實時在線溫度及泄漏監測在熔鹽儲罐上的應用

2023-09-04 07:23:00中國成達工程有限公司成都610041

化工設計 2023年4期

王銳中國成達工程有限公司成都 610041

隨著我國霧霾和環境污染的加重，國家對新能源行業的政策支持力度也越來越大。儲能以及太陽能熱發電技術取得了長足發展，其中，高溫熔鹽儲能技術是解決新能源發電與電網匹配的重要途徑，在新興的光熱電站中已經開始應用。大型熔鹽儲罐是熔鹽光熱發電技術中的關鍵設備，其壽命和安全直接關系到電站的長周期運行和經濟效益。由于熔鹽儲罐的介質容積大（通常大于20000 m3）、設備表面積大（通常大于1000 m2）、介質溫度高（通常大于590 ℃）以及缺乏制造經驗等，在國內外已經運行的大型熔鹽儲罐部分出現了泄漏，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測和泄漏預警顯得十分必要。

1 常見的熔鹽儲罐表面溫度及泄漏監測方法

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

（1）需要在設備表面大量布點，不能連續精確測溫，存在測量盲區。

（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）安裝維護成本高，系統復雜。

目前的技術只有當泄漏量覆蓋到溫度監測點時，泄漏才能被監測到，具有一定的延遲，且無法準確定位泄漏點。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

光纖測溫技術是近年才發展起來的新技術，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境適應性，可承受較大的壓力和惡劣的環境，適用于熔鹽儲罐的高溫環境。光纖分布式測溫是以光纖作為傳感器進行溫度感知的技術，該系統利用單根光纖同時實現溫度的監測和信號的傳輸，可以探測微小的溫度變化，實時提供準確而連續的溫度數據，可實現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。激光脈沖與光纖分子相互作用，發生多種散射，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。光纖中光傳輸的每一點都會產生拉曼散射，且產生的拉曼散射光均勻分布在整個空間角內。由于光纖分子的熱振動，會產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。受外部溫度的調制，使光纖中的反斯托克斯光強發生變化，Anti-Stokes與Stokes的比值提供了溫度的絕對指示。利用這一原理實現對沿光纖溫度場的分布式測量，結合高品質的脈沖光源和高速的信號采集與處理技術，就可以得到沿光纖所有點的準確溫度值。

3 光纖測溫技術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由DTS測溫主機、耐高溫測溫光纜、工控機及系統軟件組成見圖1，將耐高溫測溫光纜設置在內儲罐與外儲罐之間，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連接，用于采集內儲罐罐壁和內、外儲罐之間空氣隔熱層的實時溫度差。

圖1 系統整體結構圖

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），在接線箱內連接光纜與測溫光纜相接。耐高溫測溫光纜從熔鹽儲罐內、外罐之間的頂管口進入，然后沿熔鹽儲罐內罐外壁由上而下間隔2 m（間隔距離可根據要求調整）環形敷設，均勻敷設至罐底后，測溫光纜在罐底部沿內外層罐體夾層間靠近內層儲罐壁0.3 m處（距離可根據罐體容積因素等調整）的地表面環形敷設一周，然后沿著內罐壁垂直向上敷設，從熔鹽儲罐頂管口引出進入接線箱，再由連接光纜接入DTS測溫主機見圖2。