[发明专利]一种基于声学的汽轮机排汽湿度在线测量系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于汽轮机排汽湿度在线监测技术领域，尤其涉及一种基于声学的汽轮机排汽湿度在线测量系统及方法。

背景技术

蒸汽湿度对汽轮机的安全性和经济性有着重要的影响，且蒸汽湿度随负荷的变化而变化。因此对汽轮机排汽湿度的在线测量具有重要意义。目前能够真正用于测量汽轮机排汽湿度的方法有热力学法和光学法。

热力学法的基本原理是从汽轮机排汽中进行取样，处理后使得其从两相流变为单向流。根据能量守恒和质量守恒来进行反推计算得到样本湿度。所有的热力学法的精度都受到取样方法以及测量参数精度的影响，且测量过程耗时较长，难以实现在线测量。

光学法测量蒸汽湿度是建立在光的散射原理基础上。当光线穿过湿蒸汽时，湿蒸汽中的水滴会对光线产生散射效应，散射光与透射光均与湿蒸汽内的水滴的分布情况有关。通过测量散射光或者透射光来计算求得湿蒸汽中水滴的直径、数量和蒸汽湿度。光学窗口长期暴露在测量气流中，表面易受污染且难以清除，这在很大程度上限制了其在实际中的应用。

发明内容

为了解决目前汽轮机排汽湿度在线监测技术的不足，本发明提出了一种基于声学的汽轮机排汽湿度在线测量系统，其特征在于，该系统包括声波发射模块、声波接收模块、状态监测模块、信号处理模块；

所述声波发射模块包括声卡2、接线盒3、功率放大器4、电动声源5；其中，声卡2与工控机1相连接，同时与接线盒3输入端连接；功率放大器4与接线盒3输出端连接；电动声源5与功率放大器4输出端连接；

所述声波接收模块包括采集卡10、声波传感器6、信号调解器9、接线盒3；其中，声波传感器6与信号调理器9的输入端连接，信号调理器9连接到接线盒3输入端，接线盒3输出端与数据采集卡10连接，数据采集卡10连接到工控机1；

所述状态监测模块包括温度传感器7、压力传感器8、信号调理器9、接线盒3、数据采集卡10；温度传感器7和压力传感器8与信号调理器9的输入端连接，信号调理器9连接到接线盒3输入端，接线盒3输出端与数据采集卡10连接，数据采集卡10连接到工控机1；

所述信号处理模块包括工控机1、显示器11；

所述电动声源5、声波传感器6、温度传感器7、压力传感器8共同构成声学探针，并且安装在汽轮机末级出口处。

所述声学探针为方形管，其轴中心开有一条线缆槽e用于固定电动声源和传感器线缆，其末端前后两面开有方形通孔作为湿蒸汽的流通通道f，湿蒸汽的流通通道f的中部四面均安装有电动声源5和声波传感器6，湿蒸汽的流通通道f的中部上下两面均安装有温度传感器7和压力传感器8；湿蒸汽的流通通道f的入口处为楔形，对流过的湿蒸汽流场影响较小。

所述电动声源5、声波传感器6前加装防水透气膜，以避免电声源和声波传感器受潮损坏。

所述电动声源5及声波传感器6数量不少于两组，声波探针具有多种测量模式。

一种基于声学的汽轮机排汽湿度在线监测方法，其特征在于，具体包括：

步骤1：根据两相流的连续方程、动量方程、波动方程、气体状态方程以及经典声学理论，得出声波传播速度与蒸汽湿度的关系如下：

其中，τ为飞渡时间，s；L为测点距离，m；c为湿蒸汽中声波的传播速度，m/s；ρ₁为饱和蒸汽的密度，kg/m³；ρ₂为饱和水的密度，kg/m³；T为湿蒸汽温度，℃；P为湿蒸汽压力，KPa；u₁为P、T对应条件下的饱和蒸汽声速，m/s；u₂为P、T对应的饱和水声速，m/s；为湿蒸汽的湿度；对于某个测试对象，当温度和压力已知时，声波的传播速度取决于湿蒸汽的湿度；由上式得出关于湿度的计算公式：

其中，系数A、B、C均为相对湿度的计算系数，它们的表达式分别是：