[发明专利]一种湿蒸汽两相流湿度标定方法及其标定装置

说明书

技术领域

本发明涉及流动湿蒸汽湿度测量领域，特别涉及一种湿蒸汽两相流湿度标定方法及其标定装置。

背景技术

大型火电厂凝汽式汽轮机中末几级处于湿蒸汽区域工作。在凝汽式汽轮机所发出的功率中，有10％～20％功率是在湿蒸汽区域转换的。由核能、太阳能、地热能以及钢铁、水泥、玻璃、化工等工业流程中伴生能源产生的蒸汽，往往是压力较低的饱和蒸汽，或过热度小的蒸汽。使用该类蒸汽做功的汽轮机几乎所有级均处于湿蒸汽区域工作。湿蒸汽区域的级效率明显低于过热蒸汽区域，通常认为：当湿度为10％时，级效率降低幅度在10％～15％之间。早在1998年，Guha研究显示：在英国，仅因汽轮机中湿度引起的效率降低而带来的经济损失每年达5000万英镑。所以，提高湿蒸汽区域的级效率，对提高整台汽轮机效率相当重要，对于利用核能以及地热能、太阳能、工业流程中伴生能源等加热产生的饱和(或过热度小的)蒸汽驱动发电的汽轮机尤为重要。

不仅如此，高速流动的汽液两相流中，汽相是连续的，液相是离散的，且后者的比重较前者大，因此受到较大的离心力，促使液滴有从叶轮中心向外周方向流动的趋势。这一趋势与工质的主流方向不同向，从而造成液滴对通道表面及叶片的冲蚀和磨损，降低使用寿命，甚至发生叶片断裂事故。

目前，适用于蒸汽透平流动湿蒸汽湿度测量的方法主要有热力学法和光学法。其中，热力学法可分为节流法、凝结法、加热法和蒸汽-空气混合法。各种方法的测量原理及不足之处简述如下：

节流法是将被抽取的湿蒸汽试样，在工作段中节流到某一较低的压力值，使得节流后的蒸汽状态点位于过热蒸汽区内。通过确定过热蒸汽区内的某一点处蒸汽压力和温度对应的焓值和取样处压力的饱和水焓值、汽化潜热，来计算出取样蒸汽湿度。但为保证节流后的蒸汽为过热蒸汽，被抽取的试样蒸汽应节流到足够低的压力，因此节流法不宜用来测量低压区及湿度大于8％的湿蒸汽(一般凝汽式汽轮机的排汽湿度在6％～12％范围)。再者，散热损失和湿蒸汽膨胀后汽相和液相间得不到充分均匀混合，亦会影响测量的准确性。

凝结法是将被抽取的湿蒸汽试样，在凝汽器中凝结成水。通过测量被抽取的蒸汽试样质量、冷却水质量以及冷却水进出口温度，来求出被抽取蒸汽的焓值，再确定蒸汽取样处某点压力的饱和水焓、汽化潜热，以求出蒸汽湿度。由于该方法需要测量出蒸汽试样质量、冷却水质量及进出口温度等多个参数，会带来测量误差的传递和积累问题，同时散热损失也会影响测量结果的精准性。

加热法是将被抽取的湿蒸汽试样，在工作段中加热到干饱和状态或过热状态。通过测量被加热后的蒸汽压力和温度来确定对应状态的焓值，同时测量被抽取蒸汽的质量、加热蒸汽的加热量，以及确定蒸汽取样处某点压力的饱和蒸汽焓值，从而求出取样蒸汽湿度。由于该方法需要测量出加热后蒸汽压力、温度、蒸汽试样质量、加热量等多个参数，会带来测量误差的传递和积累问题，同时散热损失也会影响测量结果的准确性。

蒸汽-空气混合法是将被抽取的湿蒸汽试样在一混合室中与外界引入足够多的热空气在绝热条件下混合。通过测量被抽取蒸汽的取样质量、热空气的质量，以及混合室进出口处空气的压力、温度、含水量、焓值和露点温度，来确定被抽取蒸汽的焓值，再确定出蒸汽取样处某点压力的饱和蒸汽焓值，从而求出蒸汽湿度。测量中，为保证混合后的空气中水分含量尚未达到饱和，送入的热空气量必须很大，因此要配置一台容量很大的真空泵，使现场应用受到限制。

由此可见，上述的各种热力学方法中，均需要对多个热力学参数进行测量，然后再求算出湿蒸汽湿度，其最大问题是测量误差的传递和积累，再加上散热损失的影响，最终导致测量结果的精度较低。

光学法是随着激光技术的发展而完善起来的测量方法，其克服了热力学法需要等动力抽汽取样和结构复杂等缺点，不但可以测量出蒸汽湿度，而且还能够测量水滴直径及其分布情况。光学测量法主要分为全息法、相关法、角散射法、全散射法、衍射法等，尤其以角散射法和全散射法研究为多。

角散射法是通过测量水滴对入射光的某一散射特性，然后按Mie理论对测量数据进行处理，以求得被测汽流中水滴直径和蒸汽湿度。全散射法是通过测量透过湿蒸汽时入射光向四周散射所引起的光能衰减，来确定水滴直径和蒸汽湿度的方法。

散射法虽能进行快速测量，但在工程实际应用中受到一些因素的制约，如多重散射、光学窗口洁净度等因素均会导致测量结果的偏差。

综上所述，现有的湿蒸汽湿度测量装置及其方法，都或多或少的存在不足。究其根本原因，在于测量步骤繁琐，且需多参数测量，造成测量误差的传递和积累，以致测量结果与实际情况产生一定的偏差。