后向散射法測量蒸汽參數的CCD相機接收角優化

黃竹青,唐振洲,黃章俊,周 凌,羅 赟

(1.長沙理工大學能源與動力工程學院,湖南 長沙 410114;2.湘潭大學,湖南 湘潭 411105)

1 引 言

常規電站中大型冷凝式蒸汽透平的末幾級和核電站中透平的全部級都在濕蒸汽狀態下工作。濕蒸汽的存在不僅降低了汽輪機的運行效率,而且濕蒸汽中的水滴會對高速運行的汽輪機動葉片造成撞擊、沖蝕,給汽輪機的經濟性和安全性造成極大的危害。測量蒸汽濕度及水滴顆粒粒徑分布對于了解汽輪機末級的工作狀態,為汽輪機安全經濟地運行提供保障,具有很強的理論價值和現實意義[1]。

目前蒸汽濕度測量的方法很多,如熱力學法、光學法、化學法等,但適用于汽輪機內流動濕蒸汽濕度的測量方法主要是熱力學法和光學法[2-6]。現階段光散射法依托其測量范圍更廣,精度更高,測量速度更快,與計算機相整合后更便于在線測量的優勢,已經逐漸成為濕蒸汽參數測量的主要方法之一,具有實現實時監測濕蒸汽參數的前景[7]。

2 測量實驗模型

后向散射法測量蒸汽濕度以Mie散射理論為基礎,該理論闡述的是球形顆粒的散射特性,描述了散射光中包含水滴粒徑、粒徑分布、水滴濃度等信息。因此,通過激光器和CCD相機聯合作用,接收水滴群在某個角度范圍內的散射光信號,然后根據Mie散射理論對測量數據進行反演,即可求得濕蒸汽中水滴粒徑、粒徑分布和濃度等參數[8-9],根據這些參數,利用水蒸氣濕度公式即可求得水蒸氣濕度。

后向散射法蒸汽測量模型如圖1所示,實驗模型主要由模擬汽缸、激光器和CCD相機組成。從激光器發出的入射光束水平穿過濕蒸汽區,會向各個方向發生散射,CCD相機固定在觀察孔的上方,接收該散射角度下的散射光。CCD相機的視場角范圍與激光光束傳播方向的重合區域即為測量區域。

圖1 后向散射法濕蒸汽測量模型Fig.1 Measurement model of wet steam parameters based on the backscatter measurement method

如圖1所示,光束穿過模擬汽缸到達探測器的過程可分為三個過程:衰減(A→B)→散射(B)→衰減(B→C)。此過程中,A→B、B→C兩個衰減過程遵循Lambert-Beer定律,B的散射過程遵循Mie散射理論[10-11]。

假設入射光強為I0,則CCD相機最終接收到的散射光強I3為：

sin(π-θ)·Δφf(r)dθdr}exp(-τL02)

sin(π-θ)·Δφf(r)dθdr}

(1)

式中,L01為衰減區(A→B)的長度;L02為衰減區(B→C)的長度;Δφ是極化角;θ1和θ2表示散射角范圍;V表示散射區間的體積；r1、r2為水滴粒徑范圍;λ為入射光波長。

3 濕蒸汽后向光散射特性

圖2 水滴群散射比分布規律Fig.2 The distribution of water droplets scattering ratio

4 系統數據計算及影響分析

圖3 不同接收角的散射光強對比Fig.3 Comparison ofscattered light intensity with different receiving-angle

從圖3可見,隨著接收角從5°到10°增大時,散射光強呈先增加后遞減趨勢,與圖2中接收角在170°～175°時散射光強先增加后降低的變化趨勢對應,因此滿足實驗要求。可以看到,當接收方位角為7°時,散射光強明顯高于其他角度,并且在CCD相機橫向像元方向呈現出先增強后減弱的趨勢,當CCD相機橫向像元為800時達到極值。

由Mie散射理論可知,接收角度不同,散射光強會有很大的變化。因此,為了得到適合后向測量散射光強的接收角度,在相同的設定條件下,對7°和30°角進行比較,結果如圖4所示。

圖4 接收角度7°和30°的散射光強比較Fig.4 Comparison of scattered light intensity with receiving-angle of 7° and 30°

當接收角為后向7°時,散射光強明顯強于30°。由圖4可見,后向7°時的散射光強在橫向像元方向是呈上升趨勢,在橫向像素點800的位置達到最大。而30°的散射光強并沒有明顯的變化趨勢,這是因為后向7°時的散射光強遠遠強于后向30°,從而使得后向30°的變化趨勢被掩蓋。

圖5 散射光強隨像元位置的變化Fig.5 The change of the scattering light intensity with the position of the pixel

圖5(a)是保持水滴質量中間半徑和水滴數密度不變,對尺度分布參數K進行分析,結果表明,隨著尺度分布參數K的增大,各個像元接收到的散射光強度也越大,這是由于K值越大水滴群的半徑分布越集中,散射光強就越接近單一分散系的散射特性。圖像的前半段,曲線分布雜亂,是因為K值不同到CCD相機達響應飽和的位置也不同所導致的。

實際測量中,采集到的信號數據通常都伴有一定的噪聲,為了更加貼近實際情況,在上述的仿真計算過程中,人為的給模擬數據添加了一定比例的隨機噪聲,得到接收角度為7°時各個像元對應的散射光強數據,如圖5(d)所示。

上述后向7°角的變化趨勢,與圖2的變化趨勢相對應,通過對比可知,后向7°的散射光條件優于后向30°角。在進行實驗測量時,選擇后向7°角為接收角更合適。

5 結 論

根據Mie散射理論對基于后向散射法的濕蒸汽參數測量模型中CCD相機的接收角度進行優化分析,得出以下結論：

參考文獻：

[1] JIAO Ye,HUANGZhuqing,CAOXiaoling et al.Simulation study on steam moisture measurement based on the method of optical back-scattering[J].Laser Technology,2013,(3):310-313.(in Chinese)

焦燁,黃竹青,曹小玲,等.基于激光后向散射測量蒸汽濕度的仿真研究[J].激光技術,2013,(3):310-313.

[2] WANG Shenlong.Study on a method and application of wetness measurement online for steam turbine[D].Baoding:North China Electric University,2005.(in Chinese)

王升龍.汽輪機蒸汽濕度在線監測方法及應用研究[D].保定：華北電力大學,2005.

[3] LIU Jiancheng,LIN Zhihong,WEN Xueyou et al.Recent advances in the technology of moisture removal in steam turbines[J].Journal of Engineering for Thermal Energy and Power,2005,(1):1-5.(in Chinese)

劉建成,林志鴻,聞雪友,等.汽輪機內部除濕技術的發展[J].熱能動力工程,2005,20(1):1-5.

[4] REN Haoren,SHENG Deren,LU Xuefeng,et al.Calculation of turbine exhaust in online system[J].Power Engneering,1998,18(6):1-4.(in Chinese)

任浩仁,盛得仁,盧學峰,等.汽輪機在線性能計算中排汽燴的確定[J].動力工程,1998,18(6):1-4.

[5] ZHANG Hong,CAI Xiaoshu,WANG Xihua.Development of wet steam measurement technologies in steam turbine[J].Thermal Turbine,2007,36(1):1-7.(in Chinese)

張弘,蔡小舒,王夕華.汽輪機內濕蒸汽實驗測量技術現狀[J].熱力透平,2007,36(1):1-7.

[6] LI Qunlin,LIU Bofeng,XIAOXiang.Image measurement for the diameters of drop in two phase wet steam flow in steam turbine,2006,(12):6668.(in Chinese)

李群林,劉波峰,肖湘.使用照相法測量汽輪機濕蒸汽中水滴尺寸的研究[J].中國儀器儀表,2006,(12):6668.

[7] WU Wei,QIN Shiqiao,HUANG Zhuqing.A fast inversion method for water droplet size determination in scattering light measurement[J].Acta Optical Sinica,2011,(7):156-160.(in Chinese)

吳偉,秦石喬,黃竹青.水滴粒徑散射測量中的快速反演方法研究[J].光學學報,2011,(7):156-160.

[8] HUANG Zhuqing.Investigation of moisture steam characteristic measurement methods in steam turbine based on light scattering[D].Changsha:National University of Defense Technology,2010.(in Chinese)

黃竹青.基于光散射的汽輪機濕蒸汽特性測量方法研究[D].長沙：國防科學技術大學,2010.

[9] ZHANG Heyong,RENDeming,ZHAOWeijiang,et al.Resurch of scattering phase function of spheric particle under polarized state[J].Opto-Electronic Engineering,2008,35,(9):71-75.(in Chinese)

張合勇,任德明,趙衛疆,等.偏振狀態下球形粒子的散射相位函數研究[J].光電工程,2008,35,(9):71-75.

[10] ZHANG Wei,LU Yuan,DU Shiming,et al.Analysis of characteristics of mie scatering[J].Optical Technology,2010,(6):936-939.(in Chinese)

張偉,路遠,杜石明,等.球形粒子Mie散射特性分析[J].光學技術,2010,(6):936-939.

[11] WANG Xianfen,LIU Guangbin,ZHENG Zhong,et al.Onwards continue fraction algorithm for mie scattering and numerical stimulation[J].Optical Technology,2009,(4):541-543.(in Chinese)

王蓮芬,劉光斌,鄭重,等.Mie散射向前遞推連分式算法及其數值模擬[J].光學技術,2009,(4):541-543.