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基于光散射的汽轮机湿蒸汽特性测量方法研究

黄竹青  
【摘要】: 论文以影响汽轮机安全性和经济性的湿蒸汽特性测量为研究对象,在综合分析国内外蒸汽水滴粒径分布和湿度测量方法的发展状况及其存在问题的基础上,以湿蒸汽中水滴粒径分布和湿度测量为焦点,深入研究了水滴的形成机理和米散射特性,建立了湿蒸汽发生器实验平台,设计了基于激光Mie散射理论的湿蒸汽测量方法,并采用该测量方法测量了湿蒸汽发生器中的水滴颗粒粒径和湿度分布。 论文的主要研究工作如下: (1)从热力学的角度研究了蒸汽湿度对汽轮机效率的影响和蒸汽湿度的分布特性。计算得到某300MW机组汽轮机末级湿度与效率之间的关系;根据汽液两相流理论和水滴成核理论,建立了湿蒸汽凝结模型,通过适当简化,得到了汽轮机内部的蒸汽湿度分布特征。 (2)研究了单水滴和水滴群的Mie散射特性。根据Mie散射理论,通过对单水滴的散射相函数和能量分布函数的数值计算和分析,得到散射光强度与散射角度以及入射光波长的关系,在此基础上研究了水滴群的散射相函数和能量分布函数特性。在前向小角度范围内,通过相函数的高斯拟合获得了水滴质量中间半径与拟合参数的经验公式,为蒸汽湿度等参数的测量奠定了理论基础。 (3)提出了一种在前向小角度范围内基于CCD成像的单波长/多角度和一种双波长/双角度散射光的水滴粒径和湿度测量方法。基于光散射理论,建立了湿蒸汽中前向小角度散射光的传输和测量模型,在此基础上研究了单波长/多角度、单角度/多波长和多角度/多波长光学测量方案,并推导了蒸汽湿度求解的计算模型。提出了一种基于CCD成像测量特点的前向小角度单波长/多角度散射光测量方法,系统地研究了CCD蒸汽湿度测量方法的原理和湿度参数求取的方法。 (4)研制了一台湿蒸汽发生器实验台。根据实验测量要求,设计了一种可以方便模拟各种工况下湿蒸汽环境的湿蒸汽发生器实验台,通过理论分析和实验,该装置完全可以满足实验要求。 (5)用CCD法和双波长/双角度法测量了湿蒸汽发生器中的水滴质量中间半径和蒸汽湿度。用CCD测量法分别测量了稳态条件和变工况条件下湿蒸汽的散射光分布,通过参数寻优拟合得到了蒸汽的湿度和水滴颗粒的粒径分布。结果表明:在稳态条件下,水滴质量中间半径为0.97μm,水滴数密度为1.43×1012m-3,平均湿度为1.11%;变工况条件下,水滴质量中间半径为1.12μm,水滴数密度为2.4×1012 m-3,湿度变化范围为0.71%~2.26%。作为参考,分别用650nm和532nm的激光进行了双波长/双角度测量实验,并根据相函数高斯拟合参数的经验公式计算得到水滴质量中间半径的变化范围为0.7μm~1.3μm。针对散射光强起伏的特点,提出了基于ARMA模型参数辨识和Kalman滤波的散射光强均值实时估计方法,并对影响测量结果随机变化的因素进行了深入分析。 本文研究工作表明,基于激光Mie散射理论的蒸汽湿度测量方法是可行的,并且经过深入研究和完善,CCD测量方法将在蒸汽湿度测量和汽轮机湿度实时监测领域将具有广阔的应用前景。


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