汽轮机排汽湿度微波谐振腔测量技术的研究

论文摘要

火电站凝汽式汽轮机低压缸的末几级和水冷堆核电汽轮机的全部级都工作在湿蒸汽区,湿蒸汽主要给汽轮机运行带来了湿汽损失和叶片侵蚀两方面的问题,而湿汽损失和叶片侵蚀与级内蒸汽湿度的大小及分布密切相关,因此,级内蒸汽湿度的准确确定是深入研究汽轮机内湿蒸汽问题的基础。同时,蒸汽湿度的确定也有助于确定透平级的运行效率,了解级的工作状态,为汽轮机的安全经济运行提供指导。因此,汽轮机内蒸汽湿度的计算与测量是汽轮机内湿蒸汽问题的一个重要研究方向。本文主要在汽轮机内蒸汽湿度的计算分析方法和检测技术方面开展了研究。深入研究了计算分析汽轮机排汽湿度的能量平衡法,针对传统能量平衡法的不足,提出了一种改进算法。该方法将汽轮机、凝汽器及回热系统视为一闭口热力系,利用机组监测系统提供的热力系统参数,用Flügel及其改进型公式求得主、再热蒸汽和排汽流量后,根据输入、输出系统的能量平衡计算出汽轮机的排汽湿度。该方法不需对回热系统进行详细计算,减小了测量累积误差,并且避免了因忽略轴封和门杆漏汽所产生的误差。对某N200MW和N330MW汽轮机排汽湿度的分析表明,该方法具有较高的精确度。提出并研究了汽轮机排汽湿度的微波谐振腔测量法。分析了汽轮机内湿蒸汽的介电特性,基于蒸汽湿度与其介电常数之间存在的单值关系,首次将微波谐振腔微扰技术应用于蒸汽湿度测量,并研究了实现该测量技术的一些关键问题。根据汽轮机内湿蒸汽参数的变化特点,研究确定了微波谐振腔测量系统;综合考虑测量腔尺寸和测量精度两方面的因素,确定了系统工作的基本频率;根据汽轮机内湿蒸汽两相流特点,确定了测量腔的结构型式和其工作模式;通过对谐振腔的高频电磁特性分析和对流过谐振腔的湿蒸汽两相流动的数值模拟,对谐振腔的腔体结构及进口端结构进行了优化设计,确定了测量腔本体和端部的详细结构。构建了湿蒸汽实验系统并进行了蒸汽湿度测量的实验研究。分析了温度调节喷水水滴在蒸汽流中的加热汽化过程,计算了水滴汽化长度,设计制作了蒸汽膨胀喷管,构建了湿蒸汽实验系统。利用该系统进行了喷管内的一维凝结流动实验,用自制的微波谐振腔蒸汽湿度测量装置,对不同工况下喷管出口蒸汽湿度的变化值进行了测量,并对各实验工况进行了数值模拟计算,在本文的实验范围内,测量的最大误差为-0.32%。分析了影响测量精度的因素和提高测量精度的措施,深入分析了汽流温度变化和谐振腔内壁沉积水膜两个主要因素的影响。蒸汽温度变化引起的误差,可以通过腔体采用低膨胀材料及进行温度补偿来减小;正常情况下,水膜厚度不到10μm,引起的蒸汽湿度测量绝对误差小于0.07%。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 主要符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 汽轮机排汽湿度计算与测量技术的研究进展
• 1.2.1 汽轮机排汽湿度计算
• 1.2.2 汽轮机排汽湿度测量
• 1.3 论文的研究内容和主要工作
• 第二章 汽轮机排汽湿度在线分析
• 2.1 汽轮机排汽湿度在线分析模型
• 2.2 汽轮机排汽量的计算
• 2.3 汽轮机排汽湿度（排汽焓）计算结果误差分析
• 2.4 汽轮机排汽平均湿度（焓）计算实例
• 2.5 本章小结
• 第三章 汽轮机排汽湿度的谐振腔微扰测量法原理
• 3.1 汽轮机排汽的介电特性
• 3.2 蒸汽湿度的微波谐振腔微扰测量法原理
• 3.3 谐振腔工作模式的选取及蒸汽湿度与谐振频率关系
• 3.3.1 谐振腔类型及工作模式的选取
• 3.3.2 蒸汽湿度与谐振腔谐振频偏关系
• 3.4 本章小结
• 第四章 微波谐振腔微扰法蒸汽湿度测量技术研究
• 4.1 蒸汽湿度的微波谐振腔微扰法测量系统
• 4.1.1 双谐振腔测量系统
• 4.1.2 单谐振腔测量系统
• 4.2 工作频率的选择
• 4.3 谐振腔的结构设计及优化
• 4.3.1 谐振腔的基本结构
• 4.3.2 谐振腔与矩形波导间耦合结构的设计
• 4.3.3 谐振腔的端部（分隔器）结构
• 4.4 谐振腔的高频电磁特性分析
• 4.5 谐振腔处流场数值分析及其入口端结构设计
• 4.5.1 谐振腔处两相流动数值模拟模型
• 4.5.2 谐振腔处流场数值分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 湿蒸汽实验系统
• 5.1 引言
• 5.2 湿蒸汽实验系统
• 5.3 喷管内蒸汽自发凝结流动特征
• 5.4 水滴在过热蒸汽中加热及汽化过程分析
• 5.4.1 液滴与蒸汽间的传热传质模型
• 5.4.2 水滴汽化长度计算
• 5.5 实验膨胀喷管
• 5.6 实验相关参数测量
• 5.6.1 压力温度测量
• 5.6.2 取样管内凝结水分的清除
• 5.7 本章小结
• 第六章 蒸汽自发凝结的模拟计算与实验测量
• 6.1 蒸汽自发凝结两相流动数值模型
• 6.1.1 自发凝结成核以及水滴生长模型
• 6.1.2 汽液两相流场的流动控制方程
• 6.2 喷管中一维凝结流动模拟计算及模型验证
• 6.2.1 流动控制方程
• 6.2.2 数值模型验证与经验系数选取
• 6.3 蒸汽在喷管内自发凝结流动模拟计算与实验测量
• 6.4 影响湿度测量精度的因素及误差分析
• 6.4.1 温度变化的对湿度测量的影响
• 6.4.2 谐振腔内壁水膜对湿度测量的影响
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附图
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果