CN101819146A - 非接触式汽轮机蒸汽湿度和水滴直径的测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种非接触式汽轮机蒸汽湿度和水滴直径的测量方法及其装置，将激光器和CCD相机分置于汽轮机低压缸的观察窗口两侧，并固定在二维转台上，以便能够精确调节入射光线与CCD光轴之间的夹角；让入射光与CCD光轴之间保持一定角度，以便能够从强入射光中分离出微弱散射光，使CCD相机能够探测到微弱的散射光信号；调节入射光与CCD之间的夹角，使之保持一定角度；测量0°～10°范围内的激光对蒸汽的散射光强，根据光强的分布和激光散射理论等相关知识，计算出汽轮机低压缸中蒸汽湿度和水滴直径分布。该装置包括激光器、CCD相机、计算机和二维转台。本发明具有自动化程度高、测量精度高、适用范围广、测量效率高、可进行在线测量等优点。

Description

非接触式汽轮机蒸汽湿度和水滴直径的测量方法及其装置

技术领域

本发明涉及流动湿蒸汽湿度测量领域，尤其涉及一种汽轮机蒸汽湿度和水滴直径的测量方法。

背景技术

“蒸汽湿度”的存在不但降低汽轮机组的运行效率，而且会引起严重的叶片水蚀，给汽轮机组的经济性和安全性带来很大的危害。因此，水滴颗粒直径和浓度等参数的测量是湿蒸汽问题及电站机组运行控制中亟待解决的课题。

近几十年蒸汽湿度测量技术的研究逐渐受到重视，自20世纪70年代，蒸汽湿度测量技术的研究才取得了较大的进展，主要的测量技术方法有：热力学法、光学法、示踪与导电法、分离法、临界速度法及利用板孔测量等。但可用于汽轮机内流动湿蒸汽湿度测量的方法主要是热力学法和光学法。热力学方法主要有节流法、凝结法、蒸汽-空气混合法、加热法等。在“热力学法”中，以英国中央电业研究实验室(CERL)在Moore的主持下研制出的CERL过热式湿度探针最为著名，并应用到汽轮机最末级湿度的测量中。“光学测量法”是建立在光的散射原理基础上的，主要分为角散射法和全散射法；上世纪70年代后，蒸汽湿度的光学法测量得到了很大的发展，由于它不仅能测量湿度，而且可以测出蒸汽中水珠的尺寸、数目和分布，因此受到人们格外的重视。现在，在光学方法中主要是应用探针进行测量，前苏联莫斯科动力学院研制了角散射式光学探针，但该探针只能测量水滴直径，而不能测量蒸汽湿度；美国西屋公司和瑞士BBC公司采用单色激光作为光源，研制了全散射式光学探针；英国CERL研制的全散射式光学探针，采用白色可见光为光源，对测量方法作了改进；在我国不少研究人员在湿蒸汽光学测量方面作了很多工作，已经研制出全散射光学湿度探针，所采用的双光束法弥补了CERL光学探针方法的不足，适合进行在线监测，曾在汽轮机上进行了末级湿度的测量。但是，上述方法也存在着不足：1、探针的测量头部仍需置于汽流中，对被测气流仍有一定的干扰作用，并非实现非接触测量，而且对测量设备和环境要求很高，这些在测量过程中就会产生一定的误差；2、探针法只能测出汽轮机级一点或一线上的蒸汽湿度和颗粒直径分布等参数，存在一定的局限性。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种自动化程度高、测量精度高、适用范围广、测量效率高、可进行在线测量的非接触式汽轮机蒸汽湿度和水滴直径的测量方法及其装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种非接触式汽轮机蒸汽湿度和水滴直径的测量方法，其特征在于，步骤为：

①、安装：将激光器和CCD相机分别置于汽轮机低压缸观察窗口的两侧并分别固定于二维转台上，所述激光器与观察窗口之间设有衰减片和孔径光阑；

②、初始化调节：首先调节激光器下的二维转台，使入射光线与观察窗口的中心线重合，记下此时二维转台的位置；然后，调节CCD相机下的二维转台，待激光器的激光光斑移到CCD相机的CCD图像中心位置，记下此时二维转台位置；

③、精确调节：调节CCD相机下的二维转台，记录当激光器的激光光斑中心刚好移出CCD相机视场边缘时二维转台的位置，然后调节激光器下的二维转台，使激光器发出的入射光线转动，确保大量散射光进入CCD相机；

④、获得汽轮机低压缸总透过率：打开调整后的激光器，用光功率计分别测量观察窗口进光口和出光口处的光强，分别记为I_入、I_出，则汽轮机低压缸总透过率为：T＝I_出/I_入；

⑤、记录散射光分布：打开汽阀，给汽轮机低压缸充蒸汽一段时间，利用CCD相机实时记录充蒸汽过程中的汽流状态变化，然后同时关闭进、排汽阀，待汽流达到稳定状态后，用CCD连续拍摄多幅图像，保存作后续处理；接着，快速调节激光器发出的入射光线，分别记录在不同散射角下的散射光分布；改变汽轮机低压缸内的工况，测量不同工况下的散射光分布；

⑥、根据光强的分布和激光散射理论，对散射光强分布进行计算和分析，计算出汽轮机低压缸中蒸汽湿度和水滴直径分布。

作为本发明的进一步改进：

所述步骤⑤中，需测量散射角为0°～10°范围内的散射光分布。

所述步骤⑤中，采用分段式测量法，通过调节激光器发出入射光的方向，将散射角测量范围分为三段，分别为2.6°～6.6°、5°～9°和8°～10°。

所述步骤①之前，首先对CCD相机进行三次以上的标定，采用多次标定的平均值来确定CCD相机的平均比例因子。

本发明进一步提供一种非接触式汽轮机蒸汽湿度和水滴直径的测量装置，包括计算机以及装设于汽轮机低压缸观察窗口两侧的激光器和CCD相机，所述激光器固定于激光器二维转台上，所述CCD相机固定于相机二维转台上，所述CCD相机通过信号线与计算机相连。

所述激光器与观察窗口之间设有衰减片和孔径光阑。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明是一种激光角散射理论与CCD(Charge Coupled Devices)技术相结合的方法，用来测量汽轮机末级蒸汽湿度和水滴颗粒直径及其空间分布，其可在线测量汽轮机末级水滴颗粒直径的分布，无需像热力学那样抽汽取样，因此不会影响汽轮机的工作；

2、本发明不仅能够测量汽轮机内单点的水滴大小及浓度，还能测量出整个末级蒸汽湿度和水滴颗粒直径分布；

3、本发明的测量速度快、测量精度高、并能实时得到测量结果，一股只需几分钟即可完成整个测量工作；

4、本发明的测量装置，自动化程度高、结构简单紧凑、成本低廉、安装操作简便、大大提高了测量效率。

附图说明

图1是本发明测量装置的原理示意图；

图2是本发明测量方法的原理示意图；

图3是本发明对CCD相机进行标定的原理示意图。

1、激光器；2、CCD相机；3、二维转台；4、汽轮机低压缸观察窗口；5、计算机；7、孔径光阑；8、观察窗口进光口；9、观察窗口出光口。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明为一种采用激光散射理论与CCD技术相结合的方法，来测量汽轮机末级蒸汽湿度及水滴颗粒直径，在本实施例中本发明方法的具体步骤为：

①、标定：测量之前，首先对CCD相机2进行多次标定，采用多次标定的平均值来确定CCD相机2的平均比例因子，标定系统如图3所示；

②、安装：把激光器1和CCD相机2分别固定在汽轮机低压缸观察窗口4两侧的精密二维转台3上，以便能够精确调节激光器1发出入射光线与CCD相机2光轴之间的夹角。测量中必须让入射光与CCD光轴之间保持一定角度，以便能够从强入射光中分离出微弱散射光，使CCD相机2能够探测到微弱的散射光信号。因此，测量的关键是精确调节入射光与CCD相机2之间的夹角，使之保持一定角度。在激光器1与观察窗口进光口8之间加入衰减片和孔径光阑7，使激光器1发出的入射光强和光束发散角限制在一定范围内。根据相关理论，在小角度范围内，水蒸汽对光的散射较为明显，随着散射角的增加，散射光强逐渐减弱。因此测量中需要测量0°～10°范围内的散射光的分布。根据计算，若CCD相机2的视场角为10°，则要求入射光与CCD光轴的夹角为5°。测量中可以通过下述两个步骤精确调节入射光线。

③、初始化调节：调节激光器1下的二维转台3，使激光器1发出的入射光线与观察窗口进光口8、观察窗口出光口9的口径中心连线重合，记下此时的二维转台3位置；然后，调节CCD相机2下的二维转台3，待激光器1的激光光斑刚好移到CCD相机2的CCD图像中心位置，记下此时的二维转台3位置；

④、精确调节：调节CCD相机2下的二维转台3，直至激光器1的激光光斑中心刚好移出CCD相机2的视场边缘，固定二维转台3，并记下其位置，此时CCD相机2转动约为2°。然后，精确调节激光器1的转台，使入射光线转动约2°36，以确保大量散射光进入CCD相机2；经过上述精确调节过程，入射光线与CCD光轴之间的夹角就可以达到测量所需要的角度。

⑤、获得汽轮机低压缸总透过率：用光功率计分别测量观察窗口进光口8和观察窗口出光口9处的光强，记为I_入，I_出，则可得汽轮机低压缸总透过率为：T＝I_出/I_入；

⑥、记录散射光分布：打开汽阀，给汽轮机低压缸充蒸汽一段时间，用CCD相机2实时记录充蒸汽过程中的汽流状态变化，然后同时关闭进、排汽阀，待汽流达到稳定状态后，用CCD相机2连续拍摄多幅图像，保存作后续处理。然后，快速调节入射光线，分别记录不同散射角下的散射光分布；接下来，改变汽轮机低压缸内的工况，测量不同工况下的散射光分布；

⑦、根据光强的分布和激光散射理论，对散射光强分布进行计算和分析，计算出汽轮机低压缸中蒸汽湿度和水滴直径分布。

本实施例中，测量中使用的CCD尺寸为1/3英寸，分辨率为656×493pixels，镜头焦距为75mm，视场角约为4°；为了能够测量0°～10°范围内的散射光分布，采用分段测量的方法，通过调节入射光方向，将散射角测量范围分为三段，分别为2.6°～6.6°、5°～9°和8°～10°。

如图2所示，图2标明了测量汽轮机低压缸水蒸汽散射光强分布的原理。图中，入射光线与光轴之间的夹角为α，象元位置N处的散射角记为β，其灰度值为g，设单位象元对应的水平角度为θ，则：

β＝N·θ    (1)

散射光强为：

I_β＝K·g    (2)

设入射光强度为I，孔径总透过率为T，则散射角β处的散射系数γ为：

$\mathrm{\γ}=\frac{I_{\mathrm{\β}}}{I\·T}=\frac{K\·g}{I\·T}---\left(3\right)$

参见图1，本发明进一步提供一种非接触式汽轮机蒸汽湿度和水滴直径的测量装置，包括计算机5以及装设于汽轮机低压缸观察窗口4两侧的激光器1和CCD相机2，激光器1固定于激光器1二维转台3上，CCD相机2固定于相机二维转台3上，CCD相机2通过信号线与计算机5相连。激光器1与观察窗口之间设有衰减片和孔径光阑7。该测量装置工作时，将采用本发明的上述测量方法。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种非接触式汽轮机蒸汽湿度和水滴直径的测量方法，其特征在于，步骤为：

①、安装：将激光器和CCD相机分别置于汽轮机低压缸观察窗口的两侧并分别固定于二维转台上，所述激光器与观察窗口之间设有衰减片和孔径光阑；

②、初始化调节：首先调节激光器下的二维转台，使入射光线与观察窗口的中心线重合，记下此时二维转台的位置；然后，调节CCD相机下的二维转台，待激光器的激光光斑移到CCD相机的CCD图像中心位置，记下此时二维转台位置；

③、精确调节：调节CCD相机下的二维转台，记录当激光器的激光光斑中心刚好移出CCD相机视场边缘时二维转台的位置，然后调节激光器下的二维转台，使激光器发出的入射光线转动，确保大量散射光进入CCD相机；

④、获得汽轮机低压缸总透过率：打开调整后的激光器，用光功率计分别测量观察窗口进光口和出光口处的光强，分别记为I_入、I_出，则汽轮机低压缸总透过率为：T＝I_出/I_入；

⑤、记录散射光分布：打开汽阀，给汽轮机低压缸充蒸汽一段时间，利用CCD相机实时记录充蒸汽过程中的汽流状态变化，然后同时关闭进、排汽阀，待汽流达到稳定状态后，用CCD连续拍摄多幅图像，保存作后续处理；接着，快速调节激光器发出的入射光线，分别记录在不同散射角下的散射光分布；改变汽轮机低压缸内的工况，测量不同工况下的散射光分布；

⑥、根据光强的分布和激光散射理论，对散射光强分布进行计算和分析，计算出汽轮机低压缸中蒸汽湿度和水滴直径分布。

2.根据权利要求1所述的非接触式汽轮机蒸汽湿度和水滴直径的测量方法，其特征在于：所述步骤⑤中，需测量散射角为0°～10°范围内的散射光分布。

3.根据权利要求2所述的非接触式汽轮机蒸汽湿度和水滴直径的测量方法，其特征在于：所述步骤⑤中，采用分段式测量法，通过调节激光器发出入射光的方向，将散射角测量范围分为三段，分别为2.6°～6.6°、5°～9°和8°～10°。

4.根据权利要求1或2或3所述的非接触式汽轮机蒸汽湿度和水滴直径的测量方法，其特征在于：所述步骤①之前，首先对CCD相机进行三次以上的标定，采用多次标定的平均值来确定CCD相机的平均比例因子。

5.一种非接触式汽轮机蒸汽湿度和水滴直径的测量装置，其特征在于：包括计算机以及装设于汽轮机低压缸观察窗口两侧的激光器和CCD相机，所述激光器固定于激光器二维转台上，所述CCD相机固定于相机二维转台上，所述CCD相机通过信号线与计算机相连。

6.根据权利要求5所述的非接触式汽轮机蒸汽湿度和水滴直径的测量装置，其特征在于：所述激光器与观察窗口之间设有衰减片和孔径光阑。

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