激光后向散射法在測量濕蒸氣中的應用研究

蔡 成，黃竹青，2*，曹小玲，焦 燁

（1.長沙理工大學能源與動力工程學院，長沙410114；2.湖南有色金屬職業(yè)技術學院，株洲412006）

激光后向散射法在測量濕蒸氣中的應用研究

蔡 成1，黃竹青1，2*，曹小玲1，焦 燁1

（1.長沙理工大學能源與動力工程學院，長沙410114；2.湖南有色金屬職業(yè)技術學院，株洲412006）

為了研究測量汽輪機內部濕蒸氣特性，采用了基于后向激光散射法的測量新方法，得到不同角度不同位置濕蒸氣散射光強度數(shù)據(jù)，從而得出濕蒸氣相關參量，并求得濕蒸氣水滴質量中間半徑為1μm左右。結果表明，無濕蒸氣時的空白數(shù)據(jù)對濕蒸氣方法也有影響，需要修正公式；無論有無濕蒸氣，30°的散射光光強均為60°的散射光光強的1.5倍左右，30°的散射光更明顯適于測量。這一結果說明激光后向散射原理測量濕蒸氣是可行的。

散射；濕蒸氣特性；激光后向散射；汽輪機

引 言

汽輪機是一種以蒸汽為工質，并將整齊的熱能轉換為機械功的旋轉機械，是現(xiàn)代電力和動力工程中應用最為廣泛的原動機。在汽輪機末級中，蒸汽流動會出現(xiàn)蒸汽凝結產(chǎn)生水分形成濕蒸氣這種現(xiàn)象，對機組效率產(chǎn)生很大影響。在大型的汽輪機中，濕蒸氣流動問題帶來的經(jīng)濟損失是很大的。而蒸汽濕度大小及分布的準確確定，有助于了解濕蒸氣區(qū)級的工作狀態(tài)，也為汽輪機的安全經(jīng)濟運行提供了參考。所以濕蒸氣相關參量的測量有很重要的理論意義及實用價值［1］。

針對現(xiàn)在各種測量濕蒸氣的方法，本文中提出運用光散射理論測量濕蒸氣的方法，可以在線測量濕蒸氣濕度甚至水滴直徑分布，而且由于在汽輪機內光線可能受遮擋無法進行前向散射，本文中利用后向散射的方法對模擬的汽輪機內部濕蒸氣情況進行測量，并進行分析處理。

1 激光散射原理

散射是指光線通過不均勻的介質而偏離其原來的傳播方向，散開到所有方向的現(xiàn)象，而在均勻介質中光線將沿原有的方向傳播而不發(fā)生散射現(xiàn)象［2］。但是如果在均勻介質中摻入一些不同折射率其它不均勻物質粒子時，則均勻介質的均勻折射率就會遭到破壞，這些不均勻的其它物質粒子就會引起光的散射。而不同物質粒子產(chǎn)生不同的散射光，散射光可以反映不同物質粒子的一些信息，例如顆粒大小、濃度、分布等。利用散射光得出這些物質的信息就必須運用光散射理論對散射光進行分析、處理［3］。

而光的散射主要有兩類：一類是散射光波矢量變化而波長不變化，比如瑞利散射等；一類是散射光波矢量和波長同時變化，比如喇曼散射等，如果粒子的大小比入射光的波長小得多，通常產(chǎn)生瑞利散射，散射光信號強度與d2／λ2成正比，其中d是粒子直徑，λ是入射光的波長，然而當粒子直徑可以和入射光波長相比較甚至更大的時候，就不能用瑞利散射來解釋了，則稱這時候的散射為Mie散射。根據(jù)Mie散射理論，可得以下公式［4-5］：

式中，E1為散射光能量，λ為入射光波長，I0為入射光光強，θ為散射角度，f（α）為散射微粒分布函數(shù)，i1與i2是Mie散射強度函數(shù)，分別表示平行和垂直偏振方向上的Mie散射強度，（1）式表示從α1到α2處的散射光強總能量，α是指位置變量。而根據(jù)（1）式可得距離與散射顆粒為r處的散射光強I1為［6］：

式中，k是單顆粒的散射系數(shù)，在散射顆粒密集區(qū)域，光線經(jīng)過一個散射顆粒散射之后經(jīng)過另一個散射顆粒的時候可能出現(xiàn)多次散射，但是在汽輪機較低濃度濕蒸氣內，這種多次散射影響是可以忽略的［7-8］。于是有I1／I0＝k／r2，即求得散射光強比值I1／I0之后，可得到散射顆粒系數(shù)即顆粒信息。又利用經(jīng)典Mie理論可以求得k主要與散射角θ、入射光波長λ、水滴直徑D、水滴的相對折射率n和蒸汽濕度Y有關，即測得散射光強比值I1／I0之后，可獲得水滴直徑D與蒸汽濕度Y為未知數(shù)的方程，測得一系列的散射角光強比值即可反演得到蒸汽濕度Y和水滴直徑D［9-10］。

假設θ0處的散射光強為I（θ0），θ處的散射光強為I（θ），則散射比K1為：

在已知散射角θ0和θ的散射光強比值的條件下，就可以根據(jù)式計算得到水滴的特征半徑。其中為散射強度高斯函數(shù)擬合，f1和β是擬合系數(shù)。

2 CCD測量方法與實驗裝置

實驗中將用電荷耦合器件（charge-coupled device，CCD）來測量。

實驗測量裝置主要是如圖1所示，由模擬氣壓缸、激光器、CCD相機、減震實驗臺、傅里葉透鏡和計算機構成。

Fig.1 Experiment system for lasermeasurement ofwet steam

如圖1所示，從單縱模連續(xù)輸出可見光，而激光抽運固體激光器（diode pumped solid-state laser，DPSSL）中輸出532nm的50MW的激光通過衰減片以防止CCD飽和，再射入模擬汽輪機濕蒸氣裝置中，在濕蒸氣環(huán)境下向各個方向進行散射，其中后向散射光從裝置孔射出來經(jīng)過傅里葉透鏡后用CCD相機內攝取光在濕蒸氣內產(chǎn)生的后向散射光圖像，再將攝取的圖像傳送到計算機中進行圖像分析和數(shù)據(jù)處理，采用MATLAB進行圖像分析和處理［11］。

如圖2所示是實驗設備實物圖，按截面分依次為第一截面到第五截面的后向0°、后向30°、后向60°以及后向90°。

Fig.2 Experiment setup

3 實驗結果與分析

在波長532nm下通過不同工況、不同位置的濕蒸氣條件下，可以發(fā)現(xiàn)光散射圖像也有明顯的不同［12］。

首先固定位置測量不同工況下的散射圖像，由圖3可知，測得圖像主要是一條直線。

Fig.3 a—laser backscatter images without wet steam b—laser backscatter images of0.24MPa changing wet steam c—laser backscatter images of0.44MPa changing wet steam d—laser backscatter images of0.44MPa stable wet steam

但是當濕蒸氣裝置內部沒有濕蒸氣時的空白圖像是清晰的細線（見圖3a），證明里面沒有濕蒸氣，所以很清晰，幾乎沒有大顆粒所以散射光為細細的一條直線，而且由于顆粒太少，直線散射圖像沒那么亮，而孔壁的反射光就顯得很亮呈半牙型，既然有圖案就說明空白數(shù)據(jù)對濕蒸汽測量有影響，需要考慮其影響。

而當工況改變，內部有濕蒸氣時，此時噴嘴前溫度從139℃到156℃變化，出口壓力從0.24MPa到0.44MPa變化，由圖3b與圖3c可知，光線的圖像越來越粗并且發(fā)散，因為其中濕蒸氣越來越多，向各個方向散射的也越來越明顯，線越來越粗，圓形孔壁由于被濕蒸氣覆蓋不是那么清晰可見，但是趨于穩(wěn)態(tài)時還是漸變清晰。

在工況穩(wěn)定為出口壓力為0.44MPa、噴嘴溫度為156℃濕蒸氣飽和時，圖像光柱很清晰集中，孔壁也很明顯，如圖3d所示，此時濕蒸氣很穩(wěn)定飽和，利于計算光強得到光散射強度。

而通過不同角度的散射光強可得散射光功率與角度的關系，如圖4所示。

Fig.4 a—light intensity distribution curve at different angle on the fifth section b—light intensity distribution curve at different angle on the third section

圖4a為第五截面的30°與60°散射光功率分布曲線，由于光功率與光強是線性比例關系，所以光強比值與光功率比值相等，故可以看到，30°與60°散射光強的趨勢相似，30°的散射光強為60°的1.5倍多；圖4b為第三截面的30°與60°散射光強，30°的散射光強強度也約為60°的1.5倍，不同距離的光強度值趨勢相似，但是沒有第五截面那么明顯，因為第五截面靠近裝置出口更穩(wěn)定，第三截面濕蒸氣流動比較大，誤差動態(tài)比較大。

圖5所示分別為第五截面與第三截面的30°散射光功率值與60°散射光功率值的比值，圖5a顯示各個點的比值曲線以及平均比值，平均比值為1.498；圖5b顯示第三截面平均比值為1.573，根據(jù)（2）式可知，30°的散射光強與60°的散射光強比值為3∶2，與實際基本相符合，再通過無濕蒸氣時的空白圖像數(shù)據(jù)得出濕蒸氣算法的修正公式，最后得到濕蒸氣濃度。

根據(jù)（3）式可得散射光強比值為f（θ）的比值，即為exp［－β2（θ2－θ02）］，經(jīng)過擬合公式通過空白數(shù)據(jù)修正之后可知：

Fig.5 a—ratio of light intensity distribution curve at different angle on the fifth section b—ratio of light intensity distribution curve at different angle on the third section

式中，r－是水滴質量中間半徑。代入（4）式、（5）式中的參量以及將散射光強比值3∶2代入到（3）式可求得在背壓0.44MPa下，濕蒸氣的水滴質量中間半徑為1.2μm；在0.24MPa下，水滴質量中間半徑為0.9μm，與汽輪機內部濕蒸氣一次水滴半徑范圍0.5μm～2μm的實際情況相符合，也與數(shù)值模擬結果相吻合得比較好。

經(jīng)過實驗研究發(fā)現(xiàn)，無濕蒸氣時的空白數(shù)據(jù)對濕蒸氣測量也有影響，計算時要修正其公式；同時散射角度的不同也會帶來測量光散射強度的不同，對于濕度的計算清晰地顯示出30°角散射更適于測量。通過實驗計算結果可知，根據(jù)光后向散射強度是可以測得濕蒸汽水滴顆粒大小的特性。

4 結 論

通過實驗研究表明，利用激光后向散射圖像測量光散射強度進而得到濕蒸氣濕度的方法是可行的，后向激光散射方式也更適用于汽輪機內部濕度測量，因為汽輪機內部有內軸無法實現(xiàn)前向散射方式，并且通過后向散射測得的圖像也很明顯，不會因為是后向的導致散射光過少無法測得，根據(jù)圖像可知汽輪機內部濕蒸氣分布情況，幾乎沒有濕蒸氣時，空白散射圖像十分清晰明顯，由于沒有濕蒸氣，向各個方向散射的光很少，所以圖像很集中，其它地方基本是黑暗的，測量濕蒸氣濃度時，必須考慮空白數(shù)據(jù)的影響來修正（2）式；而濕蒸氣濃度高的時候，圖像就有比較規(guī)則的光暈、毛刺，散射光充滿整個圖像，每個點的灰度值都對應了其濕度值，進而可以得到濕蒸氣的參量。該方法具有在線實時測量的特點，有望開發(fā)出新型的測量濕蒸氣濃度的裝置，使激光后向散射圖像技術及激光技術在能動發(fā)電方面有更好的應用。

［1］ JIAO Y，HUANG Zh Q，CAO X L，et al.Simulation study on steam moisturemeasurementbased on themethod of optical back-scattering［J］.Laser Technology，2013，37（3）：310-313（in Chinese）.

［2］ HUANG Zh Q，CAO X L，YANG JM，et al.Application of CCD in measuring steam moisture and droplet size［J］.Opto-Electronic Engineering，2010，37（4）：39-43（in Chinese）.

［3］ WANG F.Application study of the laser scattering theory formonitoring steam wetness and droplet size in steam turbines［D］.Changsha：Changsha University of Science＆Technology，2008：12（in Chinese）.

［4］ LI L F，ZHANG L，DONG L，et al.Experimental studyofthe concentrationof soot basedonthemethodof optical back-scattering［J］.Acta Photonica Sinica，2006，35（6）：915-918（in Chinese）.

［5］ WANG Y R，F(xiàn)ENG D Zh，ZHANG Zh J.Research on measuring the thickness of sootby scattered light［J］.Journalof Jinan University（Science Edition），2001，15（3）：253-255（in Chinese）.

［6］ ZHAO K H，ZHONG X H.Optic［M］.Beijing：Peking University Press，1984：251-254（in Chinese）.

［7］ LIU JB，WU J.Analysis of angular spectrum of scattering intensity with particles for laser beam［J］.Optical Technique，2005，31（5）：659-661（in Chinese）.

［8］ WANG Zh Zh，CHIR L，LIU B，et al.Depolarization properties of cirrus clouds from polarization lidar measurements over Hefei in spring［J］.Chinese Optics Letters，2008，6（4）：235-237.

［9］ CHENW Z，LIU Y N，HUANGW，et al.Dynamics and measurement of cavitiation bubble［J］.Science in China，2006，49（4）：385-395.

［10］ LABHART T，MEYER E P.Neuralmechanisms in insect navigation：polarization compass and odometer［J］.Current Opinion in Neurobiology，2002，12（6）：707-714.

［11］ WANG Q Y.Application technology of CCD［M］.Tianjin：Tianjin University Press，2000：183-184（in Chinese）.

［12］ ZHANG C H，ZHANG X J，ZHU D Zh，et al.Detection of chlorophyll content of wheat leaves based on laser scattering images［J］.Laser Technology，2012，36（4）：459-462（in Chinese）.

Application of laser backscattering method in wet steam measurement

CAICheng1，HUANG Zhuqing1，2，CAO Xiaoling1，JIAO Ye1
（1.School of Energy and Power Engineering，Changsha University of Science＆Technology，Changsha 410114，China；2.Hunan Nonferrous Metals Vocational and Technical College，Zhuzhou 412006，China）

In order to study the characteristics of the wet steam in steam turbine unit，the new measurementmethod based on laser backscatteringmethod was proposed to get the data of scattering light intensity of the wet steam at different angles and at different locations.And then，the parameters of the wet steam were gotten and themiddle radius of the wet steam droplets quality was about1μm.The results show that the blank data of none wet steam also has the impact on the wet steam method，so the formula should be corrected.And no matter there is the wet steam or not，the scattered light intensity at30°is about1.5 times of the scattering light intensity at60°，so the scattered light at30°ismore suitable for measurement.The results show that the backscattering theory is feasible for wet steam measurement.

scattering；wet steam feature；laser backscatteringmeasurement；turbine

O436.2

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.03.025

1001-3806（2014）03-0398-04

湖南省高校創(chuàng)新平臺資助項目（11K003）；湖南省科技廳重點基金資助項目（2011GK4005）

蔡 成（1989-），男，碩士研究生，現(xiàn)主要從事汽輪機故障診斷方面的研究。

*通訊聯(lián)系人。E-mail：huangzhuqing＠aliyun.com

2013-06-06；

2013-06-24