黃竹青,唐振洲,黃章俊,周 凌,羅 赟

(1.長沙理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,湖南 長沙 410114;2.湘潭大學(xué),湖南 湘潭 411105)

1 引 言

常規(guī)電站中大型冷凝式蒸汽透平的末幾級和核電站中透平的全部級都在濕蒸汽狀態(tài)下工作。濕蒸汽的存在不僅降低了汽輪機(jī)的運(yùn)行效率,而且濕蒸汽中的水滴會(huì)對高速運(yùn)行的汽輪機(jī)動(dòng)葉片造成撞擊、沖蝕,給汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和安全性造成極大的危害。測量蒸汽濕度及水滴顆粒粒徑分布對于了解汽輪機(jī)末級的工作狀態(tài),為汽輪機(jī)安全經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行提供保障,具有很強(qiáng)的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義[1]。

目前蒸汽濕度測量的方法很多,如熱力學(xué)法、光學(xué)法、化學(xué)法等,但適用于汽輪機(jī)內(nèi)流動(dòng)濕蒸汽濕度的測量方法主要是熱力學(xué)法和光學(xué)法[2-6]。現(xiàn)階段光散射法依托其測量范圍更廣,精度更高,測量速度更快,與計(jì)算機(jī)相整合后更便于在線測量的優(yōu)勢,已經(jīng)逐漸成為濕蒸汽參數(shù)測量的主要方法之一,具有實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測濕蒸汽參數(shù)的前景[7]。

2 測量實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

后向散射法測量蒸汽濕度以Mie散射理論為基礎(chǔ),該理論闡述的是球形顆粒的散射特性,描述了散射光中包含水滴粒徑、粒徑分布、水滴濃度等信息。因此,通過激光器和CCD相機(jī)聯(lián)合作用,接收水滴群在某個(gè)角度范圍內(nèi)的散射光信號,然后根據(jù)Mie散射理論對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行反演,即可求得濕蒸汽中水滴粒徑、粒徑分布和濃度等參數(shù)[8-9],根據(jù)這些參數(shù),利用水蒸氣濕度公式即可求得水蒸氣濕度。

后向散射法蒸汽測量模型如圖1所示,實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕赡M汽缸、激光器和CCD相機(jī)組成。從激光器發(fā)出的入射光束水平穿過濕蒸汽區(qū),會(huì)向各個(gè)方向發(fā)生散射,CCD相機(jī)固定在觀察孔的上方,接收該散射角度下的散射光。CCD相機(jī)的視場角范圍與激光光束傳播方向的重合區(qū)域即為測量區(qū)域。

圖1 后向散射法濕蒸汽測量模型Fig.1 Measurement model of wet steam parameters based on the backscatter measurement method

如圖1所示,光束穿過模擬汽缸到達(dá)探測器的過程可分為三個(gè)過程:衰減(A→B)→散射(B)→衰減(B→C)。此過程中,A→B、B→C兩個(gè)衰減過程遵循Lambert-Beer定律,B的散射過程遵循Mie散射理論[10-11]。

假設(shè)入射光強(qiáng)為I0,則CCD相機(jī)最終接收到的散射光強(qiáng)I3為：

sin(π-θ)·Δφf(r)dθdr}exp(-τL02)

sin(π-θ)·Δφf(r)dθdr}

(1)

式中,L01為衰減區(qū)(A→B)的長度;L02為衰減區(qū)(B→C)的長度;Δφ是極化角;θ1和θ2表示散射角范圍;V表示散射區(qū)間的體積；r1、r2為水滴粒徑范圍;λ為入射光波長。

3 濕蒸汽后向光散射特性

圖2 水滴群散射比分布規(guī)律Fig.2 The distribution of water droplets scattering ratio

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)計(jì)算及影響分析

圖3 不同接收角的散射光強(qiáng)對比Fig.3 Comparison ofscattered light intensity with different receiving-angle

從圖3可見,隨著接收角從5°到10°增大時(shí),散射光強(qiáng)呈先增加后遞減趨勢,與圖2中接收角在170°～175°時(shí)散射光強(qiáng)先增加后降低的變化趨勢對應(yīng),因此滿足實(shí)驗(yàn)要求。可以看到,當(dāng)接收方位角為7°時(shí),散射光強(qiáng)明顯高于其他角度,并且在CCD相機(jī)橫向像元方向呈現(xiàn)出先增強(qiáng)后減弱的趨勢,當(dāng)CCD相機(jī)橫向像元為800時(shí)達(dá)到極值。

由Mie散射理論可知,接收角度不同,散射光強(qiáng)會(huì)有很大的變化。因此,為了得到適合后向測量散射光強(qiáng)的接收角度,在相同的設(shè)定條件下,對7°和30°角進(jìn)行比較,結(jié)果如圖4所示。

圖4 接收角度7°和30°的散射光強(qiáng)比較Fig.4 Comparison of scattered light intensity with receiving-angle of 7° and 30°

當(dāng)接收角為后向7°時(shí),散射光強(qiáng)明顯強(qiáng)于30°。由圖4可見,后向7°時(shí)的散射光強(qiáng)在橫向像元方向是呈上升趨勢,在橫向像素點(diǎn)800的位置達(dá)到最大。而30°的散射光強(qiáng)并沒有明顯的變化趨勢,這是因?yàn)楹笙?°時(shí)的散射光強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于后向30°,從而使得后向30°的變化趨勢被掩蓋。

圖5 散射光強(qiáng)隨像元位置的變化Fig.5 The change of the scattering light intensity with the position of the pixel

圖5(a)是保持水滴質(zhì)量中間半徑和水滴數(shù)密度不變,對尺度分布參數(shù)K進(jìn)行分析,結(jié)果表明,隨著尺度分布參數(shù)K的增大,各個(gè)像元接收到的散射光強(qiáng)度也越大,這是由于K值越大水滴群的半徑分布越集中,散射光強(qiáng)就越接近單一分散系的散射特性。圖像的前半段,曲線分布雜亂,是因?yàn)镵值不同到CCD相機(jī)達(dá)響應(yīng)飽和的位置也不同所導(dǎo)致的。

實(shí)際測量中,采集到的信號數(shù)據(jù)通常都伴有一定的噪聲,為了更加貼近實(shí)際情況,在上述的仿真計(jì)算過程中,人為的給模擬數(shù)據(jù)添加了一定比例的隨機(jī)噪聲,得到接收角度為7°時(shí)各個(gè)像元對應(yīng)的散射光強(qiáng)數(shù)據(jù),如圖5(d)所示。

上述后向7°角的變化趨勢,與圖2的變化趨勢相對應(yīng),通過對比可知,后向7°的散射光條件優(yōu)于后向30°角。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量時(shí),選擇后向7°角為接收角更合適。

5 結(jié) 論

根據(jù)Mie散射理論對基于后向散射法的濕蒸汽參數(shù)測量模型中CCD相機(jī)的接收角度進(jìn)行優(yōu)化分析,得出以下結(jié)論：

參考文獻(xiàn)：

[1] JIAO Ye,HUANGZhuqing,CAOXiaoling et al.Simulation study on steam moisture measurement based on the method of optical back-scattering[J].Laser Technology,2013,(3):310-313.(in Chinese)

焦燁,黃竹青,曹小玲,等.基于激光后向散射測量蒸汽濕度的仿真研究[J].激光技術(shù),2013,(3):310-313.

[2] WANG Shenlong.Study on a method and application of wetness measurement online for steam turbine[D].Baoding:North China Electric University,2005.(in Chinese)

王升龍.汽輪機(jī)蒸汽濕度在線監(jiān)測方法及應(yīng)用研究[D].保定：華北電力大學(xué),2005.

[3] LIU Jiancheng,LIN Zhihong,WEN Xueyou et al.Recent advances in the technology of moisture removal in steam turbines[J].Journal of Engineering for Thermal Energy and Power,2005,(1):1-5.(in Chinese)

劉建成,林志鴻,聞雪友,等.汽輪機(jī)內(nèi)部除濕技術(shù)的發(fā)展[J].熱能動(dòng)力工程,2005,20(1):1-5.

[4] REN Haoren,SHENG Deren,LU Xuefeng,et al.Calculation of turbine exhaust in online system[J].Power Engneering,1998,18(6):1-4.(in Chinese)

任浩仁,盛得仁,盧學(xué)峰,等.汽輪機(jī)在線性能計(jì)算中排汽燴的確定[J].動(dòng)力工程,1998,18(6):1-4.

[5] ZHANG Hong,CAI Xiaoshu,WANG Xihua.Development of wet steam measurement technologies in steam turbine[J].Thermal Turbine,2007,36(1):1-7.(in Chinese)

張弘,蔡小舒,王夕華.汽輪機(jī)內(nèi)濕蒸汽實(shí)驗(yàn)測量技術(shù)現(xiàn)狀[J].熱力透平,2007,36(1):1-7.

[6] LI Qunlin,LIU Bofeng,XIAOXiang.Image measurement for the diameters of drop in two phase wet steam flow in steam turbine,2006,(12):6668.(in Chinese)

李群林,劉波峰,肖湘.使用照相法測量汽輪機(jī)濕蒸汽中水滴尺寸的研究[J].中國儀器儀表,2006,(12):6668.

[7] WU Wei,QIN Shiqiao,HUANG Zhuqing.A fast inversion method for water droplet size determination in scattering light measurement[J].Acta Optical Sinica,2011,(7):156-160.(in Chinese)

吳偉,秦石喬,黃竹青.水滴粒徑散射測量中的快速反演方法研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2011,(7):156-160.

[8] HUANG Zhuqing.Investigation of moisture steam characteristic measurement methods in steam turbine based on light scattering[D].Changsha:National University of Defense Technology,2010.(in Chinese)

黃竹青.基于光散射的汽輪機(jī)濕蒸汽特性測量方法研究[D].長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2010.

[9] ZHANG Heyong,RENDeming,ZHAOWeijiang,et al.Resurch of scattering phase function of spheric particle under polarized state[J].Opto-Electronic Engineering,2008,35,(9):71-75.(in Chinese)

張合勇,任德明,趙衛(wèi)疆,等.偏振狀態(tài)下球形粒子的散射相位函數(shù)研究[J].光電工程,2008,35,(9):71-75.

[10] ZHANG Wei,LU Yuan,DU Shiming,et al.Analysis of characteristics of mie scatering[J].Optical Technology,2010,(6):936-939.(in Chinese)

張偉,路遠(yuǎn),杜石明,等.球形粒子Mie散射特性分析[J].光學(xué)技術(shù),2010,(6):936-939.

[11] WANG Xianfen,LIU Guangbin,ZHENG Zhong,et al.Onwards continue fraction algorithm for mie scattering and numerical stimulation[J].Optical Technology,2009,(4):541-543.(in Chinese)

王蓮芬,劉光斌,鄭重,等.Mie散射向前遞推連分式算法及其數(shù)值模擬[J].光學(xué)技術(shù),2009,(4):541-543.