Просмотр исходного текста страницы Размещение датчиков температуры и давления при тепловых испытаниях

6.4 Измерительная аппаратура и методы измерений
6.4.1 Общие требования
Этот раздел описывает измерительную аппаратуру, методы и меры предосторожности, которые должны быть использованы при испытаниях ГТУ, их узлов и систем в соответствии с настоящим стандартом. В тех случаях, когда в данном разделе отсутствует спецификация, касающаяся каких-либо применяемых средств измерительной аппаратуры и методов измерения, они должны стать предметом соглашения сторон, принимающих участие в испытаниях.
Применение современных электронной аппаратуры и устройств совместно с регистрацией контролируемых компьютером данных и системой их обработки является предпочтительным для получения данных и результатов испытаний с наивысшей степенью точности. Допускается ручная запись с аналоговых приборов в случаях, когда используют неэлектрические средства измерения.
Кроме измерительной аппаратуры и методов измерения, описанных в настоящем стандарте, могут быть приняты новые технологии и методы измерения для испытаний по определению характеристик при условии, что они соответствуют требованиям по максимальным неопределенностям, заданным в настоящем стандарте.
Стороны, принимающие участие в испытаниях, должны оборудовать место испытаний и разработать расчет заданной неопределенности для получения результатов испытаний с наименьшей практической неопределенностью.
Окончательная неопределенность результатов испытаний должна быть уникальной для каждого испытания из-за различий в поставке, используемого топлива, коэффициентов чувствительности установки, измерительной аппаратуре и характеристиках приводимого оборудования.
Для обеспечения надежных и точных результатов испытания в настоящем стандарте установлены пределы для неопределенности требуемых измерений, а также для допустимых изменений рабочих параметров в течение испытания. Суммарная неопределенность окончательного результата испытаний должна быть рассчитана в соответствии с методиками настоящего стандарта и использована исключительно для оценки качества проведения испытания. Должны быть разработаны расчеты неопределенности, предшествующей испытаниям, и после испытаний.
Неопределенностью после испытаний можно пренебречь после соглашения сторон, принимающих участие в испытаниях.
Для сравнительных испытаний, в отличие от абсолютного уровня параметров испытания, определение неопределенности отличается, так как ожидаемый результат - это разница в значениях мощности или КПД - иная величина, нежели абсолютный уровень параметров. Действенность испытания основывается на выборе подходящей измерительной аппаратуры и определении неопределенностей таким образом, чтобы неопределенность представляла относительно низкий процент от ожидаемой разницы в значениях.
6.4.1.1 Неопределенность измерения
В общем случае, ни одно измерение или испытание не являются совершенными, и нечеткости являются в конечном итоге причиной погрешности измерений. Следовательно, результат измерения является только приближением к значению измеряемой величины, то есть специфическим качеством в процессе измерения. Применительно к испытаниям ГТУ общий термин «измеряемая величина» может охватывать много различных количественных показателей, например тепловую мощность ГТУ, КПД установки, электрическую или механическую мощность, массовый расход воды или пара, температуру или давление жидких сред. Подробная последовательность отслеживания неопределенности измерения приведена в приложении А. Применение анализа неопределенности к испытаниям имеет следующие цели:
- демонстрация соответствия методики испытаний неопределенности, заданной в настоящем стандарте;
- снижение риска принятия ошибочного решения при оценке результатов;
- определение вклада каждого измерения в суммарную неопределенность;
- обеспечение механизма повышения качества испытания.
Анализ неопределенностей должен быть выполнен так, чтобы испытания могли быть спланированы с обеспечением соответствия максимальным допустимым неопределенностям, приведенным в таблице 3. Расчет максимальной неопределенности выполняют, используя заданное предельное значение для каждого измерения, совместно с соответствующими коэффициентами чувствительности для ГТУ, подвергаемой испытаниям. Этот расчет даст суммарную предельную неопределенность испытания. Некоторая случайная часть оценок неопределенностей может быть основана на имеющемся опыте.
Рекомендуется выбрать количество и тип измерительных приборов для каждого параметра, и этот выбор должен приводить к неопределенности, равной или меньшей суммарной неопределенности испытания.
Должен быть выполнен анализ неопределенности после испытания, чтобы показать действительное качество испытания. Если результирующее значение после испытания превосходит допустимую суммарную неопределенность испытания, то необходимо принять решение о приемке или отбраковке испытания.
До проведения приемочных испытаний рекомендуется согласовать использование числовых данных по суммарной неопределенности к результатам завершающих эксплуатационных испытаний. Когда рассчитывается неопределенность измерения относительных уровней характеристик, то важно, чтобы для всех показаний приборов случайная и систематическая погрешности, связанные с записями, были известны.
6.4.1.2 Максимальные допустимые неопределенности
Для достижения наивысшей возможной точности результатов испытания обязательным требованием является назначение максимальных допустимых неопределенностей измерительных приборов, устройств или параметров.
В течение подготовки испытания по определению характеристик должны быть оценены методы измерения и откалиброваны приборы и аппаратура для подтверждения их соответствия неопределенностям, приведенным в таблице 3 для установок, производящих электроэнергию.
6.4.1.3 Калибровка
Калибровка, как совокупность операций, устанавливающих при заданных условиях соотношение между значением величины, полученной с помощью данного средства измерений, и соответствующим значением величины, определенным с помощью эталона с целью определения действительных метрологических характеристик этого средства измерения [1], обеспечивает входное количественное значение для коррекции или компенсации известной погрешности, возникающей от систематического эффекта, а также количественное значение остаточной неопределенности (стандартной неопределенности по типу В, [2]), которое требуется для определения суммарной стандартной неопределенности окончательного результата испытания.
Приборы и устройства, необходимые для определения характеристик в соответствии с методикой испытаний, должны быть откалиброваны по исходным эталонам для обеспечения, где это выполнимо, ликвидации систематического эффекта в выбранных измерителях и проверки факта, что их неопределенности находятся в соответствии с максимальными неопределенностями, приведенными в таблице 3.
Калибровка должна включать в себя значимые точки, охватывающие рабочий диапазон, ожидаемый на испытаниях по определению характеристик, а также учет эффекта гистерезиса. Если для испытаний по определению характеристик используют приборы и устройства установки, смонтированные на месте, то требуемая калибровка может быть завершена с помощью рабочих эталонов. Аналогично калибровочные проверки на месте временного испытательного оборудования могут быть проведены, используя рабочие эталоны.
Корректировка измерительного прибора или системы в отношении систематической погрешности, выявленной при калибровке, может быть выполнена или компенсацией систематического эффекта алгебраически добавляемой поправкой, или числовым поправочным коэффициентом, применяемым к результату измерения. В тех случаях, когда при испытаниях по определению характеристик используют электронные системы сбора данных, корректировка систематического вида отклонения с помощью поправки может быть заменена использованием кривых полиномиальной регрессии, получаемых методом наименьших квадратов, основываясь на калибровочных данных исходного эталона и соответствующего электронного сигнала измерительного прибора.
Необходимость повторной калибровки датчиков определяют для конкретных условий использования по рекомендациям изготовителя датчика.
6.4.2 Измерение давления
Для обеспечения наивысшей степени точности измерения должны быть использованы предварительно откалиброванные преобразователи давления, принцип действия которых основан на сенсорной технике, такой как пьезо, емкостная и т.д., с температурной компенсацией. Также можно использовать манометры упругого типа, такие как манометры типа U-образной или прямой трубки, манометры с весовой нагрузкой Бурдона и другие.
Методология, число и тип приборов, используемых для измерения давления, должны быть тщательно оценены, принимая в расчет значение и диапазон изменения параметра, требование к точности, а также колебание заданного расхода и конструкцию оборудования.
Измерители давления должны быть установлены таким образом, чтобы никакие дополнительные погрешности, создаваемые окружающими условиями, такими как излучение, вибрация и т.д., или утечками из трубопровода и соединительных фитингов, не увеличивали неопределенность показаний.
6.4.2.1 Барометрическое давление
Абсолютное атмосферное давление следует измерять датчиками барометрического давления, откалиброванными с максимальной неопределенностью 0,05 %. Прибор должен располагаться снаружи любого закрытого помещения в установившейся и защищенной среде на уровне, равном высоте расположения оси симметрии вала ГТУ.
Данные барометрического давления от местной метеостанции использовать запрещено.
6.4.2.2 Давление на входе в компрессор
Давление на входе в компрессор определяют как давление торможения, достигнутое на входе в компрессор. Оно является абсолютным давлением, базирующимся на алгебраической сумме барометрического давления, манометрического статистического давления и динамического давления, когда эти значения измеряют и оценивают отдельно.
Динамическое давление обычно рассчитывают, используя среднюю скорость и плотность воздуха в сечении, где измеряют статистическое давление. Эту среднюю скорость рассчитывают, используя площадь поперечного сечения в этом сечении и номинальный расход.
Если воздухозаборное устройство, шумоглушитель или фильтр отсутствуют, то давление на входе следует рассматривать как барометрическое давление.
В тех случаях, когда средняя скорость у соединительного фланца компрессора или вблизи лемнискатного компрессорного входа ниже 20 м/с, статистическое давление может быть измерено только в одной точке. В случае, когда скорость свыше 20 м/с, статистическое давление берут как среднеарифметическое значение показаний трех точек измерения, расположенных симметрично, насколько это возможно в сечении, перпендикулярном к осредненному течению.
Для объектов замкнутого цикла методика измерения давления на входе в компрессор должна быть такой же, как методика измерения, разработанная для давления на выходе из компрессора.
6.4.2.3 Давление на выходе из турбины
Давление на выходе из турбины определяют как статическое давление, достигнутое на фланце турбины (после выхлопного патрубка) для соединения с выхлопом (или выходном фланце регенератора, если используют регенеративный цикл) тем же самым способом, как и для давления на входе в компрессор. Статистическое давление берут как среднеарифметическое значение показаний трех точек измерения, расположенных в поперечном сечении симметрично, насколько это возможно.
Если газоход отсутствует, то статическое давление на выходе берут как барометрическое давление.
В тех случаях, когда в выбранном сечении существуют условия высокого градиента скорости и давления, методы измерения следует согласовать для обеспечения представительности оценок средневзвешенного давления. В противном случае может быть рассмотрено расчетное давление в выхлопе относительно внешних условий.
6.4.2.4 Давление на выходе из компрессора и на входе в турбину
Если температура на входе в турбину определяется косвенными методами, то может стать необходимым измерение давления на выходе из компрессора или на входе в турбину.
Статическое давление следует измерять одним датчиком или несколькими, по ситуации. В случае установки нескольких датчиков значение давления должно являться среднеарифметическим результатов измерений. Динамическое давление следует рассчитывать по оцененной средней скорости в соответствующем сечении.
6.4.2.5 Давление газообразного топлива
Для определения плотности газообразного топлива при условиях, существующих в линии подачи, давление газообразного топлива следует измерять вместе с температурой газообразного топлива в точках, расположенных насколько возможно ближе к топливному расходомеру и вверх по течению от него.
6.4.3 Измерение температуры
Приборы, рекомендуемые для измерения температуры, следующие:
- термометры сопротивления по ГОСТ Р 51233;
- термопары по ГОСТ Р 8.585;
- жидкостные прозрачные термометры.
Другие устройства измерения температуры, такие как термисторы, также могут быть использованы при условии, что они должным образом откалиброваны и имеют неопределенность, соответствующую ограничениям, приведенным в настоящем стандарте.
Каждый прибор, используемый для испытания, должен быть откалиброван.
В случаях, когда температуру потока измеряют с динамической составляющей температуры, превосходящей 0,5 К, следует использовать термометр с торможением среды в точке измерения (термометр измерения температуры торможения) или, наоборот, соответствующую поправку относительно измерений, проведенных эталонным датчиком.
6.4.3.1 Температура воздуха на входе
В зависимости от установленного контрольного объема для испытаний температура воздуха на входе равна или температуре окружающего воздуха, или температуре на входе в компрессор.
6.4.3.2 Температура окружающего воздуха
Приборы, требующиеся для измерения температуры окружающего воздуха, следует устанавливать в месте, где струя воздуха пересекает заданный контрольный объем для испытаний, обычно у секции фильтрации воздухозаборного устройства. Особая осторожность требуется для защиты и экранирования температурных датчиков от солнечных и иных источников излучения, а также от высокой (более 10 м/с) скорости воздушного потока через чувствительный элемент.
В случае нескольких ГТУ, установленных в один или несколько рядов или в шахматном порядке с системой охлаждения испарительного типа или без нее (в составе системы воздухоподготовки), приборы для определения взвешенного среднего значения температуры окружающего воздуха и влажности должны быть установлены в местах, где граничные поверхности контрольного объема для испытаний подходят наилучшим образом.
Число приборов должно зависеть от формы и размера системы фильтрации воздуха на входе. Температуру следует измерять, как минимум, четырьмя приборами, равномерно распределенными по площади поперечного сечения входного участка. Рекомендуется размещать, как минимум, один датчик на каждые 10 м2 площади поперечного сечения потока на входе. В случае, когда существует неравномерный профиль температуры в поперечном сечении, число датчиков должно увеличиваться соответственно. Если разница между минимальной и максимальной температурами больше 5 К, как и в случае, когда находящееся рядом оборудование установки является источником горячих струй, направленных на воздухозаборное устройство, то причина этих явлений должна быть исследована и, где это возможно, ликвидирована.
6.4.3.3 Температура на входе в компрессор
Температура воздуха на входе в компрессор может быть использована для расчета баланса энергии. Ее следует измерять приборами, имеющими максимальную неопределенность, равную 0,2 К. Для расчета среднего значения следует использовать, по крайней мере, два датчика, а показания - снимать одновременно. Если температуру измеряют в месте, где скорость воздуха свыше 10 м/с, то измеренную температуру следует скорректировать с помощью рассчитанной динамической составляющей температуры торможения, используя вычисленную скорость воздуха.
В случае применения в эксплуатации испарительного охладителя или других аэрозольных систем необходимо обращать внимание на выбор точек измерения, чтобы предотвратить побочное охлаждение чувствительных элементов датчиков температуры при бомбардировке водяными каплями.
6.4.3.4 Температура на входе в турбину (TIT)
Работа ГТУ при заданной настройке температуры в течение испытаний является очень важной для определения термогазодинамических характеристик. Обычно ГТУ проектируют на основе температуры на входе в турбину, которая, за исключением специальных случаев, таких как турбины замкнутого цикла, не поддается измерению в реальной действительности. Поэтому температура на входе в турбину может быть определена только косвенными способами, основанными на расчетах баланса тепла. Методика расчета температуры на входе в турбину по условиям ИСО дана в 8.1.5.
Для измерения температуры на входе в турбину в ГТУ замкнутого цикла двух датчиков может быть достаточно.
6.4.3.5 Температура на выходе из турбины (температура выхлопа)
Температуру выхлопных газов следует измерять вблизи граничной поверхности контрольного объема для испытаний, которая часто является соединительной плоскостью между ГТУ и котлом-утилизатором или дымовой трубой ГТУ. Поток выхлопных газов из ГТУ обычно имеет неравномерный профиль температуры и скорости. Поэтому температуру выхлопных газов следует рассчитывать как среднемассовую.
Стороны, принимающие участие в испытаниях, должны выбрать метод расчета среднемассовых параметров. Предпочтительным методом является метод вычисления, обеспечиваемый изготовителем, основанный или на данных натурных испытаний по другим подобным установкам, или на аналитических способах, таких как моделирование на основе вычислительной газодинамики.
Обычно ГТУ включает в себя устройства для измерения температуры на выходе из турбины, так как эту температуру используют в системе защиты, управления и оперативного контроля в качестве самого важного выходного параметра. Изготовители ГТУ путем доводки и накопления опыта определяют количество и места установки датчиков температуры в выхлопном устройстве или в зоне между ступенями (для многовальных ГТУ или ГТУ с промежуточным подогревом), учитывая неравномерные профили скорости и температуры, а также тепловое излучение, эффекты теплопроводности.
Если для измерения температуры на выходе из турбины используют временную испытательную аппаратуру, то, как минимум, четыре датчика температуры должны быть размещены в центрах равных площадей поперечного сечения, учитывая пространственные градиенты температуры и скорости потока. Если из практических соображений существует необходимость поместить датчики температуры ближе к выходному фланцу турбины ил и в его сечении, то может потребоваться более четырех датчиков для обеспечения адекватной точности. Для ГТУ замкнутого цикла может быть достаточно двух датчиков температуры. Корпус и газоход между выходным фланцем турбины и точкой измерения должны быть тщательно теплоизолированы. Температура торможения в выхлопе должна быть рассчитана как среднеарифметическое значение индивидуальных измеренных величин.
6.4.3.6 Температура воздуха на входе в камеру сгорания
Может потребоваться (см. 8.1.3) определение средней температуры торможения на входе в камеру сгорания для оценки прироста температуры. Методы измерения средней температуры торможения на входе в камеру сгорания могут изменяться в соответствии с детальным проектом установки. Необходимые предупредительные меры должны быть предприняты против лучистых потоков тепла.
6.4.3.7 Температура топлива
Температуру топлива допускается при необходимости измерять в двух разных местах, близко к расходомеру для расчета подачи топлива и, если это используется, для возврата жидкого топлива и у граничной поверхности контрольного объема для испытаний для определения физической теплоты (энтальпии).