液体声波导管

本发明总的来说是涉及监测器的范围，并且特别是涉及用于检测在多相流体输送管中液体的声学监测器，例如蒸汽轮机发电厂中的抽汽管道。

虽然，本发明也可用于有关各种多相流体，即含有气泡或其它颗粒的油，用以检测在输送管或其它导管中存在水，但本发明将叙述关于在蒸汽发电厂中进水的检测。

在蒸汽发电厂中水或冷蒸汽雾落到汽轮机部件上会引起诸如塑性变形、叶片断裂、汽缸变形和螺栓断裂等需要立即和耗资巨大的修复的严重损坏，在大多数情况下这样的损坏可以立即发现并耗费很多资金去修复，即使没有达到立即发现和需要立即修复的严重损坏程度，但它仍然在二方面要花费很多资金：第一：这样的损坏将会延长用于定期检查和随之而来的修复的停机时间，第二：这样的损坏使发电厂的发电效能降低，据估算：一个500MW的发电厂在一年的周期内发电效能降低0.33%将损失200，000.00美元。所以，需要有一种在事故瞬间发生前就能检测进水的设备。

“蒸汽轮机进水的检测”阶段3：领域说明，电力研究院（EPRI），项目637-2，最终报告EPRI    CS-4285日期1985.9，叙述各种用于检测蒸汽发电厂进水的监测系统。一个这样的系统包括温度敏感装置的应用，例如热电偶，沿着可能发生进水的输送管道安装所谓热电偶保护套管，例如通向低压给水加热 器的抽汽管，一个预先确定的管内温度降规定一个输送管中存在水和冷蒸汽雾的指示值。这种监测器的问题是在于热电偶的响应时间。在实际情况中用热电偶来提供瞬间发生的进水故障的有效报警是太慢了。

EPRI报告中叙述的另一种监测系统是所说的利用电子液位传感器来检测主体输送管中存在水，这种监测器的问题是由于管道节流出现的时间迟延。

EPRI报告中叙述的第三种监测系统在Barton，SergeP，等人也曾叙述过：“用于汽轮机进水监测器现场鉴定的结果”。是1987年12月1-3日在加利福尼亚州·圣地亚哥市·福赛尔电厂举办的“为改善热成活率和利用率矿物燃料电站的改造”EPRI研究班提出的。第三种系统叙述了将一个超声波发生器设置在引向低压给水加热器的汽轮机抽气管的一侧，在抽汽管的相对侧设置了超声波接收器，与发送器成一直线以通常所说瞄准线传播，有水存在时将增加对接收器瞄准线传播信号的传送。当无水时接收不到瞄准线信号。然而一个强度非常小的超声波信号仍然穿过输送管壁到达接收器，因为穿过管壁的信号强度易于与瞄准线信号相识别，所以就能测定是否有水。与这种系统的形式有关的唯一迟延，是来自超声波信号的发生，传播和处理，为了在事故发生前及时报警这样的迟延是在允许范围内的。遗憾的是某些运行条件未被这种超声波监测系统所检出。

在正常运行中抽汽管和蒸汽管是蒸汽流动的通道，此时加热器和疏水接收器中的凝结水是在或接近于其饱和温度，在快速的电厂工况变化，例如负荷迅速下降时，在给水加热器中会产生一个突变的压力 下降，使给水的饱和温度下降，引起在液体蒸汽压力下立即形成汽泡，由于汽化热，例如形成汽泡使液体的焓值降低，直到恢复热平衡状态，由于整个液体都产生汽泡，所以液体的总体积增加，总体积的增加导致液体和汽泡流向发电厂的较低压力区，也即从一条或数条抽气管返回进入汽轮机的汽缸和旋转部件。

对上述超声波监测器，汽泡存在于管道中会引起瞄准线超声波信号的分散，结果使监测器检测不到即将发生的进水故障，因此需要一种显示出超声波监测系统的速度和有能力测出供汽式抽汽管道中进水故障的监测系统，不管汽泡是否存在。

本发明的目的是为汽轮机提供一个利用超声波信号的监测系统，它有能力快速地检测进水故障，因此能发出及时的报警，它有有选择地检测出在流体管道中存在液体的能力，它有能力检测出一个流体管道中含有汽泡的液体的存在。在此所叙述的监测系统在流体管道内截留一部分流体，因此当液体存在于限制部分时，超声波信号可以从发送器导向接收器以排除汽泡。

本发明以它的宽的形式属于一种用于检测在多相流体管道内存在液体相类型的流体监测器（10），那里所说的流体至少有一个液体相，其中在所说的流体中可能存在有第二相体，其中使用了一个为产生和传播超声波信号的超声波信号发送器（12），一个超声波信号接收器（14），用于将上述超声波发送器，接收器固定在上述管道上的装置。监测器的特征是：波导装置（20）设在流体管道中并在实际上与上述信号发送器和信号接收器对准以排除汽泡。当上述液体存在时截留一部分上述液体。因此，当上述液体截留部分中存在上述液体相时，上述超声波信号被导向上述接收器。

按照下文所述，监测器包括一个用以发生和传送超声波信号的超声波信号发送器，一个超声波信号接收器，用于把发送器和接收器与管道连接的装置，和一个截留一部分流体的波导管，这样当液体存在于截留部分时超声波信号被导向接收器。波导管也有助于将汽泡从限制部分排除。波导管可包括一个装设在发送器和接收器之间的导管中的筒体，它有许多允许液体流入和流出的开口。

为了更容易理解和直接付诸实践，通过仅仅作为例子对最佳的实施例结合下列附图予以介绍：

图1是本发明实施例的监测系统平面图：

图2是图1Ⅱ-Ⅱ线的断面图;和

图3是有关本发明的监测系统的汽轮机系统简图，

在图1标示出一种用于监测流体管道中存在液体的新颖系统，并总的标注为10，用带条16将一个超声波发送器12和一个超声波接收器14固定在流体管道18的相对侧。为了使超声波信号能传送到接收器14，管道18应是金属的，如果管道18是非金属的必须在管道18上连接发送器12和接收器14处插入一个所谓传声窗。发送器12和接收器14可以是公知的市场上可得到的成品，因为这样的超声波组件容易得到。在图中用方块表示。

在实施例中超声波发送器和接收器是压电型的，作为例子是匹配精确的印第安纳州，印地安那布里斯市伊达龙公司销售的发送器-接收器组件。这种装置中一个压电介质的圆盘元件有电极与传声窗紧贴安装在一侧，而另一侧装有一个阻尼元件，一个高电压脉冲施加到电极上激励压电介质圆盘产生阻尼机械谐振并发射一个短促的超声波脉冲。在早先技术的监流器系统中，该脉冲传送到被监测管道的管壁 中。如果管道充满水，大部分超声波信号将与管壁耦合进入水中并且以瞄准线传导到管道对侧、在通过管道后超声波信号将再次穿过管壁到达接收器，并转换成一个电信号，如同先前指出的那样汽泡存在将掩盖即将发生的故障。

为了检测管道18中即使混有汽泡的液体，本发明设计了一种截留部分通过管道18的流体并检测液体的存在的方法。通过使用波导管20实现了这个目的。在最佳实施例中，导波管20是一个耐浸蚀的金属厚壁管。如图2所示波导管20安装在发送器12和接收器14之间的管道18内。由于重要的是不能对管道18施加任何应力，可以用任何方法，例如焊接，将导波管20的端头紧靠发送器12安装。波导管20的另一端的位置在紧靠接收器14处管道18内的一个滑动接头22中。

开口24-32用作流体进入导波管20的入口。开口或孔洞34和36用作流体流出导波管20的出口，实施例中开口做成缝隙形，在波导管20的周围的流体的流动趋于流线型，因而能产生从开口24-32通过排除汽泡的效果。因此导波管有一种只是截留任何在管道18内流的液体的倾向，无论如何，如果有汽泡被截留在波导管20内，瞄准线传送的信号将仍然直接到达接收器14，因为从任何汽泡反射的信号将由波导管壁导向到限制在导波管20内的液体。因此到达接收器14的超声波信号衰减是很小的。这样，一个即将进水的故障即使有汽泡在管道18中的流体内存在，也能检测出来。

在图1中也示出了两个热电偶保护套管38和40，表示出这些保护套管的目的是说明本发明的监测系统装设在一个不包括保护套管38和40的平面内。保护套管38和40有干扰超声波信号在管道 18的管壁传送到接收器14的倾向，称之为环绕信号。在使用中可以利用这个环绕信号在监测系统中保持一个最小信号水平。

现在考虑图3所示蒸汽轮机系统中上述的监测系统的连接和运行。蒸汽由锅炉42加热并在压力下供给汽轮机44，汽轮机44可以是任何型式的蒸汽轮机，对本发明的目的来说也可包括多台互相连接的汽轮机。例如一个发电厂包括一台高压汽轮机，一台中压汽轮机和一台低压汽轮机。为了说明情况，假定汽轮机44是一台低压汽轮机。从汽轮机排出的蒸汽导向凝汽器46，蒸汽被凝结成水，称之为给水。给水打入锅炉42用于再循环到汽轮机44之前，首先在给水加热器48中加热，加热器48将给水升温至预定的温度。为了在加热器48中加热给水，抽出一小部分供给汽轮机的蒸汽通过抽汽管50输送到加热器48中，监测系统10安装在抽汽管50上。

如前所述，若在快速的电厂工况变化时，例如当汽轮机的负荷快速减少。在给水加热器内产生突发的压力降低，压力下降的结果使疏水的饱和温度下降，又引起在该液体的汽化压力下立即形成蒸汽泡。给水的焓值由于汽化热也将下降，即汽泡形成，直至恢复热平衡。由于在整个液体中都产生汽泡，液体的总体积增加，总体积的增加导致液体和汽泡向发电厂较低压力区运动。也即进入并通过抽汽管道50流向汽轮机44。监测器10用来检测在抽汽管内存在液体，并对一个合适的控制器给出一个信号，构成一个判断瞬发的进水事故的装置。

这里使用的多相流体这一名词，不仅涉及单一流体例如水可以有液相、气相和固相，而且也涉及没有联系的物质的组合，例如含有汽泡或含有或悬浮着其它非油性物质的油。

当参照具体实施例叙述和图示了本发明，熟悉技术的人们将领悟到，可以作出修改和变更而不脱离上述的本发明的原理和以下的权利要求。例如可以利用本发明的监测系统作为一种用于可能存在空穴的任何二相混合物的流量监测器。