实时在线温度及泄漏监测在熔盐储罐上的应用

王 锐 中国成达工程有限公司 成都 610041

随着我国雾霾和环境污染的加重，国家对新能源行业的政策支持力度也越来越大。储能以及太阳能热发电技术取得了长足发展，其中，高温熔盐储能技术是解决新能源发电与电网匹配的重要途径，在新兴的光热电站中已经开始应用。大型熔盐储罐是熔盐光热发电技术中的关键设备，其寿命和安全直接关系到电站的长周期运行和经济效益。由于熔盐储罐的介质容积大（通常大于20000 m3）、设备表面积大（通常大于1000 m2）、介质温度高（通常大于590 ℃）以及缺乏制造经验等，在国内外已经运行的大型熔盐储罐部分出现了泄漏，给工厂带来了巨大的损失。因此，为了保证光热电厂的长周期正常运行，对大型熔盐储罐实时在线温度监测和泄漏预警显得十分必要。

1 常见的熔盐储罐表面温度及泄漏监测方法

熔盐储罐主要有单壁罐和双壁罐两种结构型式，都面临实时表面温度监测及泄漏预警问题。国内外大型熔盐储罐通常采用点式测量技术，即在罐体表面安装点式温度传感器进行罐体表面温度测量和泄漏检测，其存在以下5个缺点：

（1）需要在设备表面大量布点，不能连续精确测温，存在测量盲区。

（2）布点范围有限，不能精确定位。

（3）连接电缆不耐高温。

（4）抗电磁干扰弱。

（5）安装维护成本高，系统复杂。

目前的技术只有当泄漏量覆盖到温度监测点时，泄漏才能被监测到，具有一定的延迟，且无法准确定位泄漏点。同时温度传感器的使用寿命较短（3～5年），一旦损坏熔盐储罐将失去泄漏报警功能。随着熔盐储罐越来越大型化，温度传感器的布线长度和难度也大大增加，投资成本随之升高。

2 光纤测温技术

光纤测温技术是近年才发展起来的新技术，主要有光纤光栅和光纤分布式测温（Distributed Temperature Sensor，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，适用于熔盐储罐的高温环境。光纤分布式测温是以光纤作为传感器进行温度感知的技术，该系统利用单根光纤同时实现温度的监测和信号的传输，可以探测微小的温度变化，实时提供准确而连续的温度数据，可实现沿光纤所有点的大范围、长距离、高精度（±0.5 ℃）、点间小（50 cm）的实时快速多点测量空间温度分布，其机理是后向拉曼（Raman）散射效应。激光脉冲与光纤分子相互作用，发生多种散射，如瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射等。其中，拉曼散射对温度最为敏感。光纤中光传输的每一点都会产生拉曼散射，且产生的拉曼散射光均匀分布在整个空间角内。由于光纤分子的热振动，会产生一个比光源波长长的光——斯托克斯 （Stokes）光和一个比光源波长短的光——反斯托克斯（Anti-Stokes）光。受外部温度的调制，使光纤中的反斯托克斯光强发生变化，Anti-Stokes与Stokes的比值提供了温度的绝对指示。利用这一原理实现对沿光纤温度场的分布式测量，结合高品质的脉冲光源和高速的信号采集与处理技术，就可以得到沿光纤所有点的准确温度值。

3 光纤测温技术在双壁熔盐储罐表面温度和泄漏测量中的新方案

分布式光纤测温系统由DTS测温主机、耐高温测温光缆、工控机及系统软件组成见图1，将耐高温测温光缆设置在内储罐与外储罐之间，光缆的两端通过熔盐储罐外的接线箱与测温主机连接，测温主机与控制系统连接，用于采集内储罐罐壁和内、外储罐之间空气隔热层的实时温度差。

图1 系统整体结构图

DTS测温主机的一个光通道由连接光缆接入熔盐储罐的接线箱（FJB），在接线箱内连接光缆与测温光缆相接。耐高温测温光缆从熔盐储罐内、外罐之间的顶管口进入，然后沿熔盐储罐内罐外壁由上而下间隔2 m（间隔距离可根据要求调整）环形敷设，均匀敷设至罐底后，测温光缆在罐底部沿内外层罐体夹层间靠近内层储罐壁0.3 m处（距离可根据罐体容积因素等调整）的地表面环形敷设一周，然后沿着内罐壁垂直向上敷设，从熔盐储罐顶管口引出进入接线箱，再由连接光缆接入DTS测温主机见图2。

图2 单个储罐内的结构

测温光缆敷设完毕后，在内罐外壁上利用卡槽对测温光缆进行固定，使光缆紧贴罐壁。卡槽扣在内罐罐壁上，将光缆夹在中间，通过焊接锚固件支座对卡槽进行固定见图3。

图3 光纤在罐壁上的安装图

因此，将光纤按一定路径敷设在熔盐储罐周围得到熔盐储罐周围各个位置的温度分布，可在线测温并通过温度的突变监测储罐内介质的泄漏情况，并通过反射时间计算得到光纤沿线的精确温度分布，并实时定位预警见图4。

图4 系统图

通过在双壁熔盐储罐上实施光纤测温技术，再加上安装在工控机上的可视化监控软件，可实时显示储罐温度分布及报警信息。其具有以下5个功能：

（1）电子地图显示功能：用单子图形的方式呈现监测回路的温度值，当温度超过设定值时，在布局图上以不同颜色显示报警位置。

（2）温度在线显示：显示监测回路的实时温度计报警指标的当前值。

（3）泄漏报警：对监视的空间分段设置不同分区，对不同的部位进行不同标准的监视。

（4）定位报警位置：当发生泄漏时，除温度报警外，还能够精确定位温度异常点的位置信息，并记录报警数据，方便及时找到问题，并尽快执行应急处理预案。

（5）光纤断裂报警及定位：当出现光纤断裂时，报警并显示断裂位置。

同时，可以将以上信息通过TCP/IP、Modbus等通信协议传输到DCS及其它上层网络系统进行实时监控显示。

4 结语

实时在线温度及泄漏监测在熔盐储罐上的应用替代了目前的点式测温方法，解决了点式测温方法覆盖率低、安装困难的缺点。随着该技术在新兴的光热电站和未来的储能电站中的大规模应用，其实时在线、覆盖面广、精确测量、安装方便、寿命长、经济价值高等优点，将带来一定的社会效益和经济效益。