一种基于电弧加热的流动湿蒸汽湿度传感器及测量方法与流程

本发明涉及一种流动湿蒸汽湿度传感器及测量方法，具体涉及一种基于电弧加热的流动湿蒸汽湿度传感器及测量方法。

背景技术：

湿蒸汽作为一种工作介质广泛应用于热动力工程领域。例如在汽轮机中，流动湿蒸汽不仅引起机组效率的下降，还对叶片和汽缸造成水蚀。测量汽轮机中流动湿蒸汽的湿度(特别是排汽湿度)是汽轮机热力试验的重要内容，也是评价机组性能以及改进机组设计的重要依据；在机组运行中也希望能实时监控低压级组的湿度，从而为评估叶片水蚀的程度提供依据。

目前，诸多文献公开了数种原理的湿蒸汽湿度测量方法，例如加热法、光学法、电容法、微波法、光纤光栅法、超声波法等。这些方法中相对较为成熟的是光学法和加热法，其他方法大多处于理论或实验室研究阶段。

光学法能兼顾湿度和水滴粒径的测量，但本质上其湿度是对流动湿蒸汽中数量巨大且尺寸差异悬殊的水滴进行统计的结果，一般认为其测量精度低于加热法；另外，光学法测量设备复杂昂贵，目前还仅用于科学实验研究，难以在工程实际中大范围推广；此外，光学法湿度测量装置也无法实现长期在线实时监测。

加热法最早被提出，其基本原理是将湿蒸汽样本加热为过热蒸汽，通过测量加热量以及过热蒸汽的热力学参数和流量，根据热平衡关系即可得到湿度值。加热法的优点是湿度测量装置无需标定，依据能量守恒原理进行测量因而保证具有高精度。其难点体现在三个方面，一是湿蒸汽样本的流量通常非常小，低于绝大部分现有各类流量计的最小量程，因而精确测量流量困难。二是实际流动湿蒸汽的速度很高，例如凝汽式汽轮机的排汽速度达到80～120m/s，在湿蒸汽通过测量装置的极短时间内将其加热为过热蒸汽存在很大的技术难度；同时这也导致了第三方面的难点，即加热段长度和测量装置体积之间存在矛盾：为了扩大应用范围，要求测量装置的体积尽可能小，而采用常规电阻丝加热方法时只能通过延长加热段的实际长度来满足加热的要求(如201310073920.1)。专利201410136475.3采用了微波加热来缩短湿蒸汽中水滴蒸发为蒸汽的时间，但仍然存在结构不够简单、设备比较昂贵的缺点，限制了其大规模工程应用的空间。上述难点导致目前没有任何一种加热法湿度测量装置能够同时满足汽轮机级内和排汽湿度实时在线测量的需要。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于电弧加热的流动湿蒸汽湿度传感器及测量方法，该传感器结构简单、体积小、成本低，该测量方法测量精度高，并且能够适用于各种环境中对流动湿蒸汽湿度进行实时在线测量。

为达到上述目的，本发明所述的基于电弧加热的流动湿蒸汽湿度传感器包括内套管、外套管及控制与数据处理模块，外套管套接于内套管的外壁上，且内套管与外套管之间设有绝热密封层；

内套管的管壁上沿湿蒸汽流动的方向依次设有第一温度传感器、第一组电极、第二温度传感器、第二组电极及第三温度传感器，内套管的管壁上还设有第一压力传感器及第二压力传感器，其中，第一压力传感器及第二压力传感器分别正对第二温度传感器及第三温度传感器，第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、第一组电极及第二组电极均与控制与数据处理模块相连接。

湿蒸汽经内套管的进口端进入到内套管中，然后再经内套管的出口端排出，其中，内套管的进口端为楔形结构。

内套管的横截面为圆环形结构、矩形环状结构或类椭圆环状结构。

第一组电极分为若干对第一电极，各对第一电极中的两个第一电极相对分布，各对第一电极沿内套管的周向依次分布；第二组电极分为若干对第二电极，各对第二电极中的两个第二电极相对分布，各对第二电极沿内套管的周向依次分布。

还包括用于固定及支撑外套管的支架。

本发明所述的基于电弧加热的流动湿蒸汽湿度测量方法包括以下步骤：

1)将基于电弧加热的流动湿蒸汽湿度传感器放置于检测位置，湿蒸汽经内套管的进口端进入到内套管中，然后再经内套管的出口端流出，其中，第一温度传感器检测所述湿蒸汽的温度信息t₁，并将所述湿蒸汽的温度信息t₁发送至控制与数据处理模块中，控制与数据处理模块控制第一组电极对湿蒸汽进行电弧电热，使湿蒸汽转换为过热蒸汽，第二温度传感器测量所述过热蒸汽的温度信息t₂，并将所述过热蒸汽的温度信息t₂发送至控制与数据处理模块中，同时第一压力传感器测量过热蒸汽的压力信息p₂，并将过热蒸汽的压力信息p₂发送至控制与数据处理模块中，控制与数据处理模块控制第二组电极对过热蒸汽进行电弧加热，使过热蒸汽转变为再次加热的过热蒸汽，第三温度传感器检测再次加热的过热蒸汽的温度信息t₃，并将所述再次加热的过热蒸汽的温度信息t₃发送至控制与数据处理模块中，同时第二压力传感器测量再次加热的过热蒸汽的压力信息p₃，并将再次加热的过热蒸汽的压力信息p₃发送至控制与数据处理模块中，其中，第一组电极对湿蒸汽的加热量为q₂，第二组电极8对过热蒸汽的加热量为q₃；

2)控制与数据处理模块根据第一组电极对湿蒸汽的加热量q₂、第二组电极对过热蒸汽的加热量q₃、湿蒸汽的温度信息t₁、过热蒸汽的温度信息t₂、过热蒸汽的压力信息p₂、再次加热的过热蒸汽的温度信息t₃以及再次加热的过热蒸汽的压力信息p₃计算检测位置流动湿蒸汽的湿度。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的基于电弧加热的流动湿蒸汽湿度传感器及测量方法在具体操作时，通过第一组电极及第二组电极对湿蒸汽进行加热，相对于常规电阻丝加热方案中热量经电阻丝、管壁、管内壁水膜、蒸汽及蒸汽中的水滴依次低效传递的方式，本发明中湿蒸汽本身就是第一组电极及第二组电极产生的电弧的导电介质，热量从湿蒸汽内部直接产生。另外，相对于现有的加热方案中湿蒸汽需要流经较长的加热段才能被加热为过热蒸汽的缺点，本发明采用电弧将湿蒸汽加热为高温等离子体，并在电弧下游复合得到电中性的过热蒸汽，因此只需使湿蒸汽通过一个垂直于湿蒸汽流动方向的电弧截面，即可将湿蒸汽加热为过热蒸汽，从而有效的缩短湿蒸汽加热段长度，减少传感器的体积，并且能够有效的减少热量的散失，提高测量的精度，使传感器能够应用于各种环境中对流动湿蒸汽湿度进行实时在线测量。另外，本发明无需在传感器中绕制电阻丝或设置微波波导结构，只需安装第一组电极及第二组电极即可，极大的简化了传感器的结构，降低传感器的成本。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中一种第一组电极5与第二组电极8的分布图；

图3为本发明中又一种第一组电极5与第二组电极8的分布图；

图4为本发明中又一种第一组电极5与第二组电极8的分布图；

图5为本发明中又一种第一组电极5与第二组电极8的分布图；

图6为本发明的原理图。

其中，1为内套管、2为外套管、3为绝热密封层、4为第一温度传感器、5为第一组电极、6为第二温度传感器、7为第一压力传感器、8为第二组电极、9为第三温度传感器、10为第二压力传感器、11为支架、12为控制与数据处理模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，基于电弧加热的流动湿蒸汽湿度传感器包括内套管1、外套管2及控制与数据处理模块12，外套管2套接于内套管1的外壁上，且内套管1与外套管2之间设有绝热密封层3；内套管1的管壁上沿湿蒸汽流动的方向依次设有第一温度传感器4、第一组电极5、第二温度传感器6、第二组电极8及第三温度传感器9，内套管1的管壁上还设有第一压力传感器7及第二压力传感器10，其中，第一压力传感器7及第二压力传感器10分别正对第二温度传感器6及第三温度传感器9，第一温度传感器4、第二温度传感器6、第三温度传感器9、第一压力传感器7、第二压力传感器10、第一组电极5及第二组电极8均与控制与数据处理模块12相连接。

湿蒸汽经内套管1的进口端进入到内套管1中，然后再经内套管1的出口端排出，其中，内套管1的进口端为楔形结构；内套管1的横截面为圆环形结构、矩形环状结构或类椭圆环状结构；第一组电极5分为若干对第一电极，各对第一电极中的两个第一电极相对分布，各对第一电极沿内套管1的周向依次分布；第二组电极8分为若干对第二电极，各对第二电极中的两个第二电极相对分布，各对第二电极沿内套管1的周向依次分布。本发明还包括用于固定及支撑外套管2的支架11。

本发明所述的基于电弧加热的流动湿蒸汽湿度测量方法，基于电弧加热的流动湿蒸汽湿度传感器，包括以下步骤：

1)将基于电弧加热的流动湿蒸汽湿度传感器放置于检测位置，湿蒸汽经内套管1的进口端进入到内套管1中，然后再经内套管1的出口端流出，其中，第一温度传感器4检测所述湿蒸汽的温度信息t₁，并将所述湿蒸汽的温度信息t₁发送至控制与数据处理模块12中，控制与数据处理模块12控制第一组电极5对湿蒸汽进行电弧电热，使湿蒸汽转换为过热蒸汽，第二温度传感器6测量所述过热蒸汽的温度信息t₂，并将所述过热蒸汽的温度信息t₂发送至控制与数据处理模块12中，同时第一压力传感器7测量过热蒸汽的压力信息p₂，并将过热蒸汽的压力信息p₂发送至控制与数据处理模块12中，控制与数据处理模块12控制第二组电极8对过热蒸汽进行电弧加热，使过热蒸汽转变为再次加热的过热蒸汽，第三温度传感器9检测再次加热的过热蒸汽的温度信息t₃，并将所述再次加热的过热蒸汽的温度信息t₃发送至控制与数据处理模块12中，同时第二压力传感器10测量再次加热的过热蒸汽的压力信息p₃，并将再次加热的过热蒸汽的压力信息p₃发送至控制与数据处理模块12中，其中，第一组电极5对湿蒸汽的加热量为q₂，第二组电极8对过热蒸汽的加热量为q₃；

2)控制与数据处理模块12根据第一组电极5对湿蒸汽的加热量q₂、第二组电极8对过热蒸汽的加热量q₃、湿蒸汽的温度信息t₁、过热蒸汽的温度信息t₂、过热蒸汽的压力信息p₂、再次加热的过热蒸汽的温度信息t₃以及再次加热的过热蒸汽的压力信息p₃计算检测位置流动湿蒸汽的湿度。

步骤2)的具体操作为：

1a)计算流经基于电弧加热的流动湿蒸汽湿度传感器的蒸汽流量m

根据能量守恒方程得：

其中，h₂为第二温度传感器6及第一压力传感器7所在横截面过热蒸汽的焓，h₂由t₂和p₂按水蒸汽性质计算公式得到，u₂为第二温度传感器6及第一压力传感器7所在横截面过热蒸汽的流动速度，h₃为第三温度传感器9及第二压力传感器10所在横截面再次加热的过热蒸汽的焓，h₃由t₃和p₃按水蒸汽性质计算公式得到，u₃为第三温度传感器9及第二压力传感器10所在横截面再次加热的过热蒸汽的流动速度，q_d3为第二组电极8到第三温度传感器9之间的散热量，由式(1)得

由质量连续方程得：

m＝ρ₂A₂u₂ (3)

m＝ρ₃A₃u₃ (4)

其中，A₂为第二温度传感器6与第一压力传感器7所在横截面过热蒸汽的流动面积，ρ₂为第二温度传感器6与第一压力传感器7所在横截面过热蒸汽的密度，A₃为第三温度传感器9与第二压力传感器10所在横截面再次加热的过热蒸汽的流动面积，ρ₃为第三温度传感器9与第二压力传感器10所在横截面再次加热的过热蒸汽的密度，将式(3)及式(4)代入式(2)中，得：

由式(5)得

由于内套管1与外套管2之间设有绝热密封层3，则q_d3＝0，然后将q_d3＝0代入式(6)中，并求解式(6)，得流经基于电弧加热的流动湿蒸汽湿度传感器的蒸汽流量m，再将流经基于电弧加热的流动湿蒸汽湿度传感器的蒸汽流量m代入式(3)中，得第二温度传感器6及第一压力传感器7所在横截面过热蒸汽的流动速度u₂；

2a)计算流动湿蒸汽的湿度

由能量守恒方程得：

其中，h₁为第一温度传感器4所在横截面湿蒸汽的焓，u₁为第一温度传感器4所在横截面湿蒸汽的流动速度，q_d2为第一组电极5到第二温度传感器6之间过热蒸汽的散热量，其中，q_d2＝0，由式(7)得

然后根据迭代算法求解式(8)，得第一温度传感器4所在横截面湿蒸汽的流动速度u₁及第一温度传感器4所在横截面湿蒸汽的焓h₁，然后根据第一温度传感器4所在横截面湿蒸汽的温度t₁及第一温度传感器4所在横截面湿蒸汽的焓h₁得流动湿蒸汽的湿度。