基于Mie散射理论的汽轮机蒸汽湿度测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于Mie散射理论的汽轮机蒸汽湿度测量方法，其实施步骤如下：1)通过激光器从汽轮机汽缸的监测窗口射入激光光束，采集散射光分布图像，基于散射光分布图像获取各个散射体的实测散射光强；2)基于Mie散射理论计算出所述各个散射体的理论散射光强，计算各个散射体的理论散射光强、实测散射光强的最小二乘和并均匀搜索寻找由质量中间半径、尺度分布参数和水滴数密度三者组成的最优参量；3)结合所述最优参量计算Rosin-Rammler函数和单位体积内含有液态水滴的体积；4)计算汽轮机的蒸汽湿度。本发明具有非接触、大范围、准确实时、安全性好、可靠性高、使用简单方便的优点。
【专利说明】基于M i e散射理论的汽轮机蒸汽湿度测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及流动湿蒸汽湿度测量【技术领域】，具体涉及一种基于Mie散射理论的汽 轮机蒸汽湿度测量方法。
【背景技术】
[0002] 汽轮机是以蒸汽为工质，将热能转变为机械能的旋转式原动机，是常规火力发电 厂及核电站的三大主要设备之一，其运行的可靠性及经济性对整个发电机组的安全经济运 行具有决定性的影响。影响汽轮机安全经济运行的因素较多，其中最为重要的是汽轮机末 级叶片所在区域的蒸汽湿度（含水量的多少）及水滴颗粒的大小与分布情况。运行经验表 明，常规火力发电厂汽轮机低压缸末几级及压水堆核电站汽轮机的大部分级都工作在湿蒸 汽中，且对机组负荷、蒸汽进口温度及压力的变化比较敏感。湿蒸汽的存在对汽轮机的影响 主要表现在两个方面，一是降低了汽轮机低压缸内的运行效率，蒸汽湿度每增加1 %，汽轮 机的相对内效率大约降低1% ;二是湿蒸汽中的水滴长期冲击高速旋转的叶片，使叶片产生 水蚀，严重威胁机组运行的安全与寿命。随着越来越多的高参数、大功率火力发电机组和核 电机组的运行，汽轮机中湿蒸汽引发的运行安全与经济性问题也愈加受到各国的重视，国 际上诸多研究机构都在进行深入研究，并且联合起来开展合作研究，尤其是测量技术的研 究。然而，如何实现准确、实时、非接触的测量蒸汽湿度与水滴粒径，至今仍是一个世界性的 技术难题。因此，实时准确的监测蒸汽湿度及其分布规律对汽轮机的安全经济运行具有重 要的实际意义。目前采用的测量技术都还不够成熟，在一定程度上干扰蒸汽流动，测量范围 较小，不能达到非接触、实时测量的目的。
[0003] 光散射是指入射光照射含有微粒的介质时，偏离入射光初始传播方向，向各个方 向散开的现象。光散射理论是光散射法测量微粒粒径参数的基础，通过已知的微粒粒径、折 射率、入射光波长等参数可以计算出微粒沿各个方向的散射光强分布规律。湿蒸汽中的水 滴为球形粒子，而光散射理论中的Mie散射理论是描述球形粒子散射光分布规律最有效的 方法，Mie散射理论经过一百多年的发展，已经比较成熟。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种非接触、大范围、准确实时、安全性好、可靠 性高、使用简单方便的基于Mie散射理论的汽轮机蒸汽湿度测量方法。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
[0006] 一种基于Mie散射理论的汽轮机蒸汽湿度测量方法，其实施步骤如下：
[0007] 1)通过激光器从汽轮机汽缸的监测窗口射入激光光束，通过带有长焦镜头的相机 透过监测窗口采集汽缸内水滴的散射光分布图像，将所述散射光分布图像中指定像元作为 由水滴组成的各个散射体，分别基于散射光分布图像获取各个散射体的实测散射光强；
[0008] 2)基于Mie散射理论计算出所述各个散射体的理论散射光强，计算各个散射体的 理论散射光强、实测散射光强的最小二乘和，以所述最小二乘和对应目标函数的最小值为 最优值，均匀搜索寻找由质量中间半径心、尺度分布参数K和水滴数密度N三者组成的最 优参量；
[0009] 3)结合所述最优参量，根据式（1)和式（2)计算用于描述湿蒸汽中水滴粒径分布 的Rosin-Rammler函数f(r)和单位体积内含有液态水滴的体积V ;
[0010]
【权利要求】
1. 一种基于Mie散射理论的汽轮机蒸汽湿度测量方法，其特征在于实施步骤如下： 1) 通过激光器从汽轮机汽缸的监测窗口射入激光光束，通过带有长焦镜头的相机透过 监测窗口采集汽缸内水滴的散射光分布图像，将所述散射光分布图像中指定像元作为由水 滴组成的各个散射体，分别基于散射光分布图像获取各个散射体的实测散射光强； 2) 基于Mie散射理论计算出所述各个散射体的理论散射光强，计算各个散射体的理论 散射光强、实测散射光强的最小二乘和，以所述最小二乘和对应目标函数的最小值为最优 值，均匀搜索寻找由质量中间半径^、尺度分布参数K和水滴数密度N三者组成的最优参 量； 3) 结合所述最优参量，根据式（1)和式（2)计算用于描述湿蒸汽中水滴粒径分布的 Rosin-Rammler函数f(r)和单位体积内含有液态水滴的体积V ;
(1) T，％衣不/"/TJdi取?儿梦里；Ttf」M里;T间半径，K表示所述最优参量中的尺度分布 参数，r表示水滴半径；
(2) 式（2)中，N表示最优参量中的水滴数密度，;表示水滴粒径的下限，:r2表示水滴粒径 的上限，r表示水滴半径，f (r)表示前述的Rosin-Rammler函数；
W耜诂管抟龄机的蒸汽湿度； (3) 式（3)中，Y表示汽轮机的蒸汽湿度，V表示前述的单位体积内含有液态水滴的体积，vm 表示饱和水的比容，^表示饱和蒸汽的比容。
2. 根据权利要求1所述的基于Mie散射理论的汽轮机蒸汽湿度测量方法，其特征在于， 所述步骤1)中基于散射光分布图像获取各个散射体的实测散射光强的详细步骤如下： 1. 1)将所述散射光分布图像以均值滤波的方法进行平滑处理； 1. 2)将所述散射光分布图像中沿着激光光束入射方向的纵向中心线上的像元作为指 定像元，提取所述指定像元的灰度值； 1. 3)采用光功率计对所述激光光束进行标定得到灰度-光强比例因子，将所述指定像 元的灰度值使用所述灰度-光强比例因子转换成各个散射体的实测散射光强。
3. 根据权利要求2所述的基于Mie散射理论的汽轮机蒸汽湿度测量方法，其特征在于， 所述步骤1. 3)的详细步骤如下： 1.3. 1)在暗室环境下，首先将激光光束通过光阑入射相机，采集相机图像并获取图像 灰度值，然后将激光光束通过光阑入射光功率计，从所述光功率计上读取光功率； 1. 3. 2)根据式（4)计算标定得到灰度-光强比例因子；
(4) 式（4)中，γ表示标定得到的灰度-光强比例因子，P表示从光功率计上读取的光功 率，At表示相机的曝光时间，G表示相机采集图像获得的图像灰度值； 1.3.3)根据式（5)，将所述纵向中心线上各个像元的灰度值使用所述灰度-光强比例 因子转换成各个散射体的实测散射光强；
(5) 式（5)中，Pi表示各个散射体的实测散射光强，G表示相机采集图像获得的图像灰度 值，Y表示标定得到的灰度-光强比例因子，At表示相机的曝光时间。
4. 根据权利要求1或2或3所述的基于Mie散射理论的汽轮机蒸汽湿度测量方法，其 特征在于，所述步骤2)的详细步骤如下： 2. 1)分别初始化设定质量中间半径t、尺度分布参数K和水滴数密度N的初始值、步 长和取值范围，根据所述质量中间半径、尺度分布参数K和水滴数密度N的初始值、步长 和取值范围生成η组参量； 2. 2)选定第一组参量作为当前参量组； 2. 3)基于Mie散射理论和当前参量组的参数计算当前参量组的理论散射光强； 2.4)根据式（6)所示的目标函数计算当前参量组下理论散射光强、实测散射光强的最 小二乘和，得到当前参量组的目标函数值F ;
(6) 式（6)中：
表示目标函数，t表示质量中间半径、K表示尺度分布参数，N表 示水滴数密度；U表示第i个散射体的理论散射光强，Iei表示第i个散射体的实测散射光 强，^表示散射体的总个数； 2. 5)判断当前参量组是否为第一组参量，如果是则仅仅记录当前参量组对应的目标函 数值F作为临时最优值T ;否则，将当前参量组的目标函数值F和临时最优值T进行比较， 如果当前参量组的目标函数值F大于临时最优值T，则保持临时最优值T不变，如果当前参 量组的目标函数值F小于或者等于临时最优值T，则将当前参量组的目标函数值F赋值给临 时最优值T ; 2.6)判断当前参量组是否为最后一组参量，如果是则跳转执行步骤2.7);否则选择下 一组参量作为当前参量组，跳转执行步骤2.3); 2. 7)将临时最优值T对应的参量组中质量中间半径<5、尺度分布参数K和水滴数密度 N作为最优参量输出。
5. 根据权利要求4所述的基于Mie散射理论的汽轮机蒸汽湿度测量方法，其特征在于， 所述步骤2. 3)的详细步骤如下： 2.3. 1)分别根据式（7)计算激光光束到达各个散射体所经过的距离，各个散射体到相 机接收截面的中心A的距离；
(7) 式（7)中，表示激光光束到达第i个散射体的位置所经过的距离，U2i表示第i个 散射体的位置到相机接收截面的中心A的距离，AD表示相机接收截面的中心A、相机接收截 面中垂线与激光光束的交点D之间的距离，AD是相机接收截面中垂线的一部分，β表示AD 与入射光束之间的夹角值，Z AOD表示相机接收截面的中心Α和第i个散射体的位置的连 线、激光光束之间小于90度的夹角； 2. 3. 2)分别根据式（8)计算各个散射体的散射角；
(8) 式（8)中，表示在接收截面中心A接收第i个散射体发出的散射光时的散射角， Z AOD表示相机接收截面的中心A和第i个散射体的位置的连线、激光光束之间小于90度 的夹角；Φ1表示相机和长焦镜头组合后形成的视场角，α表示视场角边线与激光光束的夹 角，1^表示散射体的总个数； 2. 3. 3)分别根据式（9)计算各个散射体的长度和宽度，根据式（10)计算各个散射体的 体积；
(9) 式（9)和式（10)中，Q表示第i个散射体的长度，Wi表示第i个散射体宽度，AD表示 相机接收截面的中心A、相机接收截面中垂线与激光光束的交点D之间的距离，AD是相机接 收截面中垂线的一部分，β表示AD与入射光束之间的夹角值，α表示视场角边线与激光光 束的夹角，Λ 表示第i个散射体在散射光分布图像中对应的像元沿着散射光分布图像的 纵向中心线方向的视场角，Λ φ2表示第i个散射体在散射光分布图像中对应的像元沿散射 光分布图像的横向中心线方向的视场角，1表75激光光束大小； 2.3.4)分别根据式（11)计算相机接收截面上边界C接收第i个散射体发出的散射光 时的散射角，相机接收截面下边界B接收第i个散射体发出的散射光时的散射角；
(11) 式（11)中，表示在相机接收截面上边界C接收第i个散射体发出的散射光时的散 射角，02i表示在相机接收截面下边界B接收第i个散射体发出的散射光时的散射角， 表示在接收截面中心A接收第i个散射体发出的散射光时的散射角，Z COA表示第i个散 射体的位置到相机接收截面上边界C的连线、第i个散射体的位置到相机接收截面的中心 A的连线之间的夹角，Z AOB表示第i个散射体的位置到相机接收截面的中心A的连接、第 i个散射体的位置到相机接收截面下边界B的连线之间的夹角，CE表示相机接收截面上边 界C到相机接收截面中心A与第i个散射体的位置连线的垂直距离且垂足为E，AO表示相 机接收截面的中心A到第i个散射体的位置的距离，AE表示相机接收截面的中心A到垂足 E的距离，BF表示相机接收截面下边界B到相机接收截面中心A与第i个散射体的位置连 线的垂直距离且垂足为F，AF表示相机接收截面的中心A到垂足F的距离； (12) 2. 3. 5)分别根据式（12)计算第i个散射体在散射角Θ方向的方位角； 式（12)中，?表不第i个散射体在散射角Θ方向的方位角，Θ li表不在相机接收截 面上边界C接收第i个散射体发出的散射光时的散射角，Θ 2i表示在相机接收截面下边界 B接收第i个散射体发出的散射光时的散射角，Θ i表示在接收截面中心A接收第i个散射 体发出的散射光时的散射角； 2.3.6)分别根据式（13)计算出由水滴组成的各个散射体的理论散射光强：
(13) 式（13)中，U表示被第i个像元接收的第i散射体发出的理论散射光强，^表示激光 光束的入射光强，τ表不介质池度，Ι^Π 表不激光光束到达第i个散射体所经过的距离，LQ2i 表示第i个散射体到相机接收截面的中心A的距离，λ表示激光光束的波长，\表示第i 个散射体的体积，^表示水滴粒径的下限，r2表示水滴粒径的上限，r表示水滴半径，N表示 当前参量组中的水滴数密度；θ π表示在相机接收截面上边界C接收第i个散射体发出的 散射光时的散射角，Θ 2i表示在相机接收截面下边界B接收第i个散射体发出的散射光时 的散射角，( Θ )和i2 ( Θ )表示Mie散射理论的散射强度函数，Δ0表示表示第i个散射体 在散射角Θ方向的方位角，表示在接收截面中心A接收第i个散射体发出的散射光时 的散射角，f (r)表示前述的Rosin-Rammler函数。
【文档编号】G01N21/53GK104089929SQ201410330557
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月11日 优先权日:2014年7月11日
【发明者】黄竹青, 杨颖 , 黄章俊, 丁涛, 许春山 申请人:长沙理工大学