等容加热式饱和蒸汽湿度监测仪研制

　　1　引言

　　以饱和蒸汽为工作介质的热力设备广泛用于动力、化工、食品等工业过程中。特别是在凝汽式汽轮机的低压级,核电站汽轮机,地热电站汽轮机,汽水分离器等设备中,饱和蒸汽的湿度大小直接影响着设备的经济性和安全性。湿度增加会导致汽轮机的效率降低,由此造成了巨大的经济损失。此外,由于湿度增加又会导致叶片水蚀加剧,由此造成的安全性降低,其危害更为严重。

　　随着火电机组容量的不断扩大及核电机组的逐步增加,蒸汽湿度的测量技术已越来越多地受到了人们的重视。世界上一些主要的汽轮机研究制造机构和国内学者在这方面都进行了较为深入的探索[1,2,3],取得了可喜的进展[4,5,6]。但到目前为止,研究工作仍限于实验阶段,还没有一种能长期用在工业现场的湿度监测装置。

　　本文基于等容加热原理提出了一种新型的饱和蒸汽湿度装置的自动控制和监测数据的实时采集处理。

　　2　测量原理及数学模型

　　湿蒸汽是干饱和蒸汽和饱和水的混合物,饱和蒸汽的湿度y定义为:

　　式中,mf=m′+m″为蒸汽的总质量,m′和m″分别为饱和水及饱和蒸汽的质量。

　　对湿蒸汽进行加热,随着液相的蒸发,湿蒸汽会逐渐变为干蒸汽。若继续加热,干蒸汽就会变为过热蒸汽。由饱和蒸汽的热力性质可知,其饱和蒸汽的比容υy服从以下关系:

　　υy=yυ′+(1-y)υ″(2—2)

　　式中υ′和υ″分别为饱和水及干饱和蒸汽的比容。倘若加热过程中保持比容不变,则只要测出加热前及加热后的温度、压力,即可求出饱和蒸汽的湿度。其热力学原理如图2—1所示。

　　在图2—1中,定容过程如0—1—2所示。0点为被测饱和蒸汽的初始状态,其温度t0及压力p0易于测定。2点为过热态,其温度和压力也易于测定。由于过热蒸汽的比容仅由其温度和压力决定,所以测得p2和t2后,即可按过热蒸汽热力性质公式或查水蒸气热力性质表得到过热蒸汽的比容υ2。因为0—2是定容过程,故初始状态比容与过热状态比容相等。

　　式中,υ′和υ″分别为初始状态的饱和水及干饱和蒸汽的比容,其数值可根据t0或P0由焓熵图或水蒸气表查得,也可用水蒸气热力性质公式计算出来。

　　3　采样测量系统的结构设计

　　为满足等容加热的热力学条件,必须设计出结构合理的采样测量系统。该系统应保证采样蒸汽的代表性及采样过程对被采汽样的无扰性。在机械结构上,采样系统必须解决两个重要问题:一是采样筒的动作驱动,二是等容加热过程中的采样筒密封。因此,本文设计了图3—1所示的采样系统。