[发明专利]基于变界分段能平衡的软测量方法、多功能湿蒸汽测针及湿蒸汽吸热量测控装置

说明书

技术领域

本发明涉及湿蒸汽两相流在线测量领域，是一种基于变界分段能平衡的软测量方法、多功能湿蒸汽测针及湿蒸汽吸热量测控装置，特别适用于凝汽式汽轮机排汽湿度及其它湿蒸汽两相流的流量、截面含汽率等湿蒸汽进行实时在线监测。

背景技术

流动湿蒸汽存在于大量工业领域设备中，尤其是火电站汽轮机低压级、核电站汽轮机全部级等运行环境中。湿蒸汽中的水滴对汽轮机叶片会造成安全威胁损害安全利益，同时直接导致汽轮机效率降低从而损害经济利益。汽轮机排汽湿度的测量对于保证汽轮机的安全、经济、高效运行具有极其重要的意义。

目前，汽轮机排汽湿度测量方法主要有光学法、加热法、示踪法、微波法、电容法、光纤光栅法等。但迄今为止，尚没有一种能够实现汽轮机排汽湿度长期实时在线监测的装置应用于实际生产。

目前的汽轮机排汽湿度测量方法中除激光法和加热法外，都还处于实验室研究阶段。其中，激光法尚有两大难题有待破解。一是无法给出绝对湿度，二是无法实现长期在线监测。加热法则存在三大难题：一是作为加热法理论基础的热平衡式因质量流量无法准确测量而无法保证测量准确度，二是散热损失难以准确确定，三是测出的湿度值难以进行实验检验。

发明内容

本发明的目的是，针对现有加热法的不足，提供一种方法科学、合理，能够实现实时在线准确测量的基于变界分段能平衡软测量方法。并提供结构简单，测量精度高，适用于凝汽式汽轮机排汽湿度及其它湿蒸汽两相流的流量、截面含汽率等湿蒸汽参数进行实时在线监测的多功能湿蒸汽测针及湿蒸汽吸热量测控装置。

实现本发明目的所采用的技术方案之一是：一种基于变界分段能平衡的软测量方法，其特征是：湿饱和蒸汽通过多功能湿蒸汽测针螺旋形等截面汽道而被连续加热自发增容变为过热蒸汽，整个过程分两个区（段）进行：从入口开始，湿蒸汽中的雾状水滴随吸热量的增多而不断汽化，水滴在汽液中的比例（即湿度）同步减小；当其吸热量增大到等于全部水滴汽化潜热总和时，湿度为零，湿蒸汽变为干饱和蒸汽，零湿度位置，所对应的电加热棒横断面至入口截面的直线距离被定义为汽化长度，显然，电加热棒功率一定时，汽化长度完全取决于待测湿蒸汽质量流量和湿度大小，干蒸汽进一步受热而升温，变为过热蒸汽，螺旋形汽道中，干蒸汽与过热蒸汽的分界面可理想化为与流线相垂直的平面，简称为界面，在电加热棒功率一定时，界面位置也取决于进口湿蒸汽质量流量和湿度大小，由此可见，汽化长度和干饱和蒸汽/过热蒸汽的分界面位置具有同一性，它们都随待测湿蒸汽的流量、湿度变化而变化，是谓“变界”；从蒸汽受热过程机理分析，汽化区段中，蒸汽/雾滴两相流中的水滴受热蒸发属于相变过程，其温度和相应的压力均不变化；过热区段中，干蒸汽受热升温，属于单相升温过程，两者基于机理分析的软测量模型应有所区分，是谓“分段能平衡”，湿饱和蒸汽通过螺旋形等截面汽道而被连续加热自发增容变为过热蒸汽，整个加热过程机理由下述方程组定量描述：

过热段焓平衡：

                                                                                     (1)

蒸发段焓平衡：

                                           (2)

加热过程热量平衡：

过热段：                        (3)

    蒸发段：                          (4)

变界结构参数方程：

                                            (5)

其中，多功能湿蒸汽测针外壁管所布置的插入式温度传感器之间的间距、单位长度电加热棒加热功率，在运行中为已知量，入口湿饱和蒸汽温度、出口过热蒸汽温度和出口过热蒸汽压力为在线测得，相应的出口过热蒸汽焓由水蒸气表确定，将式(1)、式(2)、式(3)、式(4)和式(5)联立求解得：

                                 (6)