[发明专利]一种湿蒸汽湿度的光声学测量方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及湿蒸汽湿度测量领域，特别涉及一种采用光声学原理的湿蒸汽湿度测量装置及方法。

背景技术

通常在火电厂中的大型凝汽式汽轮机的末几级、核电站中的大型汽轮机、核动力舰船用汽轮机、地热电站汽轮机、以及中低温太阳能热发电用或钢铁、水泥、玻璃、化工等工业流程中伴生余热发电用汽轮机的全部级或大部分级均工作在湿蒸汽状态下。在凝汽式汽轮机所发出的功率中，有10％～20％的功率是在湿蒸汽区域转换产生的；核电汽轮机通流部分中，进入高压缸的新蒸汽湿度通常为0.25%～0.50%，且湿度逐级增大，至高压缸排汽口湿度达12%～15%，而其低压缸排汽口湿度一般亦可达12%～14%；而依据Baumann法则，汽轮机级内出现1%的平均湿度可使效率降低大约1%。

英国的统计数据表明，仅由于汽轮机中湿度引起的效率降低带来的经济损失每年可高达5000万英镑。不仅如此，湿蒸汽中高速流动的水滴撞击叶片表面造成低压级叶片水蚀，水蚀将影响叶片的强度和振动特性，使叶片变得粗糙，出现凹坑，严重时甚至断裂，最终酿成事故。同时，水蚀也增加了叶片通流部分的流动损失，导致汽轮机的级效率降低可多达0.664%。据统计，叶片事故在汽轮机各部件中居首位，美国电力研究院EPRI(Electric Power Research Institute)指出，美国电站汽轮机强迫停运率的70%与叶片损坏有关，且各国统计数据还一致表明，叶片事故引起的损失往往占全部损失的一半左右。对于舰船用汽轮机，为了提高可靠性，延长使用寿命和减少维修次数，也必须采取相应的机内除湿技术。由此可见，由湿蒸汽问题所带来的汽轮机的经济和安全损失是巨大的。

近年来，随着火电机组单机容量的增大，以及核电机组装机比重的增加，由于蒸汽的湿度问题，对汽轮机运行的经济性和安全性的影响更加明显；另外，新能源的利用如地热发电、太阳能热发电和余热利用发电中，也迫切需要确定湿蒸汽的湿度。在湿蒸汽区，蒸汽的压力和温度不再像过热区那样是各自相互独立的参数，所以要确定湿蒸汽的状态，除了压力、温度以外，还必须要寻找另一个热力参数，用测量的方法确定蒸汽的焓、熵比较困难，因此，湿度的测量就成为确定湿蒸汽另一个状态参数的有效手段。如果能准确方便测量湿蒸汽的湿度，不但有助于快速、准确地了解运行于湿蒸汽区的汽轮机级内湿度的径向、轴向分布以确定汽轮机的效率，给汽轮机的运行操作人员提供准确的运行指标，而且还可以为汽轮机的优化设计和改造提供依据。对汽轮机除湿技术的研究、试验上也离不开湿度测量技术，其测量数据的准确度将直接影响除湿装置的设计优劣，只有准确的蒸汽湿度测量才能对新设计的汽轮机(或汽轮机级)的除湿效果做出准确的判断。因此，如何实现湿蒸汽湿度的准确、方便、实时测量，成为亟待解决的问题之一，对能源动力等领域有着重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用光声学原理的湿蒸汽湿度测量装置及方法，达到无扰、非接触式、连续、在线、直接、高灵敏度、高精度测量包含直径从微米（甚至更小）到毫米（甚至更大）的饱和水滴的湿蒸汽的湿度的效果。为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种湿蒸汽湿度的光声学测量装置，包括：

光声腔，内部通入待测的湿蒸汽；

激光器，作为激励源用于发出激光照射所述的湿蒸汽，并激发湿蒸汽产生超声波；

电光调制器，位于激光光路上，用于对激光进行调制；

声传感器阵列，安装在光声腔沿光程的两侧侧壁，用于感知、检测超声波信号；

以及计算机系统，用于对所述的超声波信号进行分析处理，得到湿蒸汽的湿度。

所述光声腔的顶部开有透光窗口，激光可以穿过所述的透光窗口照射湿蒸汽。

所述的光声学测量装置还设有位于所述电光调制器出射光路上的调焦系统，用于调节激光的聚焦程度和准直程度，控制激光以适当的束腰半径、瑞利长度和发散角照射所述的湿蒸汽。

作为改进，所述的声传感器阵列和计算机系统之间连接有信号放大模块；所述的信号放大模块包括依次连接的信号放大器和锁相放大器；所述的锁相放大器还与电光调制器连接，依据所述电光调制器的调制方式和调制参数对超声波信号进行放大处理。

信号放大模块用于对超声波信号进行放大处理，所述的信号放大器，将声传感器阵列检测得到的微弱信号进行放大；所述的锁相放大器利用所述的电光调制器对激光的调制方式和控制参数，如频率和相位，作为参考信号，对被测超声波信号本身和参考信号同频（或者倍频）、同相的分量进行放大，能大幅度抑制噪声，改善检测信噪比，具有很高的检测灵敏度。