基于双区加热法的汽轮机蒸汽湿度测量误差分析研究

　　1 引言

　　蒸汽湿度的测量对汽轮机安全经济运行具有重要意义。用于汽轮机内流动湿蒸汽湿度的测量方法有：热力学法和光学法。其中热力学法测量技术主要有节流法、加热法、凝结法、蒸汽一空气混合法。

　　热力学法中加热法的测量精度较高，适合用于汽轮机排汽湿度的测量。传统的加热法湿度测量探针以CERL 探针为代表，其工作原理如图 1 所示。

　　抽取具有代表性的湿蒸汽，进口状态参数为质量m、压力 P1、湿度 Y 及速度 U1，并将其在工作段中加热到干饱和蒸汽状态或过热状态，加热元件所产生的加热量为 Q , 散热损失量为 q, 加热后的状态参数为压力 P2及温度 T2，根据质能守恒关系可得到进出口的焓值，通过查焓—熵图，即可确定工作段进口的湿度。

　　CERL湿度探针采用由内管和外管组成的套管式工作段，在套管夹层中抽成真空，以减小散热损失，但在进行湿度的计算时忽略了散热量，导致测量精度降低。并且要在取样蒸汽凝结成水后才能测量其流量，因而需要一套独立的高真空凝结设备，所以测量系统结构复杂。

　　2双区加热法测量湿度原理

　　如图 2 所示，双区加热法可以看成是一个理想的定容加热过程，其探针结构可等效为等直径的圆管。圆管分为蒸发段 L0和过热段 L1两个段，两管采用绝热垫片隔开，尽可能的减少两管间的热交换，两管间可视为绝热。

　　在蒸发段内湿蒸汽被电加热器加热成为过热蒸汽，由蒸发段出来的过热蒸汽在过热段内被继续加热到较大的过热度。依据热平衡，通过测量蒸发段进口的饱和压力 P0(或饱和温度 t0)，蒸发段出口的温度 tl(即过热段进口的温度)、蒸发段出口的压力 Pl(即过热段进口的压力)和过热段出口的温度 t2、压力 P2，以及两个加热段传给蒸汽的加热量 Q0、Ql，即可计算出蒸发段入口处湿蒸汽的湿度 Y0。由于整个过程可近似为定压过程，于是有蒸发段和过热段的能量方程以及饱和蒸汽焓的计算，可得到蒸发段入口处饱和蒸汽湿度的计算公式：

　　其中：m 为蒸汽质量流量;

　　v0''、v0'分别为饱和压力 P0下的饱和汽比容和饱和水比容;

　　A 为汽相和液相各自所占的横截面积之和;

　　h0''、h0'为饱和压力P0下的饱和汽焓和饱和水焓。

　　3双区加热法的误差分析

　　3.1 非动能取样

　　根据双区加热法的测量原理，进入测湿探针的被测蒸汽必须具有代表性，对蒸汽的取样应在等动能的条件下进行，才能保证测量的准确度。如果在非等动能情况下取样，探针的吸入取样速度和湿蒸汽来流速度不相等，因此流向探头附近的湿蒸汽汽流的方向将会改变。由于液相水滴的密度是汽相蒸汽密度的 1000倍以上，所以当取样时吸入速度和来流速度不相等时，水滴会因惯性力的作用而脱离弯曲的汽流流线，造成取样误差。假设在取样探头对准蒸汽来流的情况下，当吸入取样速度 C 小于蒸汽来流速度 C0时，取样蒸汽的湿度将偏高，取样水滴的平均直径将偏大。同样，当吸入取样速度 C 大于蒸汽来流速度 V0时，取样蒸汽的湿度将偏低，取样水滴的平均直径将偏小。