CN110501340A - 基于分布式光纤传感技术的裂解炉炉管腐蚀监测系统 - Google Patents

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高建
倪加章
顾道伟
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Abstract

本发明公开了基于分布式光纤传感技术的裂解炉炉管腐蚀监测系统，包括检测单元、显示单元及报警单元及报警单元、电源单元和宽带光源，所述电源单元的输出端分别与检测单元、显示单元及报警单元和宽带光源的输入端电连接，所述宽带光源的输出端通过导线与检测单元的输入端电连接，所述检测单元的输出端与显示单元及报警单元的输入端电连接，所述宽带光源的输出端与检测单元中的调解仪的输入端连接，本发明易于对不同管径的管道量身定做，从长度和柔度上都满足管道监则的需求，同时不影响管道正常运营，不破坏管道完整性，并且特有的增敏机制提高了信号辨识度和定位精度，不受电磁辐射影响，噪声源少，因此便于推广。

Description

基于分布式光纤传感技术的裂解炉炉管腐蚀监测系统
技术领域
本发明属于石化设备监测领域，涉及基于分布式光纤传感技术的裂解炉炉管腐蚀监测系统。
背景技术
裂解炉的炉管由于内部输送介质冲刷内壁导致的管道内腐蚀，直接后果就是管道壁厚的减小，长期后果甚至会出现管壁通孔，管道泄漏等现象，而炉管的腐蚀监测可了解运行中裂解炉的实际状态，发现腐蚀问题，监视腐蚀变化规律，通过改变生产工艺条件或操作电化学保护系统等以控制腐蚀过程，进而把腐蚀速度控制在允许的范围之内。避免设备在危险状态下运转或提早失效。
根据材料力学基本原理，可得到管道断面环向应力σ、环向应变ε、管道内压P与管道半径R、管道弹性模量EP及管道壁厚t的关系，由于管道内部压力可视为已知量，在已知管道内压大小的情况下，管道壁厚t减小将导致环向变形e的增大，通过监测管道的环向应变变化即可判断管壁腐蚀情况。当然，以上论述仅适用于管道内壁均匀腐蚀的情况，即假定同一断面的管道壁厚均匀变薄，则可以用管道外壁上的任意点的环向应变值反应管道腐蚀情况，现有的炉管腐蚀监测预警系统中往往使用压力传感器进行检测，现有的压力传感器监测方法缺陷是:长距离传输信号衰减较大、噪声源较多；位置定位精度受信号非线生特性影响，误差较大，因此，需要设计一种基于分布式光纤传感技术的用于裂解炉炉管腐蚀监测系统以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供基于分布式光纤传感技术的裂解炉炉管腐蚀监测系统，以解决压力传感器检测方法存在的长距离传输信号衰减较大、噪声源较多；位置定位精度受信号非线生特性影响，误差较大的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于分布式光纤传感技术的裂解炉炉管腐蚀监测系统，包括区块链单元、检测单元、显示单元及报警单元、电源单元和宽带光源，所述电源单元的输出端分别与检测单元、显示单元及报警单元、和宽带光源的输入端电连接，所述宽带光源的输出端通过导线与检测单元的输入端电连接，所述检测单元的输出端与显示单元及报警单元的输入端电连接，所述宽带光源的输出端与检测单元中的调解仪的输入端连接，所述调解仪的输出端与分布式光纤传感器输入端连接，所述分布式光纤传感器通过通信模块A依次与显示单元及报警单元中的通信模块B和处理器模块通讯连接，所述通信模块B与区块链单元中的通信模块C通讯连接，所述处理器模块的输出端与显示模块的输入端连接，所述显示单元及报警单元中的控制单元输出端与处理器模块的输入端连接。
所述处理器模块为STM32DMA控制器。
所述调解仪为F-P滤波器。
所述显示模块为ILI9320显示屏。
所述通信模块A和通信模块B皆为MAX485型接口芯片。
所述报警模块为KENDIN收发器。
所述报警模块为OPT芯片。
所述电源单元的电源模块为LM2940稳压芯片。
所述分布式光纤传感器的光纤由纤芯、包层、涂覆层和毛细管组成，所述纤芯的外侧封装有毛细管，所述毛细管的外侧包裹有包层，所述包层的外侧包裹有涂覆层，所述包层中采用毛细管为主要封装材料对纤芯进行保护和增敏，所述毛细管的材质为不锈钢。
所述区块链单元包括处理模块、存储模块、通讯模块C和计数系统，其中通信模块C与显示单元及报警单元中的通信模块B通讯连接，所述处理模块的输出端与计数模块和存储模块的输入端及输出端互为连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该用于炉管腐蚀监测预警的系统通过利用分布式光纤传感器进行检测，分布式光纤传感器采用不锈钢毛细管为主要封装材料对光纤光栅进行保护和增敏，不锈钢材料弹性模量弹性模量远高于光纤材料，避免了封装材料本身变形过大，承担不起将环向应变全部传递给光纤光栅的力学性能要求外形灵活机动，与现有的压力传感器进行检测相比，具有以下优点：
(1)、易于对不同管径的管道量身定做，从长度和柔度上都满足管道监则的需求；
(2)、不影响管道正常运营，不破坏管道完整性；
(3)、特有的增敏机制提高了信号辨识度和定位精度；
(4)、不受电磁辐射影响，噪声源少。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明的区块链单元示意图；
图3为本发明的分布式光纤传感器的光纤截面图。
图中：1、纤芯；2、包层；3、涂覆层；4、毛细管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示的基于分布式光纤传感技术的裂解炉炉管腐蚀监测系统，包括区块链单元、检测单元、显示单元及报警单元、电源单元和宽带光源，所述电源单元的输出端分别与检测单元、显示单元及报警单元、和宽带光源的输入端电连接，所述宽带光源的输出端通过导线与检测单元的输入端电连接，所述检测单元的输出端与显示单元及报警单元的输入端电连接，所述宽带光源的输出端与检测单元中的调解仪的输入端连接，所述调解仪的输出端与分布式光纤传感器输入端连接，所述分布式光纤传感器通过通信模块A依次与显示单元及报警单元中的通信模块B和处理器模块通讯连接，所述通信模块B与区块链单元中的通信模块C通讯连接，所述处理器模块的输出端与显示模块的输入端连接，所述显示单元及报警单元中的控制单元输出端与处理器模块的输入端连接，所述处理器模块为STM32DMA控制器，所述调解仪为F-P滤波器，所述显示模块为ILI9320显示屏，所述通信模块A和通信模块B皆为MAX485型接口芯片，所述报警模块为KENDIN收发器，所述报警模块为OPT芯片，所述电源单元的电源模块为LM2940稳压芯片。
所述区块链单元包括处理模块、存储模块、通讯模块C和计数系统，其中通信模块C与显示单元及报警单元中的通信模块B通讯连接，所述处理模块的输出端与计数模块和存储模块的输入端及输出端互为连接。
LM2940稳压芯片芯片通过外接电源获取220v电压，经过芯片降压后获取3.3v电压提供至宽带光源、检测单元、显示单元及报警单元中各个芯片的工作电源，接着，通过将分布式光纤传感器缠绕在待检测的炉管上，分布式光纤传感器的光纤由纤芯1、包层2、涂覆层3和毛细管4组成，纤芯1的外侧封装有毛细管4，毛细管4的外侧包裹有包层2，包层2的外侧包裹有涂覆层3，包层2中采用毛细管4为主要封装材料对纤芯1进行保护和增敏，毛细管4的材质为不锈钢，其中，不锈钢的毛细管4为主要封装材料对光纤光栅进行保护和增敏。不锈钢材料弹性模量弹性模量远高于光纤材料，避免了封装材料本身变形过大，承担不起将环向应变全部传递给光纤光栅的力学性能要求，利用紫外光照射工艺，对特定部位的光纤纤芯进行紫外照射，使得该区域光纤纤芯的折射率发生周期性变化，从而制成特定中心波长的光纤光栅，宽带光源发出的光进入可调谐F-P滤波器，在锯齿波扫描电压的作用下，不同波长的光信号周期性地通过F-P滤波器，然后经耦合器分成两个支路。其中一路约90％的光经耦合器入射到传感光栅阵列中，阵列中所有光栅的布拉格反射波长必须全部在F-P滤波器的扫描范围内，并且每个光栅的反射波长都不相同，以避免信号串扰；另一路约10％的光则经耦合器入射到F-P标准具中，该支路用来对可调谐F-P滤波器进行校准，以消除可调谐F-P滤波器腔长漂移对测量精度造成的影响。在传感光栅通道中，当F-P滤波器的扫描波长与光纤光栅的反射波长一致时，光电检测器探测到的光能量最大。此时，采集光电检测器输出的电信号，当电信号最大时，记录相应的锯齿波电压，然后根据锯齿波电压与波长的关系可以得到反射波长的值，从而达到传感信号解调的目的。
分布式光纤传感器回馈的信号通过MAX485通讯线路传递至STM32DMA控制器进行计算并确认炉管的壁厚，并将获得数据发送至ILI9320显示屏显示，而当壁厚小于安全值时，OPT芯片进行语音警告，提醒工作人员。
同时，炉管不同位置处被区块链单元的处理模块试做不同的点，点和点之间的测试数值差异进行统一，计数模块将不同炉管进行编号，如A、B、C···，并对单个炉管上不同的点进行编号，如A1、A2、A3···，并在通讯模块A传递数据至通讯模块B处时，通过通讯模块C获取该数据并进行记录，对小于平均值的点进行计数，并利用区块链技术中的代币分发技术对该点分发代币进行记录，在下次进行检查时，通过对各点的代币数量进行统计查询，确定各点的腐蚀状态，并对两次测试低于平均值的点进行筛分，工作人员在后续检修时可对被记录点的安装情况做查看，以提升后续炉管使用时长，提高炉管的使用寿命。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.基于分布式光纤传感技术的裂解炉炉管腐蚀监测系统，包括区块链单元、检测单元、显示单元及报警单元、电源单元和宽带光源，所述电源单元的输出端分别与检测单元、显示单元及报警单元、和宽带光源的输入端电连接，所述宽带光源的输出端通过导线与检测单元的输入端电连接，所述检测单元的输出端与显示单元及报警单元的输入端电连接，其特征在于：所述宽带光源的输出端与检测单元中的调解仪的输入端连接，所述调解仪的输出端与分布式光纤传感器输入端连接，所述分布式光纤传感器通过通信模块A依次与显示单元及报警单元中的通信模块B和处理器模块通讯连接，所述通信模块B与区块链单元中的通信模块C通讯连接，所述处理器模块的输出端与显示模块的输入端连接，所述显示单元及报警单元中的控制单元输出端与处理器模块的输入端连接。
2.如权利要求1所述的用于炉管腐蚀监测预警的系统，其特征在于：所述处理器模块为STM32DMA控制器。
3.如权利要求1所述的用于炉管腐蚀监测预警的系统，其特征在于：所述调解仪为F-P滤波器。
4.如权利要求1所述的用于炉管腐蚀监测预警的系统，其特征在于：所述显示模块为ILI9320显示屏。
5.如权利要求1所述的用于炉管腐蚀监测预警的系统，其特征在于：所述通信模块A和通信模块B皆为MAX485型接口芯片。
6.如权利要求1所述的用于炉管腐蚀监测预警的系统，其特征在于：所述报警模块为KENDIN收发器。
7.如权利要求1所述的用于炉管腐蚀监测预警的系统，其特征在于：所述报警模块为OPT芯片。
8.如权利要求1所述的用于炉管腐蚀监测预警的系统，其特征在于：所述电源单元的电源模块为LM2940稳压芯片。
9.如权利要求1所述的用于炉管腐蚀监测预警的系统，其特征在于：所述分布式光纤传感器的光纤由纤芯(1)、包层(2)、涂覆层(3)和毛细管(4)组成，所述纤芯(1)的外侧封装有毛细管(4)，所述毛细管(4)的外侧包裹有包层(2)，所述包层(2)的外侧包裹有涂覆层(3)，所述包层(2)中采用毛细管(4)为主要封装材料对纤芯(1)进行保护和增敏，所述毛细管(4)的材质为不锈钢。
10.如权利要求1所述的用于炉管腐蚀监测预警的系统，其特征在于：所述区块链单元包括处理模块、存储模块、通讯模块C和计数系统，其中通信模块C与显示单元及报警单元中的通信模块B通讯连接，所述处理模块的输出端与计数模块和存储模块的输入端及输出端互为连接。
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