CN104181229B - 一种基于声学的汽轮机排汽湿度在线测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于汽轮机排汽湿度在线监测技术领域，尤其涉及一种基于声学的汽轮机排汽湿度在线测量系统及方法。该系统包括工控机、声卡、接线盒、功率放大器、电动声源、声波传感器、温度传感器、压力传感器、信号调理器、数据采集卡、显示器。本发明利用声速随蒸汽湿度变化而变化的原理，通过测量湿蒸汽的声速，以及相应湿蒸汽的温度和压力等参数来计算出蒸汽湿度，满足汽轮机末级排汽湿度在线测量的需要；并将电动声源、声波传感器、温度传感器、压力传感器高度集成为声学探针布置在汽轮机末级出口处，使用方便可靠性高，不受汽轮机内水滴尺寸的影响，无需进行抽取样本，反应灵敏，能够实时测量并记录蒸汽湿度，特别适合对汽轮机末级排汽湿度的测量。

Description

一种基于声学的汽轮机排汽湿度在线测量系统及方法

技术领域

本发明属于汽轮机排汽湿度在线监测技术领域，尤其涉及一种基于声学的汽轮机排汽湿度在线测量系统及方法。

背景技术

蒸汽湿度对汽轮机的安全性和经济性有着重要的影响，且蒸汽湿度随负荷的变化而变化。因此对汽轮机排汽湿度的在线测量具有重要意义。目前能够真正用于测量汽轮机排汽湿度的方法有热力学法和光学法。

热力学法的基本原理是从汽轮机排汽中进行取样，处理后使得其从两相流变为单向流。根据能量守恒和质量守恒来进行反推计算得到样本湿度。所有的热力学法的精度都受到取样方法以及测量参数精度的影响，且测量过程耗时较长，难以实现在线测量。

光学法测量蒸汽湿度是建立在光的散射原理基础上。当光线穿过湿蒸汽时，湿蒸汽中的水滴会对光线产生散射效应，散射光与透射光均与湿蒸汽内的水滴的分布情况有关。通过测量散射光或者透射光来计算求得湿蒸汽中水滴的直径、数量和蒸汽湿度。光学窗口长期暴露在测量气流中，表面易受污染且难以清除，这在很大程度上限制了其在实际中的应用。

发明内容

为了解决目前汽轮机排汽湿度在线监测技术的不足，本发明提出了一种基于声学的汽轮机排汽湿度在线测量系统，其特征在于，该系统包括声波发射模块、声波接收模块、状态监测模块、信号处理模块；

所述声波发射模块包括声卡2、接线盒3、功率放大器4、电动声源5；其中，声卡2与工控机1相连接，同时与接线盒3输入端连接；功率放大器4与接线盒3输出端连接；电动声源5与功率放大器4输出端连接；

所述声波接收模块包括采集卡10、声波传感器6、信号调解器9、接线盒3；其中，声波传感器6与信号调理器9的输入端连接，信号调理器9连接到接线盒3输入端，接线盒3输出端与数据采集卡10连接，数据采集卡10连接到工控机1；

所述状态监测模块包括温度传感器7、压力传感器8、信号调理器9、接线盒3、数据采集卡10；温度传感器7和压力传感器8与信号调理器9的输入端连接，信号调理器9连接到接线盒3输入端，接线盒3输出端与数据采集卡10连接，数据采集卡10连接到工控机1；

所述信号处理模块包括工控机1、显示器11；

所述电动声源5、声波传感器6、温度传感器7、压力传感器8共同构成声学探针，并且安装在汽轮机末级出口处。

所述声学探针为方形管，其轴中心开有一条线缆槽e用于固定电动声源和传感器线缆，其末端前后两面开有方形通孔作为湿蒸汽的流通通道f，湿蒸汽的流通通道f的中部四面均安装有电动声源5和声波传感器6，湿蒸汽的流通通道f的中部上下两面均安装有温度传感器7和压力传感器8；湿蒸汽的流通通道f的入口处为楔形，对流过的湿蒸汽流场影响较小。

所述电动声源5、声波传感器6前加装防水透气膜，以避免电声源和声波传感器受潮损坏。

所述电动声源5及声波传感器6数量不少于两组，声波探针具有多种测量模式。

一种基于声学的汽轮机排汽湿度在线监测方法，其特征在于，具体包括：

步骤1：根据两相流的连续方程、动量方程、波动方程、气体状态方程以及经典声学理论，得出声波传播速度与蒸汽湿度的关系如下：

其中，τ为飞渡时间，s；L为测点距离，m；c为湿蒸汽中声波的传播速度，m/s；ρ₁为饱和蒸汽的密度，kg/m³；ρ₂为饱和水的密度，kg/m³；T为湿蒸汽温度，℃；P为湿蒸汽压力，KPa；u₁为P、T对应条件下的饱和蒸汽声速，m/s；u₂为P、T对应的饱和水声速，m/s；为湿蒸汽的湿度；对于某个测试对象，当温度和压力已知时，声波的传播速度取决于湿蒸汽的湿度；由上式得出关于湿度的计算公式：

其中，系数A、B、C均为相对湿度的计算系数，它们的表达式分别是：

$A={\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_{2}L}{u_1\mathrm{\τ}}\right)}^2---\left(3\right)$

$B=\frac{L^2}{{\mathrm{\τ}}^2}(\frac{{\mathrm{\ρ}}_1^2}{u_1^2}-\frac{{\mathrm{\ρ}}_2^2}{u_2^2})+{\mathrm{\ρ}}_2^2-{\mathrm{\ρ}}_1^2---\left(4\right)$

$C={\mathrm{\ρ}}_1^2-\frac{{\mathrm{\ρ}}_1^2{L}^2}{u_1^2{\mathrm{\τ}}^2}---\left(5\right)$

步骤2：在测量状态下，由工控机1产生声波信号，通过声卡2调解将声波信号通过接线盒3传输到功率放大器4，最后由电动声源5发出声波；

步骤3：声波发出后，状态监测模块通过温度传感器7和压力传感器8测量通过声学探针的湿蒸汽的温度和压力；

步骤4：温度传感器7和压力传感器8通过接线盒3将信号传给信号调理器9，信号经过调理后由数据采集卡10将信号传输到工控机1中，该工控机1得出对应状态下饱和蒸汽和饱和水的参数用于进行湿度计算；

步骤5：声波在发出的同时被同一侧的声波传感器6检测接收；声波穿过湿蒸汽被其他位置的声波传感器6接收；

步骤6：声波传感器6将声波信号转换成电信号，电信号通过信号调理器9滤波和放大，经过接线盒3被数据采集卡10接收；

步骤7：数据采集卡10将声波信号输入到工控机1中，工控机1将获得的信号进行分析，计算出该温度、压力下对应的饱和蒸汽和饱和水的公式(1)中的各项参数，包括密度ρ₁、ρ₂和声速u₁、u₂，利用得到的各项参数，通过公式(2)、(3)、(4)、(5)计算出蒸汽湿度并将各项参数通过显示器显示。

本发明有益效果为：利用声速随蒸汽湿度变化而变化的原理，通过测量湿蒸汽的声速，以及相应湿蒸汽的温度和压力等参数来计算出蒸汽湿度，满足汽轮机末级排汽湿度在线测量的需要；并将电动声源、声波传感器、温度传感器、压力传感器高度集成为声学探针布置在汽轮机末级出口处，使用方便可靠性高。

附图说明

图1为基于声学的汽轮机排汽湿度在线测量系统安装位置示意图。

图2为基于声学的汽轮机排汽湿度在线测量系统图；

其中，1-工控机、2-声卡、3-接线盒、4-功率放大器、5-电动声源、6-声波传感器、7-温度传感器、8-压力传感器、9-信号调理器、10-数据采集卡、11-显示器。

图3a、3b、3c分别为声学探针的主视图、左视图、俯视图；其中a-电动声源、b-声波传感器、c-温度传感器、d-压力传感器、e-线缆槽、f-湿蒸汽的流通通道。

图4a、4b分别为单一电动声源模式工作原理图和双电动声源模式工作原理图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明。

本发明提出的一种基于声学的汽轮机排汽湿度在线测量系统(以下简称为声学测量系统)，如图1所示，工控机和显示器相连，并通过硬件设备和安装在汽轮机末级出口处的声学探针相连。

如图2所示，声学测量系统中的工控机1和显示器11均存放于集控室，可集成到电厂控制系统中。声卡2可集成于工控机1。功率放大器4、接线盒3、信号调理器9、数据采集卡10均存放在外部。由电动声源5、声波传感器6、温度传感器7、压力传感器8集成的声学探针布置在汽轮机末级出口处。

声卡2与工控机1相连接，同时与接线盒3输入端连接；功率放大器4与接线盒3输出端连接；电动声源5与功率放大器4输出端连接，由此构成完整的声波发射模块；声波传感器6与信号调理器9的输入端连接，信号调理器9连接到接线盒3输入端，接线盒3输出端与数据采集卡10连接，数据采集卡10连接到工控机1，构成完整的声波接收模块；温度传感器7和压力传感器8与信号调理器9的输入端连接，信号调理器9连接到接线盒3输入端，接线盒3输出端与数据采集卡10连接，数据采集卡10连接到工控机1，构成完整的状态监测模块。由工控机1和显示器构成声波处理模块。

如图3a～3c所示，声学探针中的a、b、c、d为电动声源5、声波传感器6、温度传感器7、压力传感器8的安装位置,e为线缆槽，f为湿蒸汽的流通通道。声学探针为方形管，其轴中心开有一条线缆槽用于固定电动声源和传感器线缆，其末端前后两面开有方形通孔作为湿蒸汽的流通通道，湿蒸汽的流通通道的中部四面均安装有电动声源5和声波传感器6，湿蒸汽的流通通道的中部上下两面均安装有温度传感器7和压力传感器8。汽轮机排汽经由探针的流通通道f流过，相关探针测量不同的参数，通过位于e内的线缆与相关设备连接。

如图4a、4b所示，在a、b、c、d四个位置均布置有声波传感器和电动声源。根据不同声波传感器和电动声源的使用情况，系统具有多种测量模式，本专利仅对以下两种模式进行示例说明。

图4a为单一电动声源模式(以下称为模式1)。模式1情况下，声波由电动声源b发出，位于b位置的声波传感器b接收到声波。声波经由流通通道分别传播到a、c、d位置，被相应的声波传感器接收。通过声波飞渡时间的测量，可以用来确定声波在传播路径上的平均速度。

图4b为双电动声源模式(以下称为模式2)。模式2情况下，声波由电动声源a和电动声源c发出，与之同位置的声波传感器会接收到声波。声波经由流通通道分别传播到其他位置，被相应的声波传感器接收。通过声波飞渡时间的测量，可以用来确定声波在传播路径上的平均速度。

声波在湿蒸汽中传播，根据两相流的连续方程、动量方程、波动方程、气体状态方程以及经典声学理论，可以得出声波传播速度与蒸汽湿度的关系如下：

式中：τ为飞渡时间，s；L为测点距离，m；c为湿蒸汽中声波的传播速度，m/s；ρ₁为饱和蒸汽的密度，kg/m³；ρ₂为饱和水的密度，kg/m³；T为湿蒸汽温度，℃；P为湿蒸汽压力，KPa；u₁为P、T对应条件下的饱和蒸汽声速，m/s；u₂为P、T对应的饱和水声速，m/s；为湿蒸汽的湿度。对于某个测试对象，当温度和压力已知时，声波的传播速度取决于湿蒸汽的湿度。由上式得出关于湿度的计算公式：

其中，系数A、B、C均为相对湿度的计算系数，它们的表达式分别是：

$A={\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_{2}L}{u_1\mathrm{\τ}}\right)}^2---\left(3\right)$

$B=\frac{L^2}{{\mathrm{\τ}}^2}(\frac{{\mathrm{\ρ}}_1^2}{u_1^2}-\frac{{\mathrm{\ρ}}_2^2}{u_2^2})+{\mathrm{\ρ}}_2^2-{\mathrm{\ρ}}_1^2---\left(4\right)$

$C={\mathrm{\ρ}}_1^2-\frac{{\mathrm{\ρ}}_1^2{L}^2}{u_1^2{\mathrm{\τ}}^2}---\left(5\right)$

系统工作时，工控机1通过声卡2使得电动声源5产生所需声波信号，声波信号被同一侧的声波传感器6检测接收，声波经流通通道传播被其他声波接收器6检测接收。声波接收器6将声波信号转换为电信号传输到信号调理器9，通过信号调理器9滤波和放大，被数据采集卡10接收，工控机1将数据采集卡10获得的信号进行分析，由此得到声波飞渡时间τ。声波传播的距离L由探针的尺寸决定，为固定值。位于探针侧壁的温度传感器7和压力传感器8会测得流通通道内湿蒸汽的温度T和压力P，经过接线盒3的输入端被信号调理器9接收，通过信号调理器9滤波和放大，被数据采集卡10得到；工控机1将获得的信号进行分析，计算出该温度、压力下对应的饱和蒸汽和饱和水的各项参数(密度ρ₁、ρ₂和声速u₁、u₂)。工控机利用得到的各项参数，通过公式(2)、(3)、(4)、(5)计算出蒸汽湿度并将相关参数通过显示器显示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于声学的汽轮机排汽湿度在线测量系统，其特征在于，该系统包括声波发射模块、声波接收模块、状态监测模块、信号处理模块；

所述声波发射模块包括声卡(2)、接线盒(3)、功率放大器(4)、电动声源(5)；其中，声卡(2)与工控机(1)相连接，同时与接线盒(3)输入端连接；功率放大器(4)与接线盒(3)输出端连接；电动声源(5)与功率放大器(4)输出端连接；

所述声波接收模块包括采集卡(10)、声波传感器(6)、信号调解器(9)、接线盒(3)；其中，声波传感器(6)与信号调理器(9)的输入端连接，信号调理器(9)连接到接线盒(3)输入端，接线盒(3)输出端与数据采集卡(10)连接，数据采集卡(10)连接到工控机(1)；

所述状态监测模块包括温度传感器(7)、压力传感器(8)、信号调理器(9)、接线盒(3)、数据采集卡(10)；温度传感器(7)和压力传感器(8)与信号调理器(9)的输入端连接，信号调理器(9)连接到接线盒(3)输入端，接线盒(3)输出端与数据采集卡(10)连接，数据采集卡(10)连接到工控机(1)；

所述信号处理模块包括工控机(1)、显示器(11)；

所述电动声源(5)、声波传感器(6)、温度传感器(7)、压力传感器(8)共同构成声学探针，并且安装在汽轮机末级出口处；

所述系统的在线监测方法，具体包括：

步骤1：根据两相流的连续方程、动量方程、波动方程、气体状态方程以及经典声学理论，得出声波传播速度与蒸汽湿度的关系如下：

其中，τ为飞渡时间，s；L为测点距离，m；c为湿蒸汽中声波的传播速度，m/s；ρ₁为饱和蒸汽的密度，kg/m³；ρ₂为饱和水的密度，kg/m³；T为湿蒸汽温度，℃；P为湿蒸汽压力，KPa；u₁为P、T对应条件下的饱和蒸汽声速，m/s；u₂为P、T对应的饱和水声速，m/s；为湿蒸汽的湿度；对于某个测试对象，当温度和压力已知时，声波的传播速度取决于湿蒸汽的湿度；由上式得出关于湿度的计算公式：

其中，系数A、B、C均为相对湿度的计算系数，它们的表达式分别是：

$A={\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_{2}L}{u_1\mathrm{\τ}}\right)}^2---\left(3\right)$

$B=\frac{L^2}{{\mathrm{\τ}}^2}(\frac{{\mathrm{\ρ}}_1^2}{u_1^2}-\frac{{\mathrm{\ρ}}_2^2}{u_2^2})+{\mathrm{\ρ}}_2^2-{\mathrm{\ρ}}_1^2---\left(4\right)$

$C={\mathrm{\ρ}}_1^2-\frac{{\mathrm{\ρ}}_1^2{L}^2}{u_1^2{\mathrm{\τ}}^2}---\left(5\right)$

步骤2：在测量状态下，由工控机(1)产生声波信号，通过声卡(2)调解将声波信号通过接线盒(3)传输到功率放大器(4)，最后由电动声源(5)发出声波；

步骤3：声波发出后，状态监测模块通过温度传感器(7)和压力传感器(8)测量通过声学探针的湿蒸汽的温度和压力；

步骤4：温度传感器(7)和压力传感器(8)通过接线盒(3)将信号传给信号调理器(9)，信号经过调理后由数据采集卡(10)将信号传输到工控机(1)中，该工控机(1)得出对应状态下饱和蒸汽和饱和水的参数用于进行湿度计算；

步骤5：声波在发出的同时被同一侧的声波传感器(6)检测接收；声波穿过湿蒸汽被其他位置的声波传感器(6)接收；

步骤6：声波传感器(6)将声波信号转换成电信号，电信号通过信号调理器(9)滤波和放大，经过接线盒(3)被数据采集卡(10)接收；

步骤7：数据采集卡(10)将声波信号输入到工控机(1)中，工控机(1)将获得的信号进行分析，计算出该温度、压力下对应的饱和蒸汽和饱和水的公式(1)中的各项参数，包括密度ρ₁、ρ₂和声速u₁、u₂，利用得到的各项参数，通过公式(2)、(3)、(4)、(5)计算出蒸汽湿度并将各项参数通过显示器显示。

2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述声学探针为方形管，其轴中心开有一条线缆槽(e)用于固定电动声源和传感器线缆，其末端前后两面开有方形通孔作为湿蒸汽的流通通道(f)，湿蒸汽的流通通道(f)的中部四面均安装有电动声源(5)和声波传感器(6)，湿蒸汽的流通通道(f)的中部上下两面均安装有温度传感器(7)和压力传感器(8)；湿蒸汽的流通通道(f)的入口处为楔形，对流过的湿蒸汽流场影响较小。

3.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述电动声源(5)、声波传感器(6)前加装防水透气膜，以避免电声源和声波传感器受潮损坏。

4.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述电动声源(5)及声波传感器(6)数量不少于两组，声波探针具有多种测量模式。

5.一种基于权利要求1所述系统的汽轮机排汽湿度在线监测方法，其特征在于，具体包括：

步骤1：根据两相流的连续方程、动量方程、波动方程、气体状态方程以及经典声学理论，得出声波传播速度与蒸汽湿度的关系如下：

其中，τ为飞渡时间，s；L为测点距离，m；c为湿蒸汽中声波的传播速度，m/s；ρ₁为饱和蒸汽的密度，kg/m³；ρ₂为饱和水的密度，kg/m³；T为湿蒸汽温度，℃；P为湿蒸汽压力，KPa；u₁为P、T对应条件下的饱和蒸汽声速，m/s；u₂为P、T对应的饱和水声速，m/s；为湿蒸汽的湿度；对于某个测试对象，当温度和压力已知时，声波的传播速度取决于湿蒸汽的湿度；由上式得出关于湿度的计算公式：

其中，系数A、B、C均为相对湿度的计算系数，它们的表达式分别是：

$A={\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_{2}L}{u_1\mathrm{\τ}}\right)}^2---\left(3\right)$

$B=\frac{L^2}{{\mathrm{\τ}}^2}(\frac{{\mathrm{\ρ}}_1^2}{u_1^2}-\frac{{\mathrm{\ρ}}_2^2}{u_2^2})+{\mathrm{\ρ}}_2^2-{\mathrm{\ρ}}_1^2---\left(4\right)$

$C={\mathrm{\ρ}}_1^2-\frac{{\mathrm{\ρ}}_1^2{L}^2}{u_1^2{\mathrm{\τ}}^2}---\left(5\right)$

步骤2：在测量状态下，由工控机(1)产生声波信号，通过声卡(2)调解将声波信号通过接线盒(3)传输到功率放大器(4)，最后由电动声源(5)发出声波；

步骤3：声波发出后，状态监测模块通过温度传感器(7)和压力传感器(8)测量通过声学探针的湿蒸汽的温度和压力；

步骤4：温度传感器(7)和压力传感器(8)通过接线盒(3)将信号传给信号调理器(9)，信号经过调理后由数据采集卡(10)将信号传输到工控机(1)中，该工控机(1)得出对应状态下饱和蒸汽和饱和水的参数用于进行湿度计算；

步骤5：声波在发出的同时被同一侧的声波传感器(6)检测接收；声波穿过湿蒸汽被其他位置的声波传感器(6)接收；

步骤6：声波传感器(6)将声波信号转换成电信号，电信号通过信号调理器(9)滤波和放大，经过接线盒(3)被数据采集卡(10)接收；

步骤7：数据采集卡(10)将声波信号输入到工控机(1)中，工控机(1)将获得的信号进行分析，计算出该温度、压力下对应的饱和蒸汽和饱和水的公式(1)中的各项参数，包括密度ρ₁、ρ₂和声速u₁、u₂，利用得到的各项参数，通过公式(2)、(3)、(4)、(5)计算出蒸汽湿度并将各项参数通过显示器显示。