王 銳 中國成達(dá)工程有限公司 成都 610041

隨著我國霧霾和環(huán)境污染的加重，國家對新能源行業(yè)的政策支持力度也越來越大。儲能以及太陽能熱發(fā)電技術(shù)取得了長足發(fā)展，其中，高溫熔鹽儲能技術(shù)是解決新能源發(fā)電與電網(wǎng)匹配的重要途徑，在新興的光熱電站中已經(jīng)開始應(yīng)用。大型熔鹽儲罐是熔鹽光熱發(fā)電技術(shù)中的關(guān)鍵設(shè)備，其壽命和安全直接關(guān)系到電站的長周期運行和經(jīng)濟(jì)效益。由于熔鹽儲罐的介質(zhì)容積大（通常大于20000 m3）、設(shè)備表面積大（通常大于1000 m2）、介質(zhì)溫度高（通常大于590 ℃）以及缺乏制造經(jīng)驗等，在國內(nèi)外已經(jīng)運行的大型熔鹽儲罐部分出現(xiàn)了泄漏，給工廠帶來了巨大的損失。因此，為了保證光熱電廠的長周期正常運行，對大型熔鹽儲罐實時在線溫度監(jiān)測和泄漏預(yù)警顯得十分必要。

1 常見的熔鹽儲罐表面溫度及泄漏監(jiān)測方法

熔鹽儲罐主要有單壁罐和雙壁罐兩種結(jié)構(gòu)型式，都面臨實時表面溫度監(jiān)測及泄漏預(yù)警問題。國內(nèi)外大型熔鹽儲罐通常采用點式測量技術(shù)，即在罐體表面安裝點式溫度傳感器進(jìn)行罐體表面溫度測量和泄漏檢測，其存在以下5個缺點：

（1）需要在設(shè)備表面大量布點，不能連續(xù)精確測溫，存在測量盲區(qū)。

（2）布點范圍有限，不能精確定位。

（3）連接電纜不耐高溫。

（4）抗電磁干擾弱。

（5）安裝維護(hù)成本高，系統(tǒng)復(fù)雜。

目前的技術(shù)只有當(dāng)泄漏量覆蓋到溫度監(jiān)測點時，泄漏才能被監(jiān)測到，具有一定的延遲，且無法準(zhǔn)確定位泄漏點。同時溫度傳感器的使用壽命較短（3～5年），一旦損壞熔鹽儲罐將失去泄漏報警功能。隨著熔鹽儲罐越來越大型化，溫度傳感器的布線長度和難度也大大增加，投資成本隨之升高。

2 光纖測溫技術(shù)

光纖測溫技術(shù)是近年才發(fā)展起來的新技術(shù)，主要有光纖光柵和光纖分布式測溫（Distributed Temperature Sensor，DTS）兩種。其中，光纖分布式測溫具有較好的環(huán)境適應(yīng)性，可承受較大的壓力和惡劣的環(huán)境，適用于熔鹽儲罐的高溫環(huán)境。光纖分布式測溫是以光纖作為傳感器進(jìn)行溫度感知的技術(shù)，該系統(tǒng)利用單根光纖同時實現(xiàn)溫度的監(jiān)測和信號的傳輸，可以探測微小的溫度變化，實時提供準(zhǔn)確而連續(xù)的溫度數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)沿光纖所有點的大范圍、長距離、高精度（±0.5 ℃）、點間小（50 cm）的實時快速多點測量空間溫度分布，其機理是后向拉曼（Raman）散射效應(yīng)。激光脈沖與光纖分子相互作用，發(fā)生多種散射，如瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射等。其中，拉曼散射對溫度最為敏感。光纖中光傳輸?shù)拿恳稽c都會產(chǎn)生拉曼散射，且產(chǎn)生的拉曼散射光均勻分布在整個空間角內(nèi)。由于光纖分子的熱振動，會產(chǎn)生一個比光源波長長的光——斯托克斯 （Stokes）光和一個比光源波長短的光——反斯托克斯（Anti-Stokes）光。受外部溫度的調(diào)制，使光纖中的反斯托克斯光強發(fā)生變化，Anti-Stokes與Stokes的比值提供了溫度的絕對指示。利用這一原理實現(xiàn)對沿光纖溫度場的分布式測量，結(jié)合高品質(zhì)的脈沖光源和高速的信號采集與處理技術(shù)，就可以得到沿光纖所有點的準(zhǔn)確溫度值。

3 光纖測溫技術(shù)在雙壁熔鹽儲罐表面溫度和泄漏測量中的新方案

分布式光纖測溫系統(tǒng)由DTS測溫主機、耐高溫測溫光纜、工控機及系統(tǒng)軟件組成見圖1，將耐高溫測溫光纜設(shè)置在內(nèi)儲罐與外儲罐之間，光纜的兩端通過熔鹽儲罐外的接線箱與測溫主機連接，測溫主機與控制系統(tǒng)連接，用于采集內(nèi)儲罐罐壁和內(nèi)、外儲罐之間空氣隔熱層的實時溫度差。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

DTS測溫主機的一個光通道由連接光纜接入熔鹽儲罐的接線箱（FJB），在接線箱內(nèi)連接光纜與測溫光纜相接。耐高溫測溫光纜從熔鹽儲罐內(nèi)、外罐之間的頂管口進(jìn)入，然后沿熔鹽儲罐內(nèi)罐外壁由上而下間隔2 m（間隔距離可根據(jù)要求調(diào)整）環(huán)形敷設(shè)，均勻敷設(shè)至罐底后，測溫光纜在罐底部沿內(nèi)外層罐體夾層間靠近內(nèi)層儲罐壁0.3 m處（距離可根據(jù)罐體容積因素等調(diào)整）的地表面環(huán)形敷設(shè)一周，然后沿著內(nèi)罐壁垂直向上敷設(shè)，從熔鹽儲罐頂管口引出進(jìn)入接線箱，再由連接光纜接入DTS測溫主機見圖2。

圖2 單個儲罐內(nèi)的結(jié)構(gòu)

測溫光纜敷設(shè)完畢后，在內(nèi)罐外壁上利用卡槽對測溫光纜進(jìn)行固定，使光纜緊貼罐壁?？ú劭墼趦?nèi)罐罐壁上，將光纜夾在中間，通過焊接錨固件支座對卡槽進(jìn)行固定見圖3。

圖3 光纖在罐壁上的安裝圖

因此，將光纖按一定路徑敷設(shè)在熔鹽儲罐周圍得到熔鹽儲罐周圍各個位置的溫度分布，可在線測溫并通過溫度的突變監(jiān)測儲罐內(nèi)介質(zhì)的泄漏情況，并通過反射時間計算得到光纖沿線的精確溫度分布，并實時定位預(yù)警見圖4。

圖4 系統(tǒng)圖

通過在雙壁熔鹽儲罐上實施光纖測溫技術(shù)，再加上安裝在工控機上的可視化監(jiān)控軟件，可實時顯示儲罐溫度分布及報警信息。其具有以下5個功能：

（1）電子地圖顯示功能：用單子圖形的方式呈現(xiàn)監(jiān)測回路的溫度值，當(dāng)溫度超過設(shè)定值時，在布局圖上以不同顏色顯示報警位置。

（2）溫度在線顯示：顯示監(jiān)測回路的實時溫度計報警指標(biāo)的當(dāng)前值。

（3）泄漏報警：對監(jiān)視的空間分段設(shè)置不同分區(qū)，對不同的部位進(jìn)行不同標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)視。

（4）定位報警位置：當(dāng)發(fā)生泄漏時，除溫度報警外，還能夠精確定位溫度異常點的位置信息，并記錄報警數(shù)據(jù)，方便及時找到問題，并盡快執(zhí)行應(yīng)急處理預(yù)案。

（5）光纖斷裂報警及定位：當(dāng)出現(xiàn)光纖斷裂時，報警并顯示斷裂位置。

同時，可以將以上信息通過TCP/IP、Modbus等通信協(xié)議傳輸?shù)紻CS及其它上層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控顯示。

4 結(jié)語

實時在線溫度及泄漏監(jiān)測在熔鹽儲罐上的應(yīng)用替代了目前的點式測溫方法，解決了點式測溫方法覆蓋率低、安裝困難的缺點。隨著該技術(shù)在新興的光熱電站和未來的儲能電站中的大規(guī)模應(yīng)用，其實時在線、覆蓋面廣、精確測量、安裝方便、壽命長、經(jīng)濟(jì)價值高等優(yōu)點，將帶來一定的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。