后向散射法测量蒸汽参数的CCD相机接收角优化

黄竹青,唐振洲,黄章俊,周 凌,罗 赟

(1.长沙理工大学能源与动力工程学院,湖南 长沙 410114;2.湘潭大学,湖南 湘潭 411105)

1 引 言

常规电站中大型冷凝式蒸汽透平的末几级和核电站中透平的全部级都在湿蒸汽状态下工作。湿蒸汽的存在不仅降低了汽轮机的运行效率,而且湿蒸汽中的水滴会对高速运行的汽轮机动叶片造成撞击、冲蚀,给汽轮机的经济性和安全性造成极大的危害。测量蒸汽湿度及水滴颗粒粒径分布对于了解汽轮机末级的工作状态,为汽轮机安全经济地运行提供保障,具有很强的理论价值和现实意义[1]。

目前蒸汽湿度测量的方法很多,如热力学法、光学法、化学法等,但适用于汽轮机内流动湿蒸汽湿度的测量方法主要是热力学法和光学法[2-6]。现阶段光散射法依托其测量范围更广,精度更高,测量速度更快,与计算机相整合后更便于在线测量的优势,已经逐渐成为湿蒸汽参数测量的主要方法之一,具有实现实时监测湿蒸汽参数的前景[7]。

2 测量实验模型

后向散射法测量蒸汽湿度以Mie散射理论为基础,该理论阐述的是球形颗粒的散射特性,描述了散射光中包含水滴粒径、粒径分布、水滴浓度等信息。因此,通过激光器和CCD相机联合作用,接收水滴群在某个角度范围内的散射光信号,然后根据Mie散射理论对测量数据进行反演,即可求得湿蒸汽中水滴粒径、粒径分布和浓度等参数[8-9],根据这些参数,利用水蒸气湿度公式即可求得水蒸气湿度。

后向散射法蒸汽测量模型如图1所示,实验模型主要由模拟汽缸、激光器和CCD相机组成。从激光器发出的入射光束水平穿过湿蒸汽区,会向各个方向发生散射,CCD相机固定在观察孔的上方,接收该散射角度下的散射光。CCD相机的视场角范围与激光光束传播方向的重合区域即为测量区域。

图1 后向散射法湿蒸汽测量模型Fig.1 Measurement model of wet steam parameters based on the backscatter measurement method

如图1所示,光束穿过模拟汽缸到达探测器的过程可分为三个过程:衰减(A→B)→散射(B)→衰减(B→C)。此过程中,A→B、B→C两个衰减过程遵循Lambert-Beer定律,B的散射过程遵循Mie散射理论[10-11]。

假设入射光强为I0,则CCD相机最终接收到的散射光强I3为：

sin(π-θ)·Δφf(r)dθdr}exp(-τL02)

sin(π-θ)·Δφf(r)dθdr}

(1)

式中,L01为衰减区(A→B)的长度;L02为衰减区(B→C)的长度;Δφ是极化角;θ1和θ2表示散射角范围;V表示散射区间的体积；r1、r2为水滴粒径范围;λ为入射光波长。

3 湿蒸汽后向光散射特性

图2 水滴群散射比分布规律Fig.2 The distribution of water droplets scattering ratio

4 系统数据计算及影响分析

图3 不同接收角的散射光强对比Fig.3 Comparison ofscattered light intensity with different receiving-angle

从图3可见,随着接收角从5°到10°增大时,散射光强呈先增加后递减趋势,与图2中接收角在170°～175°时散射光强先增加后降低的变化趋势对应,因此满足实验要求。可以看到,当接收方位角为7°时,散射光强明显高于其他角度,并且在CCD相机横向像元方向呈现出先增强后减弱的趋势,当CCD相机横向像元为800时达到极值。

由Mie散射理论可知,接收角度不同,散射光强会有很大的变化。因此,为了得到适合后向测量散射光强的接收角度,在相同的设定条件下,对7°和30°角进行比较,结果如图4所示。

图4 接收角度7°和30°的散射光强比较Fig.4 Comparison of scattered light intensity with receiving-angle of 7° and 30°

当接收角为后向7°时,散射光强明显强于30°。由图4可见,后向7°时的散射光强在横向像元方向是呈上升趋势,在横向像素点800的位置达到最大。而30°的散射光强并没有明显的变化趋势,这是因为后向7°时的散射光强远远强于后向30°,从而使得后向30°的变化趋势被掩盖。

图5 散射光强随像元位置的变化Fig.5 The change of the scattering light intensity with the position of the pixel

图5(a)是保持水滴质量中间半径和水滴数密度不变,对尺度分布参数K进行分析,结果表明,随着尺度分布参数K的增大,各个像元接收到的散射光强度也越大,这是由于K值越大水滴群的半径分布越集中,散射光强就越接近单一分散系的散射特性。图像的前半段,曲线分布杂乱,是因为K值不同到CCD相机达响应饱和的位置也不同所导致的。

实际测量中,采集到的信号数据通常都伴有一定的噪声,为了更加贴近实际情况,在上述的仿真计算过程中,人为的给模拟数据添加了一定比例的随机噪声,得到接收角度为7°时各个像元对应的散射光强数据,如图5(d)所示。

上述后向7°角的变化趋势,与图2的变化趋势相对应,通过对比可知,后向7°的散射光条件优于后向30°角。在进行实验测量时,选择后向7°角为接收角更合适。

5 结 论

根据Mie散射理论对基于后向散射法的湿蒸汽参数测量模型中CCD相机的接收角度进行优化分析,得出以下结论：

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