[发明专利]一种测量湿蒸汽湿度的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种汽轮机湿蒸汽湿度测量装置及方法。

背景技术

蒸汽透平中的一个主要问题就是有湿蒸汽的产生，凝汽式汽轮机的低压级和核电站汽轮机的全部级都在湿蒸汽区工作。首先，由于湿蒸汽中水份的存在，干蒸汽的工作受到一定的影响，这种影响表现为一种能量损失——湿汽损失。其次，湿蒸汽会引起动叶水蚀，影响蒸汽透平运行的安全性。

对于蒸汽透平来说，由于末级的排汽处于湿蒸汽区，所以蒸汽的压力和温度不再是各自独立的参数，不能通过这两者的测量来确定湿蒸汽的状态，也就不能来进行汽轮机的热经济指标的计算。但是我们可以通过湿蒸汽的湿度来确定排汽状态。

综上所述，湿蒸汽会对汽轮机的经济性和安全性产生影响，显然湿度大小能反应影响的严重程度，还可以通过湿度来确定汽轮机的热经济性指标，为运行指导和设备的状态检修提供依据，可见对汽轮机湿蒸汽湿度的测量具有重要意义。

目前广泛应用的湿度测量方法主要有热力学法和光学法。热力学法可以分为节流法、加热法、凝结法、空气-蒸汽混合法等，热力学湿度探针在测量时几乎都采用的是抽汽采样法，测湿探针的体积较大，测量不方便，而且湿蒸汽在探针中由于压力损失大会引起流动不畅，其中加热法在加热段还会有加热量和散热损失引起的误差。光学法分为角散射法和全散射法，光学法不仅能测出湿蒸汽的湿度而且还能测出液滴的直径，但是光学法测湿的设备造价高，而且对环境的要求高，还会受到多重散射等因素的影响。

发明内容

本发明所依据的机理是：湿蒸汽的湿度是指湿蒸汽中液态水的质量与湿蒸汽总质量的比值，所以湿度不同，湿蒸汽中所含的液滴质量不一样，湿度越大，液滴质量就越大，根据动量定理可知，具有相同速度的液滴群撞击到一块平板上，液体群的质量越大，平板受到的动量力就越大，据此，可以根据平板受到的动量力的大小，判断出湿蒸汽湿度的大小。我们对此还进行了数值模拟，发现结论是可靠的，流动速度相同的湿蒸汽，湿度越大，平板受到的动量力越大；流动速度相同的湿蒸汽，且湿度相同但是液滴尺寸分布不同，平板受到的动量力是相同的，实验也验证了这一点。据此，我们就可以根据平板受到的力的不同，判断出湿蒸汽的湿度大小。

本发明的目的是提供一种基于上述机理的用于汽轮机湿蒸汽湿度的测量装置及方法。为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种测量湿蒸汽湿度的装置，包括排汽缸内装配结构、皮托管以及排汽缸外的应变仪，其特征在于，所述排汽缸内装配结构包括一倒过来的“L”结构的支柱，其水平自由端端面连接一方形平板，该支柱的立柱自由端端面连接一块固定板，所述支柱立柱中部外周贴有电阻应变片，电阻应变片与排汽缸外的应变仪相连；所述排汽缸内装配结构通过固定板连接在汽轮机排汽缸出口凝汽器上方内壁的一侧，使平板对着湿蒸汽来流方向；所述皮托管安装在排汽缸出口凝汽器上方内壁相对排汽缸内装配结构的另一侧。

上述方案中，所述支柱与方形平板、固定板之间的连接均采用连接板相连。所述的电阻应变片为两片，分别贴在立柱中部外周直径对向的两侧。

一种测量湿蒸汽湿度的方法，采用前述湿蒸汽测量装置实现，其特征在于，包括下述步骤：

1)将排汽缸内装配结构通过固定板固定在汽轮机凝汽器入口前的排汽缸内壁上，使排汽缸内装配结构的平板正对湿蒸汽来流方向；

2)湿蒸汽撞击平板，平板受到汽体和液滴的动量力，使得支柱的立柱发生弯曲应变，贴在上面的电阻应变片将该弯曲应变传送给应变仪，应变仪测出立柱的弯曲应变的数据；

3)根据应变仪测出的立柱的弯曲应变的数据ε，依据公式(1)算出平板受到的力：

其中，W是立柱的弯矩系数：

式中：E是立柱材料的弹性模量，l是电阻应变片中心位置与支柱横向部分轴线的距离，d为立柱的直径；

4)计算所得的F，包括蒸汽撞击产生的力F₁和液滴撞击产生的力F₂，为了得到F₁，用皮托管所测量得到的汽轮机尾部不同汽流速度来制作蒸汽速度v与F₁的关系表，获得拟合公式：

F₁＝0.0004v²-0.0019v(3)

5)根据F₂＝F-F₁，即可得到湿蒸汽中液滴撞击平板的力F₂，根据F₂与湿蒸汽湿度对应关系，就能获得湿蒸汽的湿度。