[发明专利]基于Mie散射理论的汽轮机蒸汽湿度测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及流动湿蒸汽湿度测量技术领域，具体涉及一种基于Mie散射理论的汽轮机蒸汽湿度测量方法。

背景技术

汽轮机是以蒸汽为工质，将热能转变为机械能的旋转式原动机，是常规火力发电厂及核电站的三大主要设备之一，其运行的可靠性及经济性对整个发电机组的安全经济运行具有决定性的影响。影响汽轮机安全经济运行的因素较多，其中最为重要的是汽轮机末级叶片所在区域的蒸汽湿度(含水量的多少)及水滴颗粒的大小与分布情况。运行经验表明，常规火力发电厂汽轮机低压缸末几级及压水堆核电站汽轮机的大部分级都工作在湿蒸汽中，且对机组负荷、蒸汽进口温度及压力的变化比较敏感。湿蒸汽的存在对汽轮机的影响主要表现在两个方面，一是降低了汽轮机低压缸内的运行效率，蒸汽湿度每增加1％，汽轮机的相对内效率大约降低1％；二是湿蒸汽中的水滴长期冲击高速旋转的叶片，使叶片产生水蚀，严重威胁机组运行的安全与寿命。随着越来越多的高参数、大功率火力发电机组和核电机组的运行，汽轮机中湿蒸汽引发的运行安全与经济性问题也愈加受到各国的重视，国际上诸多研究机构都在进行深入研究，并且联合起来开展合作研究，尤其是测量技术的研究。然而，如何实现准确、实时、非接触的测量蒸汽湿度与水滴粒径，至今仍是一个世界性的技术难题。因此，实时准确的监测蒸汽湿度及其分布规律对汽轮机的安全经济运行具有重要的实际意义。目前采用的测量技术都还不够成熟，在一定程度上干扰蒸汽流动，测量范围较小，不能达到非接触、实时测量的目的。

光散射是指入射光照射含有微粒的介质时，偏离入射光初始传播方向，向各个方向散开的现象。光散射理论是光散射法测量微粒粒径参数的基础，通过已知的微粒粒径、折射率、入射光波长等参数可以计算出微粒沿各个方向的散射光强分布规律。湿蒸汽中的水滴为球形粒子，而光散射理论中的Mie散射理论是描述球形粒子散射光分布规律最有效的方法，Mie散射理论经过一百多年的发展，已经比较成熟。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种非接触、大范围、准确实时、安全性好、可靠性高、使用简单方便的基于Mie散射理论的汽轮机蒸汽湿度测量方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于Mie散射理论的汽轮机蒸汽湿度测量方法，其实施步骤如下：

1)通过激光器从汽轮机汽缸的监测窗口射入激光光束，通过带有长焦镜头的相机透过监测窗口采集汽缸内水滴的散射光分布图像，将所述散射光分布图像中指定像元作为由水滴组成的各个散射体，分别基于散射光分布图像获取各个散射体的实测散射光强；

2)基于Mie散射理论计算出所述各个散射体的理论散射光强，计算各个散射体的理论散射光强、实测散射光强的最小二乘和，以所述最小二乘和对应目标函数的最小值为最优值，均匀搜索寻找由质量中间半径尺度分布参数K和水滴数密度N三者组成的最优参量；

3)结合所述最优参量，根据式(1)和式(2)计算用于描述湿蒸汽中水滴粒径分布的Rosin-Rammler函数f(r)和单位体积内含有液态水滴的体积V；