[发明专利]一种湿蒸汽区液滴颗粒的测量方法以及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种湿蒸汽测量，特别涉及一种叠加波激励下的超声衰减法测量湿蒸汽区液滴颗粒的粒径、体积浓度和湿度的方法以及装置。

背景技术

在电力行业、石油化工等领域中，通常需要用到湿蒸汽，并且需要确定湿蒸汽区液滴颗粒的粒径、体积浓度以及湿度，以用于过程控制或能量评价等方面。在火力发电厂中的大型凝气式汽轮机低压缸的末几级、压水堆核电机组、核动力船舰用的汽轮机的全部级或大部分级均工作在湿蒸汽状态下。核电汽轮机通流部分中，进入高压缸的新蒸汽湿度为0.25%～0.5%，且湿度逐级增大，到高压缸通流区域排汽湿度达到12%～15%，而其低压缸排汽口湿度可以达到12%～14%；依据Baumann法则，汽轮机级内出现1%的平均湿度可以使得效率降低大约1%。可见，湿蒸汽的产生不仅降低了机组运行的安全性以及经济性同时也给机组的设计带了困难。

在湿蒸汽的测量中液滴颗粒的粒径、体积浓度以及湿度信息的测量极为重要，湿蒸汽参数的测量有许多种方法：1)热力学法；2)光学法；3)微波法；4)电容法；5)静电测量；6)超声法等方法。当被测湿蒸汽浓度较高时，其他方法的精度下降，这时提出了一种叠加波激励下的超声衰减法测量湿蒸汽区液滴颗粒的粒径、体积浓度和湿度的方法以及装置。超声波具有很强的穿透能力，通过超声波可以实现非接触、在线测量，还具有自动化程度高，能进行快速且准确的测量的特点。

基于超声法开展湿蒸汽测量的方法较少也比较新，当然仍有相关方法被提出。现有的一些基于超声法对湿蒸汽区进行液滴颗粒的浓度以及湿度测量的方法，多是采用了经验公式或者进行标定，从而得到被测参数值，没有很好的考虑液滴颗粒的粒度差异对声衰减的影响。

发明内容

本发明是针对湿蒸汽浓度测试时随着浓度升高，现有的测量方法的精度下降的问题，提出了一种湿蒸汽区液滴颗粒的测量方法以及装置，根据声学模型进行测量，充分考虑超声传播时液滴颗粒对声波的作用以及液滴颗粒间的相互作用。同时，提出了三种频率叠加构成叠加波信号激励宽带超声波换能器，发射超声波信号，获取了更多的被测信息，提高了测量准确度。

本发明的技术方案为：一种湿蒸汽区液滴颗粒的测量方法，具体包括如下步骤：

1）、由信号发射电路编制三种频率f1=200kHz、f2=40kHz、f3=25kHz构成的叠加波信号，将叠加波信号作为激励源，激励宽带超声波换能器同时发射三种频率超声波；

2）、超声波信号穿透湿蒸汽区后，另一个宽带超声波换能器接收并获得3个步骤1）编制的三种频率下声波信号；

3）、计算声衰减系数：对步骤2）接收的进行处理，由快速傅里叶变换得到超声幅值并进行了声吸收的修正，得到最终的声衰减                                                ，计算公式如下：

 

其中为超声波频率为f时测得经测量区域传播的原始信号幅值， 为超声波频率为f在测量区域中有蒸汽液滴颗粒时测得的幅值，L为两个换能器之间距离，为考虑在测量区域中背景的声吸收等效应的超声衰减修正系数，可查阅声学手册得到，通过对实验信号处理分别计算在频率f1=200kHz、f2=40kHz、f3=25kHz下的声衰减、、；

4）、计算湿蒸汽区液滴颗粒的粒径：在数据处理过程中采集两相流中复波数理论表达式：

 

其中，

这里j=，D是液滴颗粒的直径，为液滴颗粒的体积浓度，即单位体积的湿蒸汽中液滴颗粒所占的体积百分比，是连续介质中的波数，是两相流中的复波数，为角频率，和分别表示湿蒸汽两相流中与频率有关的声衰减系数和声速，n为级数阶数，实际使用中选20；

5）、计算湿蒸汽区液滴颗粒的体积浓度：得液滴粒径值后，基于理论模型，根据步骤4）中理论表达式绘制声衰减值与湿蒸汽区液滴颗粒的体积浓度的理论图，呈单调趋势，并且一一对应，根据步骤3）求得实验的声衰减值代入理论曲线，从而可以得到体积浓度值；

6）、计算湿蒸汽区的湿度值：此时可根据下式计算：

 

式中，是液滴颗粒的体积浓度，为测量区域下的温度对应的饱和水蒸气的密度值，为测量区域下的温度对应的饱和水的密度值。