蒸汽透平中流动湿蒸汽湿度测量方法的分析与比较

　　0　前　言

　　常规电站中大型冷凝式蒸汽透平的末几级和核电站中透平的全部级都在湿蒸汽状态下工作。蒸汽湿度的存在不但降低透平级的运行效率,而且引起严重的叶片水蚀,给电厂中运行机组的经济性和安全性带来危害。如对于一台1 300MW的核电机组,蒸汽湿度所造成的功率损失约为70MW[1]。

　　从1942年Ostwatish[1]发表湿蒸汽凝结理论后,湿蒸汽透平的理论和计算研究有了很大的发展,但由于这一问题的复杂性,迄今为止还并未完全掌握其规律。实验研究最初是在实验室条件下研究拉伐尔喷管中的汽流的凝结过程,但由于采用的是一元流型,而蒸第42卷第3期汽轮机技术Vol.42 No.32000年6月TURBINETECHNOLOGYJun.2000汽在透平空间流动具有三元特性,其凝结过程要比前者复杂得多,所以不能简单地采用实验室研究所得到的有关蒸汽凝结、水滴形成及运动规律的研究结果。因此,必须发展能够直接测量湿蒸汽流特性的实验装置。

　　蒸汽湿度的测量就是汽流特性研究的一个主要方面。湿度测量通常可以理解为蒸汽湿度Y,蒸汽中水滴直径D以及单位体积中水滴个数的测量。通过测量出蒸汽的湿度,可以确定湿蒸汽流中湿度的分布和水滴直径分布,从而为透平级内水排除措施提供依据。另外,湿度值可以作为确定饱和区内汽流状态时除压力之外的另一个热力参数,测定湿蒸汽区的透平级间汽流的湿度,就能够确定

　　透平级乃至整台透平的效率,从而给运行者提供准确的运行指标以及为透平或透平级的改造提供依据。

　　蒸汽湿度测量的方法很多,如热力学法、光学法、化学法等。在实验室条件下,还可以采用电气法、感光法、层膜沉析法等,但对于透平内部的蒸汽湿度测量则多采用热力学法和光学法。本文主要讨论这两类方法。

　　1　蒸汽湿度的光学法测量

　　光学法测量湿度的基本原理是光线通过含有细微颗粒的均匀介质时一部分产生散射现象,另外一部分被颗粒吸收。目前,只能对简单的散射及不相关散射进行研究[2],蒸汽透平中可能遇到的湿蒸汽流中水滴之间的距离远远超过不相关散射所需要的颗粒间距,因此,发展了不同的测量湿度的光学方法。进入70年代后,国外相继在实验室条件下,开展光学法测量蒸汽湿度的实验和研究工作。光学法主要分为两类:第一类为角度散射法,它的实质测量水滴对入射光的某一散射特性,然后根据Mie理论对测量数据进行处理以求得被测汽流中水滴直径和汽流分布;第二类为全散射法或称为消光法,它的实质是测量入射光的非散射部分,水滴把入射光向四周散射后引起光能衰减。

　　1.1　角散射式光学探针