kondenzleválasztók működésének akusztikus ellenőrzése (a kiáramló vízgőz és kondenzátum által keltett zaj alapján meghatározható a nyitás periódusideje és a nyitás időtartama; az adatokat a GSM hálózatban továbbítva biztosított a folyamatos kondenzáram-mérés).

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

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 speciális áramlásmérő egyes mérőcsatornáihoz kapcsolódó nagyérzékenységű 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.

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

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

A vízszintes csővezetékben kialakult kétfázisú áramlás rétegzett és gyűrűs áramlási formája esetén a szűkítőelemes és a helyi dinamikus nyomásmérésen alapuló speciális áramlásmérők egyidejű alkalmazásával meghatároztam az eltérő sebességgel előrehaladó fázisok sebességviszonyait, a fázisok által a csőszelvényben elfoglalt keresztmetszeteket, a térfogattörteket és a tömegáramtörteket.

– A számítási módszer – a forrásoldalról kiindulva, s a fogyasztók felé haladva – valamennyi, a gerincvezetékről a nagyfogyasztókig leágazó vezetékszakaszra a mérési eredmények „homogén modell”, valamint „szlip modell” alapján történő feldolgozását követi, s e vezetékszakaszok belépő tömegárama állandósult állapotban a csomóponti egyenletek alapján számított érték.

– Az átfolyási egyenlet alapján a tömegáramot a mért nyomáson és hőmérsékleten a telített száraz vízgőz sűrűségével számító hagyományos szűkítőelemes áramlásmérők mért értékei - a kétfázisú áramlás esetleges kialakulásával - a nedves vízgőz száraz vízgőznél nagyobb sűrűsége miatt korrigálandók, ezért az áramlásmérők korrekciós szorzóját – a szűkítőelemeknek állandó átfolyási számot feltételezve a Reynolds számok állandósági határgörbét meghaladó értékeire való hivatkozással - az átlagos és a vízgőzsűrűség négyzetgyöke hányadosaként határoztam meg. Így kiszámíthatók a vízgőz nedvességtartalmát minősítő térfogatáramtörtek, a homogénnek tekintett közeg átlagos

sűrűsége, átlagos sebessége, az össztérfogatáram-, a fázis térfogatáram- és a fázis tömegáram-értékek.

– A szűkítőelemes áramlásmérés alapján, s „homogén modell” feltételezésével meghatározott fázis (vízgőz) tömegáramnál nem lehet nagyobb a száraz vízgőz helyi dinamikus nyomásai alapján számított átlagos vízgőzsebesség, a vízgőz által elfoglalt csőszelvény-keresztmetszet és a vízgőz sűrűség szorzataként nyert tömegáram. Az így nyert vízgőz átlagsebesség és a szűkítőelemes módszerrel meghatározott vízgőz térfogatáram ismeretében számszerűsíthetők a fázisok által a csőszelvényben elfoglalt keresztmetszetek, a térfogattörtek és a tömegáramtörtek.

Kapcsolódó publikációk: [P19, P20, P4, P14, P15, P16, P17]

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 dinamikus nyomásmérésen alapuló 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 speciális mérőeszközzel elvégzett áramlásmérések igazolták, hogy a csőszelvényben többnyire elkülönülten, jelentős sebességkülönbséggel 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

Szabványos mérőhelyek a helyi sebesség meghatározására

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].

A (7) összefüggésnek megfelelően ellenőrízhető az uk átlagos sebesség az alábbiak szerint:

kiM MM ki

gM

ggFcgmg MAAm

uM

2

1

6

mgM

gM

cf

f

cg

gk A

M

A

Mu

fgf

f

c

f

g

g

c

g

c

f

c

gk uu

A

A

A

V

A

A

A

V

A

V

A

Vu )1(

....

(14)

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 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. .

A számított adatokból elkészített sebességeloszlást az ábrán tüntettem fel (homogén modell feltételezésével).

xx

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 körszelet szelvény területének meghatározásához a folyadék által elfog-lalt csőszelvény-felületből ki kell vonnunk az filmgyűrűszelvény-felü-letet, e terület ismeretében az előbbi képletből az ω szög iterációval kiszámítható. E szöget meghatározva a vízszintes csővezetékben kialakult folyadékszint értékére lehet következtetni.

Az folyadékszint ugyancsak körszelvény magasságaként határozható meg:

(21)

ahol - a körszelet középponti szöge.

sinrAsz 1802

1 2

r

22(1 1 sin 2)

2

Dy

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.

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)

Sebességadatok és geometriai jellemzők rétegzett áramlás szemléltetésére

KONKLÚZIÓ

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.

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.

IRODALOMJEGYZÉK

Referált folyóirat

[P1] L. Szakonyi - I. A. Jancskar - Z. Sari: Energetic Model for an Elementary Unit of a Steam Network, Pollack Periodica, An International Journal for Engineering and Information Sciences. Akadémiai Kiadó, Budapest, Vol. 1, No. 3, pp. 91-102, 2006, HU ISSN 1788 – 1994

[P2] L. Szakonyi: Energetic model of an elementary pipe-segment of a steam-water network, Pollack Periodica, An International Journal for Engineering and Information Sciences, Akadémiai Kiadó, Budapest, Vol. 2, No. 1,

pp. 63-78, 2007, HU ISSN 1788. 1994.[P3] A. Jancskar - Z. Sari - L. Szakonyi - A. Ivanyi: Diffuse Interface Modeling of Liquid-Vapor Phase Transition with

Hysteresis, Physica B, Vol. 403, pp. 505-508, 2008, ISSN 0921-4526, SCI: 0.872 [P4] L. Szakonyi: Investigation and Control of a Regional Steam-Distribution Network under Two-Phase Flow Conditions,

Studies in Informatics and Control, National Institute for Research & Development in Informatics, Vol.18, No. 2, June 2009, pp.119-126, ISSN 1220-1766

Konferencia előadás és –kiadvány

[P5] Szakonyi L.: Városi vízgőzhálózat identifikálása, számítógépes felügyeleti rendszerének kidolgozása, IV. Alkalmazott Informatika Konferencia, X. Folyamatinformatika Szekció (Irányítás, tervezés), Kaposvár, 2005. máj. 27, ISSN 1418-1789

[P6] Szakonyi L.: Infokommunikációs technológia kidolgozása és regionális hasznosítása az energiaelosztás területén, Informatika a felsőoktatásban Konferencia, Műszaki Informatika Szekció, Debrecen, 2005. aug. 24-26. Konferenciakiadvány, pp. 139, ISBN 963 472 9009 6

[P7] Szakonyi L.: Városi vízgőzhálózat modellezése és számítógépes felügyeleti rendszerének kidolgozása, Acta Agraria Kaposváriensis, Kaposvári Egyetem, Vol. 10, No. 1, 2006, pp. 157-162.

[P8] L. Szakonyi - I. A. Jancskar - Z. Sari: Numerical Study of Condensation in Wet Steam Flow under Dynamic Loading, Proceedings of the Fifth International Conference on Engineering Computational Technology, Las Palmas de Gran Canaria, Spain, 12-15 September 2006, B.H.V. Topping, G. Montero, R. Montenegro (Ed.), Civil-Comp Press, 2006, Stirlingshire, Scottland, paper 180. pp. 1-13, (CD-ROM), ISBN 1-905088-01-9

[P9] L. Szakonyi - Z. Sari: Identification and Modeling of Condensation Phenomena in a Regional Steam Network, 5th International Symposium on Turbulence, Heat Transfer Dubrovnik, Croatia, 25-29 September 2006, pp. 643-646, (CD-ROM)

[P10] L. Szakonyi - I. A. Jancskar - Z. Sari: Identification and Modeling of a Steam Network under Wet Steam Flow Conditions, Abstracts of the Second International PhD Symposium in Engineering, Pécs, Hungary, 26-27 October, 2006, M. Ivanyi (Ed.), pp. 29, ISBN 978-963-642-118-2

[P11] I. A. Jancskar – Z. Sari - L. Szakonyi – A. Ivanyi: Diffuse Interface Modeling of Liquid-Vapor Phase Transition with Hysteresis, Abstract Book of 6th International Symposium on Hysteresis Modeling and Micromagnetics, 4-6 June, 2007, Naples, Italy, pp. 136

[P12] Z. Sari - I. A. Jancskar - L. Szakonyi – A. Ivanyi: Application of Hysteresis in FEM Modelling of Dynamic Phase Transition in Two-Phase Flow, Abstracts of the third International PhD Symposium in Engineering, Pécs, Hungary, 25-26 October, 2007, M. Ivanyi (Ed.), pp. 42

[P13] Z. Sari - I. A. Jancskar - L. Szakonyi – A. Ivanyi: Phenomenological Transient FEM Modelling of a Two-Phase Flow with Dynamic Phase Change, Proceedings of the Eleventh International Conference on Civil, Structural and Environmental Engineering Computing, St. Julians, Malta, 18-21 September, 2007, pp. 217, ISBN 978-1-905088-15-7, Abstract Book

[P14] Szakonyi L.: Új infokommunikációs technológia kidolgozásának, regionális hasznosításának képzéskorszerűsítésre gyakorolt hatása a mérnök informatikus szakon, Informatika a felsőoktatásban Konferencia, Debrecen, 2008. aug. 27-29, pp. 1-10

[P15] L. Szakonyi - I. Jancskar - Z. Sari: Developing of an Info-communication Technology for the Operating and Controlling of a Saturated Steam Network, ICEE 2008 International Conference on Engineering Education, Pécs-Budapest, Hungary, 27-31 Julius 2008, pp. 222

[P16] L. Szakonyi - I. Jancskar - Z. Sari: Measurement Based Flow Regime and Velocity Profile Calculation of High Pressure Steam Network in Saturated State, CST2008: The Sixth International Conference on Engineering Computational Technology, Athens, Greece, 2-5 September 2008, p. 16

[P17] L. Szakonyi – P. Iványi – Z. Sári: Developing a Measurement and Calculation Method for the Characterization of the Flow Regimes in Two-Phase Flow, Fourth International PhD, DLA Symposium, Hungary, University of Pécs, Pollack Mihály Faculty of Engineering, 20-21 October 2008, M. Iványi (Ed.), pp. 55

Zárójelentések, jegyzetek

[P18] Nemzeti Fejlesztési Terv GVOP-3.1.1.-2004-05-0125/3.0 projekt, I. Részletes szakmai beszámoló, 2006. jan., (projektvezető: Szakonyi L.)

[P19] Nemzeti Fejlesztési Terv GVOP-3.1.1.-2004-05-0125/3.0 projekt, II. Részletes szakmai beszámoló, 2007. jan., (projektvezető: Szakonyi L.)

[P20] Nemzeti Fejlesztési Terv GVOP-3.1.1.-2004-05-0125/3.0 projekt, III. Részletes szakmai beszámoló, 2008. jan., (projektvezető: Szakonyi L.)

[P21] Szakonyi L.: Jelek és rendszerek, Multimédiás főiskolai jegyzet (Phare program támogatásával), Pécs, 1998.[P22] Szakonyi L.: Jelek és rendszerek I., PTE PMMK jegyzet, Pécs, 2002.[P23] Szakonyi L.: Cementgyári nyerslisztgyártás rendszertechnikai vizsgálata, Doktori értekezés, Veszprémi

Vegyipari Egyetem, 1983.[P24] Szakonyi L.: Jelek és rendszerek II., PTE PMMK jegyzet, Pécs, 2002.[P25] Szakonyi L.: Műszaki rendszerek és hálózatok, Multimédiás főiskolai jegyzet (Phare program támogatásával), 

Pécs, 1998.[P26] Szakonyi L.: Műszaki rendszerek és hálózatok, PTE PMMK jegyzet, Pécs, 2002.[P27] Szakonyi L. - Jancskárné A. I.: Szabályozások, Multimédiás főiskolai jegyzet (Phare program támogatásával),

Pécs,  1998.[P28] Szakonyi L.- Jancskárné A. I.: Szabályozások, PTE PMMK jegyzet, Pécs, 2002. [P29] Szakonyi L. - Jancskárné A. I.: Folyamatirányítás, Multimédiás főiskolai jegyzet (Phare program támogatásával),

Pécs,  1998. [P30] Szakonyi L. - Jancskárné A. I.: Számítógépes folyamatirányítás, PTE PMMK jegyzet, Pécs, 2002.[P31] Szakonyi L: Irányítástechnika I. Multimédiás főiskolai jegyzet (Phare program támogatásával), 1998.[P32] Szakonyi L: Irányítástechnika I., PTE PMMK jegyzet, Pécs, 1998.[P33] Z. Sari - I. A. Jancskar - L. Szakonyi – A. Ivanyi: Phenomenological transient FEM modelling of a two-phase flow

with dynamic phase change, Proceedings of the Eleventh International Conference on Civil, Structural and Environmental Engineering Computing, St. Julians, Malta, 18-21 September, 2007, paper 217, pp. 1-10, ISBN 978-1-905088-15-7, Full paper CD

Köszönetnyilvánítás

a téma fogadásáért a Folyamatmérnöki Tanszéknek, különösen Szeifert Ferencnek értékes tanácsaiért, szakmai támogatásáért;

a Műszaki Informatika Tanszék kollektívájának, különösen

Jancskárné Anweiler Ildikónak, Sári Zoltánnak,Iványi Péternek, Sipeky Attilának,Schiffer Ádámnak, Radó Jánosnak,Pandur Bélának, Maczák Andrásnak a szakmai együttműködésért;

Iványi Miklósnénak a tudományos és publikációs munkák önzetlen támogatásáért;

Ferenczy Gábornak, Orovicza Györgynének, Ács Anettnek, Lehoczky Rózsának a prezentációs és szerkesztési munkákért;

Kürtös Juliannának, Előd Gabriellának, Szabó Csabának a laboratóriumi és terepi mérések elvégzésért.

A városi vízgőzhálózat műszerezési vázlata

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 megvalósított kísérleti infokommunikációs rendszer

Állapotjellemzők a gerincvezetékről a kondenzleválasztókig vezető leágazásoknál

Tömegmérleg a Nyugati részhálózatra

A szűkítőelemes és a dinamikus nyomás mérésén alapuló áramlásmérők

összevetése (sebességmérés „homogén modell” feltételezésével)

sm

kgmx

B2

BB

x

x

1

Diagram vízszintes csőben előforduló áramlási formák meghatározására (Baker-diagram)

Dinamikus nyomás mérésen alapuló áramlásmérés helyi sebességei, átlagértékei

Állapotjellemzők a Baker-digrammban való ábrázoláshoz az áramlási forma becsléséhez