CN102590096B - 汽轮机蒸汽管道过热蒸汽水分检测传感器 - Google Patents

Abstract

汽轮机蒸汽管道过热蒸汽水分检测传感器，它涉及一种蒸汽管道过热蒸汽水分检测传感器。本发明为了解决发电厂及核电站的运行中汽轮机蒸汽管道未得到保护，仍然存在安全隐患的问题。传感器的前部是蒸汽采样单元，中部是信号传输单元，后部是检测单元，短管插装在圆管状外壳的前端，短管的封闭端内端面光洁，短管和圆管状外壳上开有孔，绝缘柱体设置在圆管状外壳的中部，绝缘柱体上开有光纤插装孔，光纤插装在光纤插装孔内并与孔壁粘结，前绝缘板和后绝缘板安装在圆筒状金属盒内，前绝缘板的前端面上安装有发光二极管和光电池，金属罩将发光二极管和光电池封装在前绝缘板上，金属罩的前端开有与光纤粘结的连接孔。本发明用于检测汽轮机蒸汽管道内是否含水。

Description

汽轮机蒸汽管道过热蒸汽水分检测传感器

技术领域

本发明涉及一种蒸汽管道过热蒸汽水分检测传感器，具体涉及一种汽轮机蒸汽管道过热蒸汽水分检测传感器。

背景技术

正常运行的汽轮机(启动和停机过程除外)，蒸汽的压力和温度是根据设计参数运行的，对蒸汽温度变化速率有严格的规定。过热蒸汽中绝对不允许有水分。过热蒸汽中含有水分造成汽轮机严重损坏，发生轴瓦烧毁、叶轮磨损、叶片折断、大轴弯曲。强烈的震动对机组有很大的破坏，可能造成机组油道***损坏，透平油喷出，发生火灾，发电机氢气******。汽轮机进水不仅损坏汽轮机，核电站中的汽轮机进水将直接影响核岛的安全。损坏的汽轮机短时间不能修复，需要生产厂制造新的汽轮机转子。停运一台一百万千瓦汽轮机，一年直接经济损失数十亿元。此类事故虽然很少发生，但是由于设备故障，人员操作失误，绝对避免是不可能的。国内外都发生过这类事故，造成了很大的损失。发电厂专业的相关技术人员及研究机构都高度重视汽轮机蒸汽管道进水问题。华北电力大学和东北电力大学的研究人员，发表了相关文章，提出一些相应的预防措施。近几年来，核电站防止汽轮机进水问题更加受到关注。目前我国发电装机容量已有十亿千瓦，未来五年每年新增装机一亿千瓦左右，其中燃煤电厂和核电站占80％以上，都是高温高压大功率汽轮发电机组。汽轮机的蒸汽管道较多，有主蒸汽管道，再热***和回热***管道。但是至今都没有一种用于检测汽轮机蒸汽管道中过热蒸汽水分的传感器，发电厂及核电站的运行中汽轮机蒸汽管道未能得到有效保护，仍然存在安全隐患。

发明内容

本发明的目的是为了解决发电厂及核电站的运行中汽轮机蒸汽管道过热蒸汽水分未能得到监测，存在安全隐患的问题，进而提供一种汽轮机蒸汽管道过热蒸汽水分检测传感器。

本发明的技术方案是：汽轮机蒸汽管道过热蒸汽水分检测传感器包括圆管状外壳、短管、绝缘柱体、第一光纤、第二光纤、第三光纤、丝环、圆筒状金属盒、前绝缘板、发光二极管、光电池、第一金属罩、第二金属罩、盒盖、后绝缘板、测量电阻R₀、补偿电阻R₁、可调电阻R₂、第一对端子和第二对端子；

所述短管为一端封闭的短管，短管的开放段插装在圆管状外壳的前端，短管的封闭端与圆管状外壳固定连接，短管的封闭端内端面的表面粗糙度R_a不大于0.01μm，短管的管壁上开有三排汽孔，所述三排汽孔沿短管的圆周方向均布，每排汽孔包括多个小孔，多个小孔沿短管的轴向分布，圆管状外壳的前部管壁上开有三个长方孔，所述三个长方孔沿圆管状外壳的圆周方向均布，且每个长方孔与相应的一排汽孔对应，绝缘柱体设置在圆管状外壳的中部，绝缘柱体与圆管状外壳密封粘结，绝缘柱体通过其后端的丝环压紧在圆管状外壳内，丝环与圆管状外壳螺纹连接，绝缘柱体上开有第一光纤插装孔、第二光纤插装孔和第三光纤插装孔，第一光纤插装孔、第二光纤插装孔和第三光纤插装孔均沿绝缘柱体的轴向开设，第一光纤插装孔的轴线与绝缘柱体的轴线重合，第二光纤插装孔和第三光纤插装孔分列在第一光纤插装孔的两侧，第一光纤插装在第一光纤插装孔内并与孔壁粘结，第二光纤插装在第二光纤插装孔内并与孔壁粘结，第三光纤插装在第三光纤插装孔内并与孔壁粘结，圆筒状金属盒安装在圆管状外壳的后端，盒盖盖装在圆筒状金属盒的后端；

前绝缘板和后绝缘板前后并列安装在圆筒状金属盒内，前绝缘板的前端面上安装有发光二极管和光电池，发光二极管由外部直流稳压电源供电，第一金属罩将发光二极管封装在前绝缘板上，第一金属罩的前端开有第一连接孔，第一光纤的后端插装在第一连接孔内并与孔壁粘结，第二金属罩将光电池封装在前绝缘板上，第二金属罩的前端开有两个第二连接孔，第二光纤和第三光纤分别插装在一个第二连接孔内并与孔壁粘结，前绝缘板的后端面上安装有测量电阻R₀和补偿电阻R₁，后绝缘板的前端面上安装有可调电阻R₂，光电池、测量电阻R₀、补偿电阻R₁和可调电阻R₂串联建立闭合电路，第一对端子和第二对端子均安装在后绝缘板的后端面上，第一对端子用于连接发光二极管和外部电源线，第二对端子用于将测量电阻R₀两端的电压与蒸汽含水量输出的电压信号线连接。

本发明与现有技术相比具有以下效果：本发明的汽轮机蒸汽管道过热蒸汽水分检测传感器应用光电测量技术进行过热蒸汽水分检测，具有较高的灵敏度，及时反映过热蒸汽中含水量变化；本发明的传感器的前部分为采样单元，结构简单、紧凑，汽水分离效果好；本发明的传感器易制造、易安装，生产成本低且使用寿命长；本发明的传感器填补了汽轮机进水保护的空白，对发电厂及核电站的安全运行起着至关重要的作用，在蒸汽管道上安装过热蒸汽水分传感器，一旦过热蒸汽有水，便可及时报警，运行人员立即采取措施，防止发生重大事故，避免了严重事故造成的巨大经济损失。

附图说明

图1是本发明的汽轮机蒸汽管道过热蒸汽水分检测传感器的整体结构主剖视图，图2是图1的A-A剖面图，图3是图1的B-B剖面图，图4是图3的C-C剖面图，图5是图4的左视图，图6是输出电压信号电路图(图中电池E为光电池的输出)，图7是接线端子布置图，图8是本发明的传感器安装在水平管道上的示意图(图中箭头表示汽流方向)，图9是本发明的传感器安装在竖直管道上的示意图(图中箭头表示汽流方向)。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式的汽轮机蒸汽管道过热蒸汽水分检测传感器包括圆管状外壳1、短管2、绝缘柱体3、第一光纤4-1、第二光纤4-2、第三光纤4-3、丝环5、圆筒状金属盒6、前绝缘板7、发光二极管8、光电池9、第一金属罩10、第二金属罩11、盒盖12、后绝缘板17、测量电阻R₀、补偿电阻R₁、可调电阻R₂、第一对端子16和第二对端子18；

所述短管2为一端封闭的短管，短管2的开放段插装在圆管状外壳1的前端，短管2的封闭端与圆管状外壳1固定连接，短管2的封闭端内端面的表面粗糙度R_a不大于0.01μm，短管2的管壁上开有三排汽孔2-1，所述三排汽孔2-1沿短管2的圆周方向均布，每排汽孔2-1包括多个小孔，多个小孔沿短管2的轴向分布，圆管状外壳1的前部管壁上开有三个长方孔1-1，所述三个长方孔1-1沿圆管状外壳1的圆周方向均布，且每个长方孔1-1与相应的一排汽孔2-1对应，绝缘柱体3设置在圆管状外壳1的中部，绝缘柱体3与圆管状外壳1密封粘结，绝缘柱体3通过其后端的丝环5压紧在圆管状外壳1内，丝环5与圆管状外壳1螺纹连接，绝缘柱体3上开有第一光纤插装孔、第二光纤插装孔和第三光纤插装孔，第一光纤插装孔、第二光纤插装孔和第三光纤插装孔均沿绝缘柱体3的轴向开设，第一光纤插装孔的轴线与绝缘柱体3的轴线重合，第二光纤插装孔和第三光纤插装孔分列在第一光纤插装孔的两侧，第一光纤4-1插装在第一光纤插装孔内并与孔壁粘结，第二光纤4-2插装在第二光纤插装孔内并与孔壁粘结，第三光纤4-3插装在第三光纤插装孔内并与孔壁粘结，圆筒状金属盒6安装在圆管状外壳1的后端，盒盖12盖装在圆筒状金属盒6的后端；

前绝缘板7和后绝缘板17前后并列安装在圆筒状金属盒6内，前绝缘板7的前端面上安装有发光二极管8和光电池9，发光二极管8由外部直流稳压电源供电，第一金属罩10将发光二极管8封装在前绝缘板7上，第一金属罩10的前端开有第一连接孔，第一光纤4-1的后端插装在第一连接孔内并与孔壁粘结，第二金属罩11将光电池9封装在前绝缘板7上，第二金属罩11的前端开有两个第二连接孔，第二光纤4-2和第三光纤4-3分别插装在一个第二连接孔内并与孔壁粘结，前绝缘板7的后端面上安装有测量电阻R₀和补偿电阻R₁，后绝缘板17的前端面上安装有可调电阻R₂，光电池9、测量电阻R₀、补偿电阻R₁和可调电阻R₂串联建立闭合电路，第一对端子16和第二对端子18均安装在后绝缘板17的后端面上，第一对端子16用于连接发光二极管8和外部电源线，第二对端子18用于将测量电阻R₀两端的电压与蒸汽含水量输出的电压信号线连接。

汽轮机蒸汽管道过热蒸汽水分检测传感器的前部是蒸汽采样单元，汽轮机蒸汽管道过热蒸汽水分检测传感器的中部是信号传输单元，汽轮机蒸汽管道过热蒸汽水分检测传感器的后部是检测单元。

测量电阻R₀为锰铜电阻，补偿电阻R₁为铜电阻。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的短管2采用不锈钢材料制成。如此设置，使用寿命更长。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的每排汽孔2-1包括5个小孔，小孔的孔径为4mm，孔间中心距为8mm。如此设置，汽水分离效果更好。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的绝缘柱体3采用玻璃或陶瓷材料制成。如此设置，便于生产制造，成本低。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

绝缘柱体3可以一体成型，也可以分段加工后粘合。

具体实施方式五：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式的第一光纤插装孔、第二光纤插装孔和第三光纤插装孔的孔径均为3.5mm，第一光纤4-1、第二光纤4-2和第三光纤4-3的直径均为3mm。如此设置，便于光纤的***。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式的绝缘柱体3与圆管状外壳1采用耐高温密封胶实施密封粘结，第一光纤4-1与第一光纤插装孔孔壁通过耐高温密封胶实施密封粘结，第二光纤4-2与第二光纤插装孔孔壁通过耐高温密封胶实施密封粘结，第三光纤4-3与第三光纤插装孔孔壁通过耐高温密封胶实施密封粘结。如此设置，使用寿命长。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

耐高温密封胶为现有技术，可采用如下厂家生产的耐高温密封胶，济南佰盛玻璃技术有限公司、广州市耐力环保科技有限公司，北京奥宇可鑫机械零件修理集团公司，广州恒荣特种玻璃有限公司等。

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式的圆管状外壳1的后部管壁上开有多个散热孔1-2，多个散热孔1-2环形阵列在管壁上，散热孔1-2的孔径为5mm。如此设置，便于圆管状外壳内的构件通风散热。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式的前绝缘板7和后绝缘板17由电工树脂板制成。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。

具体实施方式九：结合图1说明本实施方式，本实施方式的汽轮机蒸汽管道过热蒸汽水分检测传感器还包括两个限位套14，前绝缘板7和后绝缘板17通过两个螺钉前后并列安装在圆筒状金属盒6内，每个螺钉上套装有一个限位套14，限位套14位于前绝缘板7和后绝缘板17之间。如此设置，传感器结构更稳定。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七或八相同。

具体实施方式十：结合图1、图3至图5说明本实施方式，本实施方式的汽轮机蒸汽管道过热蒸汽水分检测传感器还包括两条金属丝19和第三对端子20，绝缘柱体3上开有两个金属丝插装孔、每个金属丝插装孔均沿绝缘柱体3的轴向开设，每个金属丝插装孔内插装有一条金属丝19，金属丝19与金属丝插装孔孔壁粘结，金属丝19的前端为输入电接点，金属丝19的后端为输出电接点，第三对端子20安装在后绝缘板17的后端面上，第三对端子20用于连接金属丝19的输出电接点。如此设置，当绝缘柱体的前端产生积水时将两条金属丝19的两个输入电接点连通，发生短路现象，向仪表和计算机输入蒸汽有水的报警信号，通过电极检测是否有水，可信度更高。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七、八或九相同。

本发明的工作原理：结合图1至图9说明本发明的工作原理，本发明的传感器安装在水平蒸汽管道上时，传感器安装在蒸汽管道下方的管座21上，且传感器的轴线与蒸汽管道的轴线相垂直，圆管状外壳1的前部管壁上的一个长方孔迎向蒸汽流动方向；本发明的传感器安装在竖直蒸汽管道上时，传感器安装在蒸汽管道一侧的管座21上，且传感器的轴线与蒸汽管道的轴线呈60度夹角，圆管状外壳1的前部管壁上的一个长方孔迎向蒸汽流动方向。

蒸汽采样单元部分的圆柱状外壳1上三个长方孔中的任意一个长方孔正对蒸汽流动的方向，蒸汽射入长方孔内，一部分蒸汽通过短管2上的一排汽孔进入短管中，经过短管2上的其余两排汽孔，再有两个长方孔排出；射入长方孔的另一部分蒸汽通过短管2与外壳的间隙由两个长方孔排出，蒸汽通过环形间隙时，气流旋转产生离心作用，蒸汽中的水被分离出来，

发光二极管8由稳压直流电源供电，发出具有一定强度的光束，光束通过第一光纤4-1进入短管2内，射在短管2封闭端端面上，光洁的平面反射的光通过短管进入第二光纤4-2和第三光纤4-3，光纤射出的光束投射在光电池9上，光电池产生电流，

短管2内过热蒸汽没有水分时，过热蒸汽像空气一样透光，光电池9产生光较大的光电流，过热蒸汽中含有小水滴时，过热蒸汽在短管中，流速降低，流动方向改变，过热蒸汽中含有水的被分离出来，在短管2的封闭端内端面上形成水雾，投射在光电池9上的光束光强度减小，光电池9输出的光电流减小，过热蒸汽中含水分越多，短管封闭端内端面反射的光强度越小，投射到光电池的光强度越小，光电池输出的光电流越小，光电池产生的光电流与蒸汽中水的含量有对应关系。将光电池9、测量电阻R₀、补偿电阻R₁和可调电阻R₂串联建立闭合电路，将锰铜电阻R₀两端的电压输入仪表和计算机，可以显示过热蒸汽中含水量的多少，铜电阻R₁用于光电池环境温度补偿，可调电阻R₂用于调节电路中光电流的大小为设定值，即在蒸汽中没有水分时，锰铜电阻R₀两端的电压为设定值。

另外，当蒸汽中含有水，进入短管内的水沿着短管2的内壁流动至绝缘柱体3的前端面处，通过短管2与外壳的环形间隙的蒸汽，汽流旋转产生离心作用，蒸汽中的水被分离出来，水由外壳内壁向下流动至绝缘柱体3的前端面处，绝缘柱体3的前端面产生积水，积水将两条金属丝19的两个输入电接点连通，发生短路现象，向仪表和计算机输入蒸汽有水的报警信号。

Claims (10)

1.一种汽轮机蒸汽管道过热蒸汽水分检测传感器，其特征在于：汽轮机蒸汽管道过热蒸汽水分检测传感器包括圆管状外壳（1）、短管（2）、绝缘柱体（3）、第一光纤（4-1）、第二光纤（4-2）、第三光纤（4-3）、丝环（5）、圆筒状金属盒（6）、前绝缘板（7）、发光二极管（8）、光电池（9）、第一金属罩（10）、第二金属罩（11）、盒盖（12）、后绝缘板（17）、测量电阻R₀、补偿电阻R₁、可调电阻R₂、第一对端子（16）和第二对端子（18）；

所述短管（2）为一端封闭的短管，短管（2）的开放端插装在圆管状外壳（1）的前端，短管（2）的封闭端与圆管状外壳（1）固定连接，短管（2）的封闭端内端面的表面粗糙度R_a不大于0.01μm，短管（2）的管壁上开有三排汽孔（2-1），所述三排汽孔（2-1）沿短管（2）的圆周方向均布，每排汽孔（2-1）包括多个小孔，多个小孔沿短管（2）的轴向分布，圆管状外壳（1）的前部管壁上开有三个长方孔（1-1），所述三个长方孔（1-1）沿圆管状外壳（1）的圆周方向均布，且每个长方孔（1-1）与相应的一排汽孔（2-1）对应，绝缘柱体（3）设置在圆管状外壳（1）的中部，绝缘柱体（3）与圆管状外壳（1）密封粘结，绝缘柱体（3）通过其后端的丝环（5）压紧在圆管状外壳（1）内，丝环（5）与圆管状外壳（1）螺纹连接，绝缘柱体（3）上开有第一光纤插装孔、第二光纤插装孔和第三光纤插装孔，第一光纤插装孔、第二光纤插装孔和第三光纤插装孔均沿绝缘柱体（3）的轴向开设，第一光纤插装孔的轴线与绝缘柱体（3）的轴线重合，第二光纤插装孔和第三光纤插装孔分列在第一光纤插装孔的两侧，第一光纤（4-1）插装在第一光纤插装孔内并与孔壁粘结，第二光纤（4-2）插装在第二光纤插装孔内并与孔壁粘结，第三光纤（4-3）插装在第三光纤插装孔内并与孔壁粘结，圆筒状金属盒（6）安装在圆管状外壳（1）的后端，盒盖（12）盖装在圆筒状金属盒（6）的后端；

前绝缘板（7）和后绝缘板（17）前后并列安装在圆筒状金属盒（6）内，前绝缘板（7）的前端面上安装有发光二极管（8）和光电池（9），发光二极管（8）由外部直流稳压电源供电，第一金属罩（10）将发光二极管（8）封装在前绝缘板（7）上，第一金属罩（10）的前端开有第一连接孔，第一光纤（4-1）的后端插装在第一连接孔内并与孔壁粘结，第二金属罩（11）将光电池（9）封装在前绝缘板（7）上，第二金属罩（11）的前端开有两个第二连接孔，第二光纤（4-2）和第三光纤（4-3）分别插装在一个第二连接孔内并与孔壁粘结，前绝缘板（7）的后端面上安装有测量电阻R₀和补偿电阻R₁，后绝缘板（17）的前端面上安装有可调电阻R₂，光电池（9）、测量电阻R₀、补偿电阻R₁和可调电阻R₂串联建立闭合电路，第一对端子（16）和第二对端子（18）均安装在后绝缘板（17）的后端面上，第一对端子（16）用于连接发光二极管（8）和外部电源线，第二对端子（18）用于将测量电阻R₀两端的电压与蒸汽含水量输出的电压信号线连接。

2.根据权利要求1所述的汽轮机蒸汽管道过热蒸汽水分检测传感器，其特征在于：短管（2）采用不锈钢材料制成。

3.根据权利要求1或2所述的汽轮机蒸汽管道过热蒸汽水分检测传感器，其特征在于：每排汽孔（2-1）包括5个小孔，小孔的孔径为4mm，孔间中心距为8mm。

4.根据权利要求3所述的汽轮机蒸汽管道过热蒸汽水分检测传感器，其特征在于：绝缘柱体（3）采用玻璃或陶瓷材料制成。

5.根据权利要求1或2所述的汽轮机蒸汽管道过热蒸汽水分检测传感器，其特征在于：第一光纤插装孔、第二光纤插装孔和第三光纤插装孔的孔径均为3.5mm，第一光纤（4-1）、第二光纤（4-2）和第三光纤（4-3）的直径均为3mm。

6.根据权利要求1或2所述的汽轮机蒸汽管道过热蒸汽水分检测传感器，其特征在于：绝缘柱体（3）与圆管状外壳（1）采用耐高温密封胶实施密封粘结，第一光纤（4-1）与第一光纤插装孔孔壁通过耐高温密封胶实施密封粘结，第二光纤（4-2）与第二光纤插装孔孔壁通过耐高温密封胶实施密封粘结，第三光纤（4-3）与第三光纤插装孔孔壁通过耐高温密封胶实施密封粘结。

7.根据权利要求1或2所述的汽轮机蒸汽管道过热蒸汽水分检测传感器，其特征在于：圆管状外壳（1）的后部管壁上开有多个散热孔（1-2），多个散热孔（1-2）环形阵列在管壁上，散热孔（1-2）的孔径为5mm。

8.根据权利要求7所述的汽轮机蒸汽管道过热蒸汽水分检测传感器，其特征在于：前绝缘板（7）和后绝缘板（17）由电工树脂板制成。

9.根据权利要求7所述的汽轮机蒸汽管道过热蒸汽水分检测传感器，其特征在于：汽轮机蒸汽管道过热蒸汽水分检测传感器还包括两个限位套（14），前绝缘板（7）和后绝缘板（17）通过两个螺钉前后并列安装在圆筒状金属盒（6）内，每个螺钉上套装有一个限位套（14），限位套（14）位于前绝缘板（7）和后绝缘板（17）之间。

10.根据权利要求9所述的汽轮机蒸汽管道过热蒸汽水分检测传感器，其特征在于：汽轮机蒸汽管道过热蒸汽水分检测传感器还包括两条金属丝（19）和第三对端子（20），绝缘柱体（3）上开有两个金属丝插装孔、每个金属丝插装孔均沿绝缘柱体（3）的轴向开设，每个金属丝插装孔内插装有一条金属丝（19），金属丝（19）与金属丝插装孔孔壁粘结，金属丝（19）的前端为输入电接点，金属丝（19）的后端为输出电接点，第三对端子（20）安装在后绝缘板（17）的后端面上，第三对端子（20）用于连接金属丝（19）的输出电接点。

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