田松：采用光纤测温的方法检测熔盐罐泄漏

　　在全球能源供应清洁化、低碳化趋势的背景下，太阳能热发电具有可储热、可调峰、可实现连续发电等优点，近年来发展迅速。目前，全球范围内已经掀起了新的光热投资和建设热潮，光热发电总装机规模持续上升，国际能源署预测，2050 年全球光热发电装机规模983 GW，国家能源局2016 年印发了《太阳能发展“十三五”规划》，指出到2020 年底，太阳能发电装机要达到1.1 亿kW 以上，光热发电行业呈现出一派蓬勃发展的繁荣景象。但到目前为止，光热电站的建设还正处于新兴阶段，世界范围内投入商业运行的光热电厂并不多，尤其是高参数的塔式光热电站，在这个阶段光热发电技术仍然面临很多的技术和经验问题，其中熔盐罐的泄漏检测在世界范围内还没有好的解决方法。

　　光热电厂不同于其他发电原理，需要将热量储存下来用于夜间发电，一般采用熔盐介质存储热量，需要用到大容积高参数的熔盐储罐，由于缺少经验和技术局限性，世界范围内发生过多起因熔盐罐泄漏而造成的事故，如新月沙丘和GemaSolar 光热电站都发生了因熔盐罐泄漏造成了重大的损失，长时间影响了电厂的正常发电， 要保证光热电厂的长期正常运行，对于熔盐罐泄漏的检测问题就显得尤为重要。

　　山东电力建设第三工程公司青岛鸿瑞电力工程咨询有限公司教授级高工田松撰文通过对现有的光热电站熔盐储罐泄漏检测方法和其局限性进行分析，提出了采用光纤测温技术进行熔盐储罐泄漏检测的方法，并且对光纤测温技术的拉曼散射原理耐高温光纤的种类和制造工艺、熔盐罐泄漏检测的安装方案等进行了具体论证，得出了采用光纤测温技术可以较好的用于熔盐储罐泄漏检测的结论。

 

　　熔盐罐的泄漏检测之所以成为世界性的难题，主要是由于光热电厂熔盐储罐罐体大( 直径达到40 m，罐体高14 m，单罐容积达到2 万m3)，底面积大，单罐可达1000 多m2。熔盐介质温度高（ 可达560 ℃），并且熔盐介质在储罐中的温度分布不均匀，这些特性的存在会使得熔盐储罐体不同位置的热膨胀不同，从而使罐体承受巨大应力，易造成罐体变形，进而导致破裂造成熔盐罐的泄漏事故。

　　目前可采用的检测手段是通过热电偶测温的方法，在熔盐罐的基础中预埋一定数量的热电偶， 通过偶丝连接到基础外，通过电缆接入接线盒， 最终连接到DCS 控制系统。然而，受限于成本且在基础中安装数量众多的热电偶会非常困难， 并且有可能对基础强度和散热造成影响，测点可安装的数量非常有限，一个熔盐罐基础往往只能均匀分布几十至上百只热电偶，对于直径达到40 m、底面积达到1000 多m2 的熔盐罐，平均一个热电偶需要检测的面积要达到十几平方米，而热电偶只能实现具体某个点位置温度的测量，除非泄漏点正好处于热电偶的上方附近，热电偶才能检测到温度变化。因此，无法实现对整个熔盐罐基础温度测量的良好覆盖，仅依靠预埋热电偶检测的方法达不到理想的效果。

 

　　上世纪80 年代就已提出光纤测温技术，并广泛应用于如交通隧道、地铁、电力、石化、水利等领域。光纤测温技术具有测量距离长、分辨率高、结构简单、响应快速、安装方便、性价比高的优点，但主要应用于常温并且技术参数要求不高的环境。本文主要研究是否可将光纤测温技术应用于光热电厂的熔盐罐泄漏检测中。

 

图1 ：拉曼散射光纤测温技术原理

 

　　光纤测温技术主要有光纤光栅和光纤分布式测温(DTS) 两种。其中，光纤分布式测温具有较好的环境适应性，可承受较大的压力和恶劣的环境，适用于光热熔盐罐的高温环境，本文主要指采用光纤分布式测温技术。光纤分布式测温技术主要是利用光时域反射(OTDR) 技术以及光纤的后向拉曼散射(Raman Scattering) 的温度效应来实现，基于拉曼散射原理拉曼散射的强度与温度有关，反斯托克斯光的幅度强烈依赖于温度，而斯托克斯光则不是，通过测量斯托克斯光与反斯托克斯光的功率比，可探测到温度的变化，主要原理如图1 所示。由图1 可知，发射器发射一个激光脉冲，经过光路耦合器后进入感温光纤，感温光纤发生携带温度信息的自发拉曼散射光背向部分沿原路返回，经过分光器和两个不同波长的滤波器，对应滤出斯托克斯光和反斯托克斯光， 经过光电探测器转化为电信号，采用反斯托克斯与斯托克斯的比值得到光纤的温度，分布式光纤温度测量其结果消除了光源波动、光纤弯曲等因素的影响，只与沿光纤的温度场有关。因此，可长时间保证测温精度，并可通过反射时间计算得到沿光纤的具体位置，从而得到光纤沿线的精确温度分布。综上所述，我们可通过将光纤按一定路径敷设在熔盐罐周围从而得到熔盐罐周围，各个位置的温度分布。

　　

　　式中，Is 为斯托克斯辐射强度；λs 为斯托克斯光波长；λas 为反斯托克斯光波长；h 为普朗克常量；c 为光在真空中的传播速度；k为玻尔兹曼常量；Δγ 为波数；T 为绝对温度。

 

　　将光纤测温技术应用于熔盐罐的泄漏检测在具体方案设计和应用中，主要需要解决两个方面的问题。

　　1、 一般的感温光纤温度范围只能做到-100～ 85 ℃，这是远远不能满足熔盐罐的测温需要的， 熔盐罐的外壁温度最高可达550～600 ℃，因此， 需要采用耐高温的光纤。

　　目前，国际主流的耐高温光纤主要有：耐高温丙烯酸树脂涂层光纤、有机硅胶涂层光纤、聚酰亚胺涂层光纤及金属涂覆光纤4 种。前3 种主要采用普通紫外固化涂层，在300 ℃以上极易发生热老化和热氧老化，降低涂层对光纤的保护作用，并最终可能导致光纤失效，因此前3 种最高温度只能达到200～300 ℃ , 只有金属涂覆光纤才能做到600 ℃以上；并且金属涂覆光纤的金属衣层的热膨胀系数低，基本与光纤处于同一数量级；金属衣层的抗腐蚀、耐应力性能最佳；耐低温性能最佳，可在高温环境下连续工作；衣层与光纤包层结合紧密，机械强度高；耐疲劳、抗水、抗氢性能好；可用金属焊接等优点。但金属涂层光纤将需要将耐高温金属材料紧覆在裸光纤上， 工艺最为复杂，需要精确控制溅射炉功率、反应物质流量、光纤收放速度，才能保证在裸光纤表面溅射均匀的衣层，制作成本也相对较高。光纤金属涂层制作方法主要有化学镀、电镀法、熔融涂覆法与材料溅射薄膜法等制作方法。其中，化学法与电镀法虽然工艺简单、容易操作、成本低； 但镀出的光纤衣层薄膜均匀度差，难以满足高灵敏度传感器的需求，目前主要采用熔融涂覆法与材料溅射薄膜法。在满足熔盐罐基础温度测量的要求条件下，需要采用金属涂覆光纤，外护套采用不锈钢材料，增强耐温和应力冲击。

 

图2 ：熔盐罐底部光纤盘绕方式和测量原理

 

　　2、 熔盐罐的外壁温度与其中的熔盐接近，直接测量外壁温无法区分出熔盐罐是否破裂，是否有熔盐流出，一般采用测量熔盐罐的基础温度和侧壁外保温温度，如果发生泄漏，泄漏点的温度将迅速升高，以此来确定泄漏点的位置。熔盐罐侧壁感温光纤缠绕在第一层外保温中，熔盐罐底部采用的多层隔热材料，感温光纤采用环形均匀规律地盘绕在熔盐罐底部第一层耐火砖下方，在敷设时记录下光纤绝对长度与熔盐罐位置的对应关系，这种安装方式可最大程度的覆盖熔盐罐的底部和侧壁。如果发生泄漏，泄漏点的位置温度快速升高，就可准确快速的判断和确定泄漏点的位置。

　　在实际使用中一个光纤测温主机往往可带多个回路的测温光纤，每个回路光纤长度可达到几公里，不仅可同时满足几个熔盐罐泄漏的温度测量，而且可将多余的感温光纤直接缠绕均布在熔盐罐外壁和底部，通过测量熔盐罐的外壁温度， 得到罐体各位置的实时温度，从而全面监视储罐的温度分布状况，通过这些温度参数控制熔盐的进盐量，启动内循环降温等一系列的保护措施， 从而更好的保护熔盐罐，保证其安全可靠及长期运行的稳定。

 

　　在熔盐罐的泄漏检测方案中，我们采用光纤测温技术代替了目前并不理想的热电偶测温方法，在解决了光纤耐高温和安装敷设的问题后，较为理想的解决了热电偶测量方案的覆盖率低、安装困难的缺点，由于条件所限，目前还只停留在研究阶段，需要在实际项目中进行验证。