一種基于聲學的汽輪機排汽濕度在線測量系統及方法
【專利摘要】本發明屬于汽輪機排汽濕度在線監測【技術領域】，尤其涉及一種基于聲學的汽輪機排汽濕度在線測量系統及方法。該系統包括工控機、聲卡、接線盒、功率放大器、電動聲源、聲波傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、信號調理器、數據采集卡、顯示器。本發明利用聲速隨蒸汽濕度變化而變化的原理，通過測量濕蒸汽的聲速，以及相應濕蒸汽的溫度和壓力等參數來計算出蒸汽濕度，滿足汽輪機末級排汽濕度在線測量的需要；并將電動聲源、聲波傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器高度集成為聲學探針布置在汽輪機末級出口處，使用方便可靠性高，不受汽輪機內水滴尺寸的影響，無需進行抽取樣本，反應靈敏，能夠實時測量并記錄蒸汽濕度，特別適合對汽輪機末級排汽濕度的測量。
【專利說明】
一種基于聲學的汽輪機排汽濕度在線測量系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于汽輪機排汽濕度在線監測【技術領域】，尤其涉及一種基于聲學的汽輪機排汽濕度在線測量系統及方法。
【背景技術】
[0002]蒸汽濕度對汽輪機的安全性和經濟性有著重要的影響，且蒸汽濕度隨負荷的變化而變化。因此對汽輪機排汽濕度的在線測量具有重要意義。目前能夠真正用于測量汽輪機排汽濕度的方法有熱力學法和光學法。
[0003]熱力學法的基本原理是從汽輪機排汽中進行取樣，處理后使得其從兩相流變為單向流。根據能量守恒和質量守恒來進行反推計算得到樣本濕度。所有的熱力學法的精度都受到取樣方法以及測量參數精度的影響，且測量過程耗時較長，難以實現在線測量。
[0004]光學法測量蒸汽濕度是建立在光的散射原理基礎上。當光線穿過濕蒸汽時，濕蒸汽中的水滴會對光線產生散射效應，散射光與透射光均與濕蒸汽內的水滴的分布情況有關。通過測量散射光或者透射光來計算求得濕蒸汽中水滴的直徑、數量和蒸汽濕度。光學窗口長期暴露在測量氣流中，表面易受污染且難以清除，這在很大程度上限制了其在實際中的應用。
【發明內容】
[0005]為了解決目前汽輪機排汽濕度在線監測技術的不足，本發明提出了一種基于聲學的汽輪機排汽濕度在線測量系統，其特征在于，該系統包括聲波發射模塊、聲波接收模塊、狀態監測模塊、信號處理模塊；
[0006]所述聲波發射模塊包括聲卡2、接線盒3、功率放大器4、電動聲源5 ;其中，聲卡2與工控機I相連接，同時與接線盒3輸入端連接；功率放大器4與接線盒3輸出端連接；電動聲源5與功率放大器4輸出端連接；
[0007]所述聲波接收模塊包括采集卡10、聲波傳感器6、信號調解器9、接線盒3 ;其中，聲波傳感器6與信號調理器9的輸入端連接，信號調理器9連接到接線盒3輸入端，接線盒3輸出端與數據采集卡10連接，數據采集卡10連接到工控機I ;
[0008]所述狀態監測模塊包括溫度傳感器7、壓力傳感器8、信號調理器9、接線盒3、數據采集卡10 ;溫度傳感器7和壓力傳感器8與信號調理器9的輸入端連接，信號調理器9連接到接線盒3輸入端，接線盒3輸出端與數據采集卡10連接，數據采集卡10連接到工控機I ;
[0009]所述信號處理模塊包括工控機1、顯示器11 ；
[0010]所述電動聲源5、聲波傳感器6、溫度傳感器7、壓力傳感器8共同構成聲學探針，并且安裝在汽輪機末級出口處。
[0011]所述聲學探針為方形管，其軸中心開有一條線纜槽e用于固定電動聲源和傳感器線纜，其末端前后兩面開有方形通孔作為濕蒸汽的流通通道f，濕蒸汽的流通通道f的中部四面均安裝有電動聲源5和聲波傳感器6，濕蒸汽的流通通道f的中部上下兩面均安裝有溫度傳感器7和壓力傳感器8 ;濕蒸汽的流通通道f的入口處為楔形，對流過的濕蒸汽流場影響較小。
[0012]所述電動聲源5、聲波傳感器6前加裝防水透氣膜，以避免電聲源和聲波傳感器受潮損壞。
[0013]所述電動聲源5及聲波傳感器6數量不少于兩組，聲波探針具有多種測量模式。
[0014]一種基于聲學的汽輪機排汽濕度在線監測方法，其特征在于，具體包括:
[0015]步驟1:根據兩相流的連續方程、動量方程、波動方程、氣體狀態方程以及經典聲學理論，得出聲波傳播速度與蒸汽濕度的關系如下:
[0016]
I
c 二一二 f (P1, p2, Ull U2, P, T, φ)(I)
τ
[0017]其中，τ為飛渡時間，s ;L為測點距離，m;c為濕蒸汽中聲波的傳播速度，m/s ;Pl為飽和蒸汽的密度，kg/m3 ； P 2為飽和水的密度，kg/m3 ；T為濕蒸汽溫度，V ；Ρ為濕蒸汽壓力，KPa ；Ul為P、T對應條件下的飽和蒸汽聲速，m/s ；u2為P、T對應的飽和水聲速，m/s ； φ為濕蒸汽的濕度；對于某個測試對象，當溫度和壓力已知時，聲波的傳播速度取決于濕蒸汽的濕度；由上式得出關于濕度的計算公式:
[0018]
Αφ2 +Βφ + C(2)
[0019]其中，系數A、B、C均為相對濕度的計算系數，它們的表達式分別是:
[0020]A = (―)(3)Vii1T/
[0021]+(4)p2L2
[0022]C = p1-(5)
ηιτλ
[0023]步驟2:在測量狀態下，由工控機I產生聲波信號，通過聲卡2調解將聲波信號通過接線盒3傳輸到功率放大器4，最后由電動聲源5發出聲波；
[0024]步驟3:聲波發出后，狀態監測模塊通過溫度傳感器7和壓力傳感器8測量通過聲學探針的濕蒸汽的溫度和壓力；
[0025]步驟4:溫度傳感器7和壓力傳感器8通過接線盒3將信號傳給信號調理器9，信號經過調理后由數據采集卡10將信號傳輸到工控機I中，該工控機I得出對應狀態下飽和蒸汽和飽和水的參數用于進行濕度計算；
[0026]步驟5:聲波在發出的同時被同一側的聲波傳感器6檢測接收；聲波穿過濕蒸汽被其他位置的聲波傳感器6接收；
[0027]步驟6:聲波傳感器6將聲波信號轉換成電信號，電信號通過信號調理器9濾波和放大，經過接線盒3被數據采集卡10接收；
[0028]步驟7:數據采集卡10將聲波信號輸入到工控機I中，工控機I將獲得的信號進行分析，計算出該溫度、壓力下對應的飽和蒸汽和飽和水的公式(I)中的各項參數，包括密度P1、P2和聲速Ul、U2，利用得到的各項參數，通過公式(2)、(3)、(4)、(5)計算出蒸汽濕度并將各項參數通過顯示器顯示。
[0029]本發明有益效果為:利用聲速隨蒸汽濕度變化而變化的原理，通過測量濕蒸汽的聲速，以及相應濕蒸汽的溫度和壓力等參數來計算出蒸汽濕度，滿足汽輪機末級排汽濕度在線測量的需要；并將電動聲源、聲波傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器高度集成為聲學探針布置在汽輪機末級出口處，使用方便可靠性高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]圖1為基于聲學的汽輪機排汽濕度在線測量系統安裝位置示意圖。
[0031]圖2為基于聲學的汽輪機排汽濕度在線測量系統圖；
[0032]其中，1-工控機、2-聲卡、3-接線盒、4-功率放大器、5-電動聲源、6_聲波傳感器、7-溫度傳感器、8-壓力傳感器、9-信號調理器、10-數據采集卡、11-顯示器。
[0033]圖3a、3b、3c分別為聲學探針的主視圖、左視圖、俯視圖；其中a_電動聲源、b_聲波傳感器、C-溫度傳感器、d-壓力傳感器、e-線纜槽、f-濕蒸汽的流通通道。
[0034]圖4a、4b分別為單一電動聲源模式工作原理圖和雙電動聲源模式工作原理圖。
【具體實施方式】
[0035]下面結合實施例和附圖對本發明作進一步的說明。
[0036]本發明提出的一種基于聲學的汽輪機排汽濕度在線測量系統(以下簡稱為聲學測量系統)，如圖1所示，工控機和顯示器相連，并通過硬件設備和安裝在汽輪機末級出口處的聲學探針相連。
[0037]如圖2所示，聲學測量系統中的工控機I和顯示器11均存放于集控室，可集成到電廠控制系統中。聲卡2可集成于工控機I。功率放大器4、接線盒3、信號調理器9、數據采集卡10均存放在外部。由電動聲源5、聲波傳感器6、溫度傳感器7、壓力傳感器8集成的聲學探針布置在汽輪機末級出口處。
[0038]聲卡2與工控機I相連接，同時與接線盒3輸入端連接；功率放大器4與接線盒3輸出端連接；電動聲源5與功率放大器4輸出端連接，由此構成完整的聲波發射模塊；聲波傳感器6與信號調理器9的輸入端連接，信號調理器9連接到接線盒3輸入端，接線盒3輸出端與數據采集卡10連接，數據采集卡10連接到工控機1，構成完整的聲波接收模塊；溫度傳感器7和壓力傳感器8與信號調理器9的輸入端連接，信號調理器9連接到接線盒3輸入端，接線盒3輸出端與數據采集卡10連接，數據采集卡10連接到工控機1，構成完整的狀態監測模塊。由工控機I和顯示器構成聲波處理模塊。
[0039]如圖3a?3c所不,聲學探針中的a、b、c、d為電動聲源5、聲波傳感器6、溫度傳感器7、壓力傳感器8的安裝位置，e為線纜槽，f為濕蒸汽的流通通道。聲學探針為方形管，其軸中心開有一條線纜槽用于固定電動聲源和傳感器線纜，其末端前后兩面開有方形通孔作為濕蒸汽的流通通道，濕蒸汽的流通通道的中部四面均安裝有電動聲源5和聲波傳感器6，濕蒸汽的流通通道的中部上下兩面均安裝有溫度傳感器7和壓力傳感器8。汽輪機排汽經由探針的流通通道f流過，相關探針測量不同的參數，通過位于e內的線纜與相關設備連接。
[0040]如圖4a、4b所不,在a、b、c、d四個位置均布置有聲波傳感器和電動聲源。根據不同聲波傳感器和電動聲源的使用情況，系統具有多種測量模式，本專利僅對以下兩種模式進行示例說明。
[0041]圖4a為單一電動聲源模式(以下稱為模式I)。模式I情況下,聲波由電動聲源b發出，位于b位置的聲波傳感器b接收到聲波。聲波經由流通通道分別傳播到a、c、d位置，被相應的聲波傳感器接收。通過聲波飛渡時間的測量，可以用來確定聲波在傳播路徑上的平均速度。
[0042]圖4b為雙電動聲源模式(以下稱為模式2)。模式2情況下，聲波由電動聲源a和電動聲源c發出，與之同位置的聲波傳感器會接收到聲波。聲波經由流通通道分別傳播到其他位置，被相應的聲波傳感器接收。通過聲波飛渡時間的測量，可以用來確定聲波在傳播路徑上的平均速度。
[0043]聲波在濕蒸汽中傳播，根據兩相流的連續方程、動量方程、波動方程、氣體狀態方程以及經典聲學理論，可以得出聲波傳播速度與蒸汽濕度的關系如下:
[0044]
Lx
C = - = f{px, p2, ux, u2, P, Τ, φ)(I)
τ
[0045]式中:τ為飛渡時間，s;L為測點距離，m;c為濕蒸汽中聲波的傳播速度，m/s ; P i為飽和蒸汽的密度，kg/m3 ; P 2為飽和水的密度，kg/m3 ；T為濕蒸汽溫度，V ;Ρ為濕蒸汽壓力，KPa ；Ul為P、T對應條件下的飽和蒸汽聲速，m/s ；u2為P、T對應的飽和水聲速，m/s ；爐為濕蒸汽的濕度。對于某個測試對象，當溫度和壓力已知時，聲波的傳播速度取決于濕蒸汽的濕度。由上式得出關于濕度的計算公式:Αφ2 + Βφ + C = OC2)
[0046]其中，系數A、B、C均為相對濕度的計算系數，它們的表達式分別是:
[0047]A - (―)' 3 J
Vu1T/
L2 (pi pl\
[0048]B = -1^——J] + p2~ PiC4)
τζ \u^
p2L2
[0049]C^pl-(5)
[0050]系統工作時,工控機I通過聲卡2使得電動聲源5產生所需聲波信號,聲波信號被同一側的聲波傳感器6檢測接收，聲波經流通通道傳播被其他聲波接收器6檢測接收。聲波接收器6將聲波信號轉換為電信號傳輸到信號調理器9，通過信號調理器9濾波和放大，被數據采集卡10接收，工控機I將數據采集卡10獲得的信號進行分析，由此得到聲波飛渡時間τ。聲波傳播的距離L由探針的尺寸決定，為固定值。位于探針側壁的溫度傳感器7和壓力傳感器8會測得流通通道內濕蒸汽的溫度T和壓力P，經過接線盒3的輸入端被信號調理器9接收，通過信號調理器9濾波和放大，被數據采集卡10得到；工控機I將獲得的信號進行分析，計算出該溫度、壓力下對應的飽和蒸汽和飽和水的各項參數(密度Pp 92和聲速U1、U2)。工控機利用得到的各項參數，通過公式(2)、(3)、(4)、(5)計算出蒸汽濕度并將相關參數通過顯示器顯示。
[0051]以上所述，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
【權利要求】
1.一種基于聲學的汽輪機排汽濕度在線測量系統，其特征在于，該系統包括聲波發射模塊、聲波接收模塊、狀態監測模塊、信號處理模塊； 所述聲波發射模塊包括聲卡(2)、接線盒(3)、功率放大器(4)、電動聲源(5);其中，聲卡(2)與工控機(I)相連接，同時與接線盒(3)輸入端連接；功率放大器(4)與接線盒(3)輸出端連接；電動聲源(5)與功率放大器(4)輸出端連接； 所述聲波接收模塊包括采集卡(10)、聲波傳感器￠)、信號調解器(9)、接線盒(3);其中，聲波傳感器(6)與信號調理器(9)的輸入端連接，信號調理器(9)連接到接線盒(3)輸入端，接線盒⑶輸出端與數據采集卡(10)連接，數據采集卡(10)連接到工控機⑴； 所述狀態監測模塊包括溫度傳感器(7)、壓力傳感器(8)、信號調理器(9)、接線盒(3)、數據采集卡(10);溫度傳感器(7)和壓力傳感器(8)與信號調理器(9)的輸入端連接，信號調理器(9)連接到接線盒(3)輸入端，接線盒(3)輸出端與數據采集卡(10)連接，數據采集卡(10)連接到工控機(I)； 所述信號處理模塊包括工控機(I)、顯示器(11)； 所述電動聲源(5)、聲波傳感器(6)、溫度傳感器(7)、壓力傳感器(8)共同構成聲學探針，并且安裝在汽輪機末級出口處。
2.根據權利要求1所述系統，其特征在于，所述聲學探針為方形管，其軸中心開有一條線纜槽(e)用于固定電動聲源和傳感器線纜，其末端前后兩面開有方形通孔作為濕蒸汽的流通通道(f)，濕蒸汽的流通通道(f)的中部四面均安裝有電動聲源(5)和聲波傳感器(6)，濕蒸汽的流通通道(f)的中部上下兩面均安裝有溫度傳感器(7)和壓力傳感器(8)；濕蒸汽的流通通道(f)的入口處為楔形，對流過的濕蒸汽流場影響較小。
3.根據權利要求1所述系統，其特征在于，所述電動聲源(5)、聲波傳感器(6)前加裝防水透氣膜，以避免電聲源和聲波傳感器受潮損壞。
4.根據權利要求1所述系統，其特征在于，所述電動聲源(5)及聲波傳感器(6)數量不少于兩組，聲波探針具有多種測量模式。
5.一種基于權利要求1所述系統的汽輪機排汽濕度在線監測方法，其特征在于，具體包括: 步驟1:根據兩相流的連續方程、動量方程、波動方程、氣體狀態方程以及經典聲學理論，得出聲波傳播速度與蒸汽濕度的關系如下:
Lc 二 一 = f (P1,P2,U11U21P1T1(P)(I)
T 其中，τ為飛渡時間，S ;L為測點距離，m;c為濕蒸汽中聲波的傳播速度，m/s ;Pl為飽和蒸汽的密度，kg/m3 ； P 2為飽和水的密度，kg/m3 ；T為濕蒸汽溫度，V ；Ρ為濕蒸汽壓力，KPa ；Ul為P、T對應條件下的飽和蒸汽聲速，m/s ；u2為P、T對應的飽和水聲速，m/s ；屮為濕蒸汽的濕度；對于某個測試對象，當溫度和壓力已知時，聲波的傳播速度取決于濕蒸汽的濕度；由上式得出關于濕度的計算公式:Αφ2 + Βφ + C = O(2) 其中，系數A、B、C均為相對濕度的計算系數，它們的表達式分別是:
步驟2:在測量狀態下，由工控機(I)產生聲波信號，通過聲卡(2)調解將聲波信號通過接線盒(3)傳輸到功率放大器(4)，最后由電動聲源(5)發出聲波； 步驟3:聲波發出后，狀態監測模塊通過溫度傳感器(7)和壓力傳感器(8)測量通過聲學探針的濕蒸汽的溫度和壓力； 步驟4:溫度傳感器(7)和壓力傳感器(8)通過接線盒(3)將信號傳給信號調理器(9)，信號經過調理后由數據采集卡(10)將信號傳輸到工控機(I)中，該工控機(I)得出對應狀態下飽和蒸汽和飽和水的參數用于進行濕度計算； 步驟5:聲波在發出的同時被同一側的聲波傳感器(6)檢測接收；聲波穿過濕蒸汽被其他位置的聲波傳感器(6)接收； 步驟6:聲波傳感器(6)將聲波信號轉換成電信號，電信號通過信號調理器(9)濾波和放大，經過接線盒(3)被數據采集卡(10)接收； 步驟7:數據采集卡(10)將聲波信號輸入到工控機⑴中，工控機⑴將獲得的信號進行分析，計算出該溫度、壓力下對應的飽和蒸汽和飽和水的公式(I)中的各項參數，包括密度P:、P2和聲速Ul、U2，利用得到的各項參數，通過公式(2)、(3)、(4)、(5)計算出蒸汽濕度并將各項參數通過顯示器顯示。
【文檔編號】G01N29/024GK104181229SQ201410381493
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月5日 優先權日:2014年8月5日
【發明者】張世平, 沈國清, 安連鎖, 劉偉龍 申請人:華北電力大學