（热能工程专业论文）汽轮机组微波谐振腔湿度测量方法实验研究.pdf

华北电力大学博士学位论文摘要 摘要 在大型火力发电厂中，汽轮机内蒸汽湿度、透平油中含水率和氢冷发电机中氢 气湿度都直接影响着机组的安全经济运行。凝汽式汽轮机的末几级工作在湿蒸汽 区。湿蒸汽会对汽轮机运行带来湿汽损失和叶片侵蚀两方面的问题。透平油含水率 过高会使油的抗乳化度降低而失去润滑性能，不能在轴承内形成稳定的油膜，引起 轴颈和轴承的非正常磨损、“烧瓦”、“抱瓦”等事故。氢冷发电机内氢气湿度增大， 将导致发电机定子绝缘及金属结构件腐蚀，严重时造成接地或相间短路等重大事 故。因此，蒸汽湿度、透平油中含水率和氢气湿度准确测量与确定是一个重要的研 究方向，对机组的安全经济运行提供帮助与指导。 本文以微波谐振腔微扰测湿技术应用研究为课题，主要在汽轮机排汽湿度、透 平油含水率和发电机冷却氢气湿度检测技术和实验研究两个方面开展研究工作。 分析了汽轮机排汽、透平油和湿氢气的介电特性，分别导出了含湿介质等效介 电常数与介质湿度关系的表达式；提出了基于微波谐振腔微扰技术测量汽轮机透平 油含水率的微波谐振腔微扰法，阐述了该测量方法的原理；确定了适用于测量介质 湿度的谐振腔类型、谐振腔工作模式、导出了选定谐振腔类型和工作模式的谐振腔 频偏与介质湿度的关系。 研究了微波谐振腔微扰法测湿技术实现及测量装置研制中的一些关键问题。对 微波谐振腔测湿装置进行了设计，根据微波频段不同波长与水的介电常数对应关系 及工作波长对谐振腔尺寸的要求确定了工作频率；谐振腔作为测量装置的传感器， 是测量装置的关键部件，其结构及电磁特性优劣对测量精度有很大影响，借助 a n s o f th f s s 软件对谐振腔的结构进行了优化设计；对设计的谐振腔进行了高频 电磁特性分析。 设计了汽轮机排汽湿度在线测量系统并安装在保定热电厂2 0 0 m w 机组；对该系统采 样装置进行了设计工况下的模拟计算，确定了采样位置与实验测量方法。设计、搭建透 平油实验系统，为研究谐振腔温度与频偏的关系、透平油含水率与频偏的关系提供了实 验平台。 利用自建实验系统，实验得到了透平油测量谐振腔温度与频偏的关系曲线( 谐 振腔温度漂移补偿曲线) 、拟合并得出了关联公式；进行了透平油含水率与谐振腔 频偏关系实验，分析了影响测量的主要因素；并对含水透平油电学特性进行了实验 与分析；进行了汽轮机排汽湿度在线测量工业试验，测量结果稳定，实验工况下，与 现场真空状态相比，谐振腔频偏基本稳定在1 1 3 k h z ，实验表明，谐振腔测湿方法可行。 关键词：汽轮机组湿度测量微波谐振腔实验 华北电力大学博士学位论文摘要。 a b s t r a c t i nl a r g ep o w e rp l a n t ，w e ts t e a mi nt u r b i n ea n dw a t e ri n t u r b i n eo i la n dw e th y d r o g e n nnh y d r o g e n - c o o l e dg e n e r a t o rw i l ld e c r e a s es a f e t ya n de c o n o m i co ft u r b i n eg e n e r a t i n gu n i t t h el a s ts e v e r a ls t a g eo fc o n d e n s i n gs t e a mt u r b i n e ，t h ep r e s e n c eo fw e ts t e a ml e a d st o p r o b l e m so fb l a d ee r o s i o na n dl o s s e si nt u r b i n ee f f i c i e n c y h i 曲l e v e lw a t e rr a t i oi nt u r b i n eo i lw o u l di n t r o d u c et h eo i ld e m u l s i b i l i t yr e d u c e d ，a n d t h e nt h el u b r i c a t i o np e r f o r m a n c ea n ds t a b l et h i c ko i lf i l mc a n tb ef o r m e d t h ea b n o r m a lw e a r o f j o u r n a la n db e a r , b u r n i n gt i l ea n d 抱瓦w o u l d o c c u r h i g hw e t n e s si nh y d r o g e no fh y d r o g e n c o o l e dg e n e r a t o rw o u l di n t r o d u c ec o r r o s i o no f g e n e r a t o rs t a t o ri n s u l a t i o na n dm e t a ls t r u c t u r e s e v e nc a u s em a j o r a c c i d e n ts u c ha sg r o u n d i n g a n di n t e rp h a s es h o r tc i r c u i t s ot h ea c c u r a t em e a s u r e m e n to fs t e a mw e t n e s sa n dw a t e rr a t i oa n dw e t n e s si nh y d r o g e n i sai m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o nw h i c hc a np r o v i d eg u i d i n gf o rs a f ea n de c o n o m i co p e r a t i o n o f u n i t w e t n e s sm e a s u r e m e n tb yt h em e t h o do fm i c r o w a v er e s o n a n tc a v i t yp e r t u r b a t i o ni s s t u d i e di nt h ep a p e r r e s e a r c hi sf o c u s e do nd e t e c t i o nt e c h n i q u ea n de x p e r i m e n t a ls t u d yf o r t u r b i n ee x h a u s tw e t n e s sa n dw a t e rr a t i o ni nt u r b i n eo i la n dw e t n e s si nh y d r o g e no f h y d r o g e n - c o o l e dg e n e r a t o r t h ed i e l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c so ft u r b i n ee x h a u s ta n dt u r b i n eo i lw i t hw a t e ra n dw e t h y d r o g e ni ss t u d i e d t h ee x p r e s s i o no fr e l a t i o n s h i pb e t w e e na q u i f e rm e d i u me f f e c t i v ep e r m i t t i v i t ya n d m e d i u mw e t n e s si sd e r i v e d am e t l l o do fw e t n e s sm e a s u r e m e n tb a s e do nm i c r o w a v er e s o n a t o r p e r t u r b a t i o ni sp r e s e n t e d t h em e a s u r e m e n tm e t h o dp r i n c i p l ei sd e s c r i b e d ，a n dt h ec o i n c i d e d r e s o n a t o rt y p ea n dw o r k i n gm o d ef o rd i f f e r e n tw e t n e s si sd e t e r m i n e d ，a n dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nf r e q u e n c yo f f s e ti nr e s o n a t o rw i t hc h o s e nw o r k i n gm o d ea n dm e d i u mw e t n e s si s d e r i v e d k e yp r o b l e m so ft h i s m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yi nt h em i c r o w a v er e s o n a n tc a v i t y p e r t u r b a t i o nm e t h o di m p l e m e n t a t i o na n dm e a s u r e m e n td e v i c ed e v e l o p m e n ta r es t u d i e d w h e n d e s i g n i n gt h em i c r o w a v er e s o n a t o rp e r t u r b a t i o n ，t h ew o r k i n gf r e q u e n c yi sd e t e r m i n e db a s e d o nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i f f e r e n tw a v el e n g t ha n dw a t e rd i e l e c t r i cc o n s t a n ta n dt h e r e s o n a t o rp r o p e rs i z ea c c o r d i n gt ot h ew o r k i n gw a v el e n g t h a st h es e n s o ro fm e a s u r e m e n td e v i c e ，t h er e s o n a t o ri st h ek e yp a r t so fm e a s u r i n gd e v i c e ， i t sc o n s t r u c t i o na n de l e c t r o m a g n e t i c p r o p e r t yi si m p o r t a n tt om e a s u r i n ga c c u r a c y , r e s o n a t o rc o n s t r u c t i o ni s o p t i m u md e s i g n e db ya n s o f th f ss ，a n dt h eh i g hf r e q u e n c e e l e c t r o m a g n e t i cc h a r a c t e r i s t i co ft h er e s o n a t o ri sa n a l y s e s o n - l i n et u r b i n ee x h a u s tw e t n e s sm e a s u r e m e n ts y s t e mi s d e s i g n e da n di n s t a l l e do nt h e 2 0 0 m wu n i ti nb a o d i n g p o w e rp l a n t t h ed e s i g nc o n d i t i o no fs a m p l i n gd e v i c ei s n u m e r i c a ls i m u l a t e d ，a n dt h es a m p l i n 址 l o c a t i o na n dm e a s u r e m e n tm e t h o di sd e t e r m i n e d t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mo ft u r b i n eo i li s d e s i g n e da n dp u tu pw h i c hp r o v i d ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o rs t u d y i n gt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nr e s o n a t o rt e m p e r a t u r ea n df r e q u e n c yo f f s e t ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nw a t e rr a t i o i nt u r b i n eo i la n df r e q u e n c yo f f s e t u s i n gt h es e l f - b u i l d i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e m ，t h ec u r v eb e t w e e nr e s o n a t o rt e m p e r a t u r e a n df r e q u e n c yo f f s e ti so b t a i n e db ye x p e r i e n c e t h ec o r r e l a t i o nf o r m u l a sa r eo b t a i n e db v s m o o t hc u r v ef i t t i n g t h ew a t e rr a t i oi nt u r b i n eo i l a n df r e q u e n c yo f f s e th a sb e e n e x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d t h em a i nf a c t o r sa r ea n a l y z e d e l e c t r i c a lp r o p e r t i e so ft u r b i n eo i l w i t hw a t e rh a v eb e e ne x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d i n d u s t r i a lt e s tf o rt u r b i n ee x l l a u s t s 、v e t n e s s o n 。l i n em e a s u r e m e n ts y s t e mp r o v i d e das t a b l er e s u l t i nt h e e x p e r i m e n t a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ， f r e q u e n c yo f f s e tk e p tas t a b l ep o p u l a t i o ni n10 0k h za c c o r d i n gt ot h ev a c u u ms t a t ei nf i e l d t h ee x p e r i e n c es h o w st h em o i s t u r ec o n t e n tm e a s u r e m e n ti sf e a s i b l e k e yw o r d ：t u r b i n e ；w e t n e s s ；m e a s u r e m e n t ；m i c r o w a v er e s o n a t o r ；e x p e r i e n c e i l l 主要符号表 主要符号表 电场强度 磁场强度 相对介电常数 磁导率；动力粘性系数 贝塞尔函数 贝塞尔函数一阶导数 谐振频率 谐振波长 湿度 级组压比 压力 密度 速度矢量 温度 饱和温度 时间 直角坐标系中的速度分量 谐振腔反射系数 谐振腔长度 谐振腔半径 谐振角频率 喷管横截面积 喷管喉部截面积 颗粒表面积 雷诺数 成核率 水滴生长率 凝结潜热 质量凝结速率 水滴数 水滴半径 二阶维里系数 i v v m a m h m ；n s m 2 h z m p a k g m 3 m s k k s m s m m r a d s m 2 2 m 2 m 1 ( k g s ) m s j k g 1 s 1 k g m m 3 k g e日q厶厶兀厶y f p p u 丁t ， 秒 - - 口 缈k，肚砌 厂b 州l ，4 咖 华北电力大学博士学位论文 c d k 。 朋m r c p y 七 名 丁 p 盯 g 。 口 p 唱 q q 。 n 也 m a e g ，咒 8 下标： g l c v p 三阶维里系数 m 6 k 9 2 四阶维里系数 m g k 9 3 波尔兹曼常数 j k 水分子质量 k g 气体常数 j ( m o l k ) 比热 j ( k g k ) 气体比热比 一 热传导系数w ( 1 1 k ) 临界液滴半径m 过冷度 k 膨胀速率 一 表面张力系数n m 凝结系数 一 液滴生长校正系数；对流传热系数 一：w m 2 k 普朗特数 一 加热量 j k g 临界加热量j k g 蒸汽的摩尔流率 k m o l m 2 s 传质系数 m s 马赫数 一 气相总能：j m 3 质量k g 材料线胀系数l 汽相 液相 对流项；临界 粘性项 颗粒 v l 士= l = i明明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文汽轮机组微波谐振腔湿度测量方法实 验研究，是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不 包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。 签名孓翌逖垂日期：幽耋! z 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：弋p 中对石霍作者签名：寸型盘 日 期：趁迢：主：! 罗 导师签名： 日 期： 私侈r 华北电力人学博十学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 电力工业是现代化国家的基础工业之一，汽轮发电机组在电力工业占有重要地 位。美国能源部信息管理局发布的国际能源展望2 0 0 6 9 预计，全世界发电装机容 量将从2 0 0 3 年的3 7 1 亿千瓦增加到2 0 3 0 年的6 3 4 9 亿千瓦。其中，煤电装机容量 将从1 1 1 9 亿千瓦，增加到1 9 9 7 亿千瓦：核电装机容量将从3 6 1 亿千瓦增加到4 3 8 亿千瓦。另据中国电力企业联合会于2 0 0 9 年1 月7 日发布的2 0 0 8 年全国电力工 业统计快报显示，截止2 0 0 8 年底，我国发电装机容量达到7 9 2 5 3 万千瓦。其中， 火电达到6 0 1 3 2 万千瓦，约占总容量7 5 8 7 ：水电1 7 1 5 2 万千瓦，约占总容量2 1 6 4 ； 核电装机容量是8 8 5 万千瓦，占总装机容量的1 2 4 。在今后相当长的一段时间内， 汽轮发电机组仍将作为电力工业的主要装置。 在大型火力发电厂中，汽轮机内蒸汽湿度、透平油中含水率和氢冷发电机中氢 气湿度都直接影响着机组的安全经济运行。 常规电厂凝汽式汽轮机的末几级和核电汽轮机的所有级都工作在湿蒸汽区。湿 蒸汽使得工作于湿蒸汽区的透平级效率降低，另外，湿蒸汽中的水分会对汽轮机动 叶产生侵蚀与冲击，使叶片表面变的粗糙、出现凹坑，威胁汽轮机的安全运行【l 。j 。 透平级内的蒸汽湿度与湿汽损失和动叶侵蚀具有密切关系【3 4 】，级内蒸汽湿度大小及 分布的准确确定，是深入研究汽轮机内湿蒸汽问题的前提条件。同时，蒸汽湿度的 准确确定，也有助于确定透平级效率，准确了解运行于湿蒸汽区级的工作状态，为 汽轮机的安全经济运行提供指导以及为透平的优化设计、结构改进提供参考。 机组透平油系统承担着机组控制、润滑、冷却、密封的任务。由于机组系统结 构复杂、运行工况变化频繁，导致机组运行过程中透平油中进水不可避免。油中含 水率过高会使油的抗乳化度降低而失去润滑性能，不能在轴承内形成稳定的油膜， 引起轴颈和轴承的非正常磨损、“烧瓦 、“抱瓦”等事故；而且，在金属表面会发 生不同程度的锈蚀，严重时会导致调速系统卡涩，甚至被迫停机【9 】。透平油含水量 准确及时的确定，有助于了解汽轮机油系统的工作状态，为提高机组可用小时率及 汽轮机安全经济运行提供保障【1 0 3 1 。 由于补氢、内冷水渗漏以及密封油中的水在密封瓦中蒸发进入氢气，会使发电 机内氢气湿度增大，从而将导致发电机定子绝缘及金属结构件腐蚀，严重时造成接 地或相i 日j 短路等重大事故，有关资料表明，在l9 8 3 19 9 5 年期间，仅在国产2 0 0 m w 氢冷发电机中，就有2 0 台机组共发生了2 4 台次定子绕组短路事故，其中在1 9 8 7 1 9 9 2 l 第一章绪论 年期间，在1 4 台机组上发生了1 8 台次的短路事故【l4 1 ，这些事故的诱发因素与发电机 氢气湿度过高有紧密联系。随着电力工业不断的发展，单机容量不断增大，1 0 0 0 m w 及1 2 0 0 m w 的氢冷机组相继投产，运行氢压提高n o 4 0 6 m p a 或更高。运行时氢压 增加，单位体积内氢气绝对湿度伴随增大【l 引，将使得发电机通风损耗增大，降低发 电机的效率。据美国g e 公司资料，一台运行氢压为o 5 m p a 、容量为9 0 7 m w 的氢冷 发电机，其氢气纯度从9 8 降到9 5 时，摩擦相和通风损耗大约增7 b 1 1 3 2 ，即相当于 损失6 8 5 k w 。一般情况下，当机壳内的氢气压力不变时，氢气纯度每降低1 ，其通 风摩擦损耗约增加1 1 t 1 6 j 。美国g e 公司t i l l 9 0 7 3 技术通报指出，发电机护环钢使 用1 8 m n 5 应六年进行一次更换。不计发电量的损失，仅更换一对电机护环就需要一 百多万元。因此，准确测量氢气湿度并及时排除氢气中的水分，对保证发电机长期 稳定的安全经济运行具有重要意义。 目前，由于高参数、大容量火电机组相继投产运行，对电网的稳定、机组的安 全运行与节能降耗提出了更高的要求，因而，湿度的在线检测对汽轮机组安全经济 运行具有重要的意义。 近年来，测量技术的发展，推动了汽轮机蒸汽湿度、油中含水率和氢气湿度测 量方法的研究，对提高透平设计水平和机组的安全经济运行起到了重要作用，但还 不能满足生产实际的需要。随着电子计算机技术、测量技术和信号分析处理技术的 迅速发展，给我们的研究提供了新思路和新方法。 1 2 汽轮机蒸汽湿度、透平油含水率和氢气湿度测量技术的研究进展 1 2 1 汽轮机排汽湿度测量 自上世纪七十年代以来，蒸汽湿度测量技术发展很快，主要测量方法有：热力 学法、光学法、放射性同位素法、示踪法、机械分离法等i 。2 1 1 。选取怎样的测量方 法主要取决于湿蒸汽流，尤其是湿蒸汽流中的液相部分的特点。机械分离法和示踪 法用于对粗糙水的测量。现有的方法中，适宜于对汽轮机内蒸汽湿度测量的是热力 学法和光学法【1 7 - 2 引，也是研究和采用最多两类方法。下面主要论述这两类测量方法。 热力学法的基础是热力学原理，主要有【l7 】：节流法、凝结法、蒸汽一空气混合 法、加热法等。 节流法的原理是将抽取的试样节流到较低的压力，使节流后的蒸汽处于过热状 态，根据节流前后焓值不变条件求出取样蒸汽的湿度值。由于节流后压力低限的限 制以及为保证节流后的蒸汽为过热状态，因此节流法不宜用来测定低压区及湿度大 于8 的湿蒸汽。一般凝汽式汽轮机的排汽压力较低，湿度也相对较大，故节流法 不适合用于汽轮机排汽湿度的测量，而且由于热损失以及湿蒸汽膨胀后不能完全混 2 华北电力大学博士学位论文 合会引起误差。 凝结法是将被抽取的湿蒸汽试样在冷凝器中凝结成水，根据冷凝器中冷却水所 吸收的蒸汽凝结热量计算出所抽取的湿蒸汽的湿度。凝结法中，需要对湿蒸汽的取 样流量、冷却水量、水温等多个参数进行测量，会产生较大的测量累积误差，同时 散热损失也会影响测量的准确性，故测量精度较低。 蒸汽一空气混合法是将被抽取的试样在一混合室中与外界引入的干空气在绝 热条件下混合，根据质能守恒方程，求出抽取试样的湿度。测量时要求保证湿蒸汽 试样与干空气混合后的空气中的水分含量尚未达到饱和，因此需要大量的热空气， 这就要求在测量现场配置一台容量很大的真空泵，限制了在现场的应用。 加热法是将抽取的饱和湿蒸汽试样加热到干饱和状态或过热状态，测量出蒸汽 试样的流量，根据试样的吸热量以及加热前后的试样热力参数变化，计算出湿蒸汽 的湿度。与凝结法类似，加热法同样需要对取样流量、加热量、蒸汽参数等多个参 数进行测量，测量累积误差和散热损失是影响测量精度的主要问题。 按热力学原理设计的蒸汽湿度测量装置通常又称为量热计，自上世纪前半叶开 始，一些国家的学者先后研究了热力学法的有关测量技术，并设计出了几种不同类 型的量热计。如德国研制的节流式量热计【2 3 1 ，曾用于b i b l i s l 3 0 m w 核电站蒸汽透平 中蒸汽发生器出口处湿蒸汽湿度的测量；英国g e c 研究所研制的凝结式量热计1 2 4 j ： 德国汉诺威工业大学所研制的用于3 6 5 m w 及5 1 5 m w 汽轮机排汽蒸汽湿度测量的 蒸汽一空气混合式量热计【l7 】；英国电力中心实验室( 简称c e r l ) 研制的过热式量热 计【25 】等。在国内，也有一些单位开展了热力学法测量蒸汽湿度的研究，西安热工研 究院对多级节流孔板的节流式湿度测量方法进行了研究【26 】：西安交通大学和东北电 力学院对加热法进行了研究，西安交通大学李炎锋等在c e r l 研制的过热式量热计 基础上，对加热管结构和加热方式进行了改进，减少了测量中的由于散热产生的误 差，提高了测量的精度【27 】；东北电力学院杨善让教授领导的课题组提出了测量蒸汽 湿度的定容加热法并研制了出了测量设备【2 8 1 ，这种方法将传统的定压加热改为定容 加热，蒸汽湿度的计算不用依赖热平衡，而只需测量饱和蒸汽试样初、终态的温度 和压力，因此不必对加热过程中蒸汽的吸热量测量，避免了散热因素对测量结果的 影响，而且也不用测量蒸汽流量，简化了测量装置，同时由抽吸取样改为捕获取样， 减小了对被测气流的干扰，降低了取样环节的误差。不足之处是：捕获取样时有机 械动作，长期使用会产生磨损，而且密封垫圈在多次取样加热测量后也很容易失去 密封作用，装置的密封问题不好解决。 热力学法中，比较而言，凝结法和加热法是相对较适合于现场测量汽轮机内流 动湿蒸汽湿度的两种方法。热力学法都需要首先从汽轮机内的主汽流中抽取部分试 样，然后引向测量段进行测量，因此其测量精度不仅取决于对抽取试样的测量环节， 第一章绪论 还受试样抽取环节的影响。此外，热力学法的测量系统复杂、需要测量的参数多， 也不利于现场测量中使用。 光学法测量蒸汽湿度是建立在光的散射原理基础上的，当光线通过含有水滴的 湿蒸汽流时，受蒸汽水滴光散射效应的影响，一部分光线产生散射现象，透射光强 将小于入射光强。通过测量湿蒸汽对光的散射或衰减从而测出湿蒸汽中水滴直径及 蒸汽湿度。光学测量法主要分为两类：角散射法和全散射法( 或称为消光法) 。角散 射法是通过测量水滴在某一角度下的散射光强或某一空间立体角内的散射光通量， 然后按m i e 理论对测量数据进行处理求得被测汽流中水滴平均直径、水滴数量，进 而求得蒸汽湿度。全散射法是通过测量湿蒸汽对入射光的衰减来确定水滴平均直径、 水滴数量和蒸汽湿度的。由于散射现象的数学处理很复杂，目前还只能对最简单的 散射情况，即不相关散射进行较为完善的数学处理，现有的研究结果表明，汽轮机 中可能遇到的湿蒸汽流中水滴之间的距离满足不相关散射所要求的距离【6 l7 1 。 自上世纪7 0 年代以来，国外一些主要的汽轮机研究和制造单位相继开展了用光 散射法测量水滴尺寸和蒸汽湿度的研究。光学法测量蒸汽湿度是通过测量水滴对光 的散射实现的，汽轮机的湿蒸汽中有自发凝结产生的一次水滴和由水膜破裂形成的 二次水滴，这两种水滴有不同的尺寸及分布特点。一次水滴粒径小、分布窄，一般 是测量其粒径分布或平均粒径，角散射法和全散射法都可采用；二次水滴尺寸较大， 粒径分布也很宽，无法用消光法只能用角散射法测量，一般是测量单个水滴的大小 及沿叶高不同位置水滴尺寸的分布。因此，在光学法测量汽轮机内蒸汽湿度技术中， 又分对一次水滴和二次水滴的测量。 近年来一次水滴的测量技术有了很大的进展，在国外，前苏联莫斯科动力学院 和德国阿亨工业大学所研制出了角散射式光学探针【l7 1 ，美国的西屋公司、瑞士的 b b c 公司采用单色光研制出了测量探针【29 3 0 】，英国c e r l 公司研制了以可见光为 光源的全散射式光学探针f 3 。美国国家电力研究f 3 引、捷克布拉格工大【3 引、英国g e c 公司【3 4 1 、美国的通用和西屋公司、日本三菱及意大利e n e l 等也都进行了这方面的 研究。一次水滴的测量技术已在科学研究中得到了应用，文献d5 3 6 j 用光学法测量拉 法尔喷管中水滴直径来验证已有的各种蒸汽凝结理论，m o o r e 等用光学法对透平中 和拉法尔喷管中凝结过程的区别进行了研究【3 7 ，3 引。在欧共体的资助下，目前意、德、 法、中正在合作进行现有消光法测量水滴技术的改进和发展i ) 引。在国内，上海理工 大学【4 0 4 2 】、西安交通大学1 4 3 】和厦门大学等对光学测量法进行了研究，其中上海理 工大学研制出的测量探针，不但可以测量水滴直径和蒸汽湿度，而且还能同时测量 汽轮机内流场，该探针曾用来在2 0 0 m w 和3 5 0 m w 机组上对汽轮机排汽进行了测 量【4 。 有关二次水滴的理论非常有限，二次水滴的流动状况又远比一次水滴复杂，目 4 华北电力人学博士学位论文 前人们对二次水滴的大小、速度和所占的份额等都还不清楚。利用光学方法对二次 水滴测量研究的主要有德国阿亨工业大学【45 1 、日本东芝公司【4 6 1 和b o h n t 4 7 1 ，他们利 用角散射法来测量二次水滴，最大可测量直径为2 4 1 t m 。除光学法外，人们还发展 了许多其它的方法测量二次水滴，如文献【4 8 】依据水滴搭接在相距微小距离的两个针 尖时发生导电的原理，提出了用针状探头测量二次水滴的方法，该方法只限于测量 直径大于5 0 p , m 的水滴；捷克s k o d a 公司采用氧化镁薄膜法【4 9 1 ，通过测量水滴撞击 在氧化镁薄膜表面上的印痕来得到水滴的直径，这种方法对于直径大于1 0 p m 水滴 的测量是可靠的；法国电力 吾j ( e d f ) t 5 0 】利用激光全息技术测量二次水滴的大小和速 度，这种方法只是用于低浓度的情况，设备也较复杂：法国电力局1 4 9 】还开发了高速 摄影和频闪摄像技术，可测量直径1 0 p , m 以上的水滴，d o b k e s ”】也采用了这种方法； 美国、英国和捷克等【3 4 , 4 9 , 5 2 】国学者先后发展了捕捉罐法来测量二次水滴，将卷紧的 滤纸作为吸收剂暴露在湿蒸汽中取样，然后称重，计算二次水滴的质量，这种方法 只能给出二次水滴的总量，不能测量水滴的直径。 近年来，我国上海理工大学的蔡小舒等【5 3 利用消光法测量一次水滴、光脉动法 测量二次水滴，研究出了能同时测量湿蒸汽两相流中一次水滴、二次水滴和流场的 集成化探针。光脉动法测量二次水滴的原理是，当一颗二次水滴流过测量区时，会 造成透射光强的短暂变化，产生一个脉冲信号。由于一次水滴的数目非常大，衰减 的光信号基本上保持不变，因此大幅度变化的脉冲信号是二次水滴通过测量区时的 信号。这种脉冲信号的幅值与二次水滴直径和测量光束的比值有关，而脉冲信号的 宽度则与水滴的速度有关。只要得到它们之间的关系，便可根据光强信号瞬间减小 产生的尖脉冲的高度和宽度计算出水滴的直径和速度。该探针曾用于对捷克 p r u n e r o v 电厂和利港电厂3 5 0 m w 机组末级叶片后的湿蒸汽两相流进行测量。 与热力学方法相比，光学测量法不需要抽吸取样，需要测量的参数少，系统也 较简单，除能得到蒸汽湿度外，还能得到一、二水滴的直径分布，用于测量汽轮机 内湿蒸汽两相流具有一定的优势。但光学方法要真正推广应用于在线测量还受到一 些限制，第一，光学法成功的关键之一在于保持光学窗口的洁净，目前普遍采用通 暖空气来保持窗口表面不与油污和水接触【2 3 - 2 5 , 2 8 】，如果光学窗口较长时间暴露在测 量汽流中，其表面受到污染是难以避免的，对测量环境的严格要求限制了其在实际 中的应用：第二，光学法测量蒸汽湿度时，需要对一次水滴和二次水滴分别测量， 一次水滴的测量技术已基本成熟，但对二次水滴还没有成熟的测量技术。如仅对一 次水滴测量，忽略湿汽中的二次水滴，由于水滴的质量与直径成三次方的关系，其 测量结果必然低于真实值。即使可以对二次水滴测量，由于光学测量窗口很小，而 二次水滴分布的不均匀性又很大，将可能造成较大的取样偏差，使测量结果的误差 较大。 第一章绪论 蒸汽湿度测量的热力学法和光学法对开展汽轮机内湿蒸汽流的研究发挥了很 大作用，尤其是光学法得到了人们的日益重视，但用于汽轮机内蒸汽湿度在线测量 两种方法都受到一些限制。到目前为止，还没有一种适用于在线测量汽轮机内蒸汽 湿度的方法。 1 2 2 透平油含水率( 湿度) 测量 水在汽轮机油中的存在可分为悬浮水、溶解水、沉积水三种形态，随机组负荷、 温度、压力等参数的变化各种油水混合形态可以相互转化。透平油中含有微量( 几 百p p m ) 的游离水分就可引起汽轮机油的乳化变质，对2 0 0 m w 及以上的机组，透平 油水分要求不大于l o o m g l 【5 4 1 。因此，要求汽轮机油含水量测量方法具有十万分之 一以上的精度。汽轮机油水分含量在系统的不同地方差别很大，随着汽轮机负荷的 不同油中含水率也会发生变化。 透平油含水量的测量方法很多，各种测量方法都是基于透平油的某些物理化学 性质与其含水量之间的关系，例如透平油的密度、色谱、介电常数、测量射线的衰 减程度、光照的散射和反射强度等都与透平油的含水量相关。当油中含水量不同时， 以上这些参数中的一个或几个随之发生变化，测出这些参数的变化，就可间接地知 道被测透平油的含水量。下面将对透平油含水量测量方法进行介绍。 一般来说，油中含水量的测量法分为离线测量方法和在线测量方法两大类。 离线测量方法主要包括库仑法、色谱法、气体法、蒸馏法等。 库仑法【55 】是电量法同卡尔费休滴定法相结合的一种方法。当油中含水时，滴定 液中的碘被二氧化硫还原，在吡啶和甲醇存在的情况下，生成碘氢酸吡啶和甲硫酸 氢吡啶；在电解过程中，产生的碘又与试油中的水分反应生成碘氢酸，直至全部水 分反应完毕为止。此方法有较高的精度，可达到l p p m 。但测量精度受温度、湿度、 油的粘度等因素的影响，其误差一般在5 l o p p m 。该方法的测试设备较昂贵，测 量速度缓慢，不能用于在线测量。 气相色谱法【56 】是将一定量的油样中的水分在汽化室内汽化后，随载气进人高分 子微球固定相中进行分离，然后用热导检测器进行检测。该方法操作简单，工作人 员勿需接触大量有毒化学药品，环境污染小，可以测定汽轮机油中的微量水分，但 仪器达到稳定的时间较长，测量的重复性差。 爆破试验法【5 5 】是将试油加热至规定的温度，用听响声的方法判断油中有无水 分，一般用于检验汽轮机油产品中有无水分。此方法可测定油中低至1 0 0 p p m 的游离 水的含量，但该方法只是一种定性的检测方法。 蒸馏法【5 5 】是将试油与无水溶剂混合，用蒸馏法测定其水分含量。该方法的测量 下限为3 0 0 p p m 且误差较大。 6 华北电力大学博士学位论文 气体法【5 6 】是利用油中的水分与钙的氢化物互相反应时逸出氢气的原理：用仪器 测量钙的氢化物与溶解在一定剂量的被试油中的水分互相反应时所逸出的氢气的体 积，再由此来计算出油中的微水含量。在测量逸出气体的体积时，必须考虑气体体 积因主容器中温度变化而变化的修正值。该方法时间较长，不能满足在线测量的要 求。 离线测量方法中，比较而言，库仑法和气相色谱法是相对较适合于测定汽轮机 油中的微量水分，这也是目前电厂最常用的两种方法。总的来讲，离线测量方法存 在以下缺点：需要取样化验，不能连续监测油- 中含水量的变化；化验程序复杂，时 间较长，费时费力，效率低。 目前，在线测量含水分析仪有许多种类，根据其工作原理的不同，常用的在线 油中含水分析仪主要分为以下几种：密度法、电容法、射线法、射频法( 短波吸收 法) 、微波衰减法等。 密度测量法【5 7 】是用在线振动式密度传感器测取油水混和液的密度值，当振管体 积一定、水的密度和油的密度一定时，质量含水率就只与混合液的密度有关。混合 液的质量含量是在线混合液的密度函数，当混合液流过传感器时，振管的共振频率 随密度不同而不同，通过测量周期( 频率) 即可确定液体密度。但是当油液含水较低 时，油的密度与混合液密度相近。密度测量的微小误差会造成含水测量误差增大， 因此，该方法主要应用于原油的含水量测量，不适用于较低的油液含水测量，一般 来说含水低于2 0 不宜使用 5 7 1 。 电容法：由于油和水的介电常数差异较大，当油液在两个同轴电极之间流过时， 油中水含量的多少会引起介电常数的相应的变大或减小，进而导致两极板间电容的 改变增高，而电容的变化会引起振荡频率的变化，该振荡频率代表介质中的含水率， 通过测量振荡频率就可以测量管道中介质的含水值。电容法测量中应用较多的是聚 酰亚胺电容式湿度传感器。油中含水量的变化导致聚酰亚胺薄膜吸附水分子数量相 应变化，从而引起聚酰亚胺薄膜相对介电常数变化，从而监测油中含水量的变化。 同时，通过温度校正，可以得到实际的油中微水含量1 58 6 l l 。目前该类型测量仪器主 要以芬兰维萨拉v a i s a l a 公司、加拿大d e l t a 公司、加拿大a d i 企业、哈尔滨电子技 术研究所等的产品为代表。该类在线油中微水分析仪，油中水可测范围：o l 和 0 - 5 0 ，分辨率最高可达n o 0 0 1 。但在实际应用中由于聚酰亚胺薄膜与油液之间 存在一个水分的动态平衡，所以该类产品在使用过程中有5 1 0 分钟的延迟，而且传 感器易老化，杂质、油污对测量精度影响明显。另外，调理电路往往受寄生电容和 环境变化的影响而难以实现高精度测量1 6 2 l 。 射线法 6 3 , 6 4 】：放射性同位素放出低能射线，当它穿过介质时，其强度要衰减， 且衰减的大小随介质的不同而不同，即取决于介质对射线的质量吸收系数和介质的 7 第一章绪论 密度。由于油和水对于射线的线性吸收系数明显不同，利用两种介质对同一射线的 线性吸收系数的差别来确定油水混合物的含水率。该测量方法属于非接触式测量仪 表，不受油液流态的影响，其含水率测量范围在：1 1 0 0 ，精度可以达至u - 4 - 1 0 ， 主要应用于原油中的水分测量，其含水率测量范围不能满足透平油的监测需要。另 外，尽管该类仪表是低剂量同位素工业仪表，仍然需要采用严密的辐射屏蔽，确保 环境和工作人员的绝对安全。 射频法【56 】也叫短波吸收法，是基于射频阻抗理论，把含水的油作为电介质，由 被测油水混合液对射频信号呈现的阻抗特性，即测量其介电常数的变化来反映油中 的含水量。由于油和水的介电常数两者相差甚大，因而所呈现的射频阻抗特性不同。 当射频信号传到以油为介质的电容式射频传感器负载时，该负载阻抗随着混合液中 不同的油水比而变化。中国计量院和美国d e 公司等有该类产品，目前该类仪器主要 应用于原油中2 以上水分的测量，不适宜于测量透平油的微水测量。 微波法衰减法【65 】是利用微波通过物质时被吸收而产生微波能量衰减的原理制成 的。由于水分对微波的吸收系数与油品对微波的吸收系数之比达7 5 ：1 ，当对油品施 加高频电场时，因吸收的差异，会影响高频电场的相位和幅度，影响的程度与水分 含量有关。如专用于原油含水化验的h b d 5 m s l 2 0 4 型油品水分快速测试仪可以测量 含水大于2 0 0 1 0 0 0 p p m 之间的油样。 油中含水率的离线和在线测量方法在不断的研究、发展，但还都存在着不足： 离线测量方法不能及时检测，通常在透平油中含水量超过标准很多时才采取净化措 施，不仅影响了透平油的使用寿命，也对机组安全运行造成了危害：在线测量方法 目前主要应用于原油的测量，其精度尚不能满足透平油微水含量的在线测量方法。 1 2 3 氢气湿度测量 氢气具有密度小，热容量大，摩擦损失小的特点，因而氢气用在发电机的冷却 技术上取得了显著的效果