CN114005558B - 核电站主蒸汽管道的fbg实时泄漏监测方法及系统 - Google Patents

核电站主蒸汽管道的fbg实时泄漏监测方法及系统 Download PDF

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Abstract

一种核电站主蒸汽管道的FBG实时泄漏监测方法及系统，在核电站主蒸汽管道外的保温层内外布置分布式FBG传感器阵列，实时监测振动、温度以及湿度值，当泄漏时触发报警的同时通过等值线云图对泄漏点进行定位，实现对整个管道内蒸汽泄漏的实时监测。本装置通过对泄漏进行实时监测作为报警触发，并在短时间内通过等值线云图对泄漏点进行定位并得出泄漏量，可以实现对核电站主蒸汽管道泄漏的实时监测，做到多物理量测量、响应快、定位准，及时预防严重事故发生，确保安全性。

Description

核电站主蒸汽管道的FBG实时泄漏监测方法及系统
技术领域
本发明涉及的是一种核电站控制领域的技术，具体是一种核电站主蒸汽管道的光纤布拉格光栅(FBG)实时泄漏监测方法及系统。
背景技术
核电站的安全性与可靠性是发展核电这一清洁能源的重要因素，其中LBB(LeakBefore Break，破前泄漏)技术于20世纪60年代提出，指的是表面裂纹将管道壁厚穿透，使内部流体发生泄漏，但是沿着壁厚的方向仍然有足够的厚度，可以检测发现并及时停工进行维修，以避免由于管道整体破坏引发的灾难性事故。FBG作为一种具有抗干扰、灵敏度高、测量对象广泛、便于成网等优点的传感测量方式，已经在结构健康监测中被广泛的应用，尤其是在土木结构中测量效果比其他方法好得多。LBB技术具有很好的实用性，FBG也广泛的应用于结构监测中，将这两种方式结合起来，可应用于核电站主蒸汽管道泄漏实时监测和报警。
当前，核电站设计过程中对于核电站主蒸汽管道泄漏情况均有监测，其中最重要的测量对象为泄漏点位置以及泄漏量大小，通常采用的主蒸汽管道泄漏监测技术较为基础，比如安全壳地坑液位测量、核电站冷却剂系统装量平衡以及安全壳大气放射性监测等。
发明内容
本发明针对现有技术不能满足对于泄漏的实时监测和测量的需求，包括无法及时发现泄漏并精确定位泄漏点以及无法精确测量泄漏量的不足，提出一种核电站主蒸汽管道的FBG实时泄漏监测方法及系统，通过对泄漏进行实时监测作为报警触发，并在短时间内通过等值线云图对泄漏点进行定位并得出泄漏量，可以实现对核电站主蒸汽管道泄漏的实时监测，做到多物理量测量、响应快、定位准，及时预防严重事故发生，确保安全性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种核电站主蒸汽管道的FBG实时泄漏监测方法，在核电站主蒸汽管道外的保温层内外布置分布式FBG传感器阵列，实时监测振动、温度以及湿度值，当泄漏时触发报警的同时通过等值线云图对泄漏点进行定位，实现对整个管道内蒸汽泄漏的实时监测。
所述的分布式FBG传感器阵列具体为：振动传感器、分别设置于保温层内、外的温度传感器以及湿度传感器，沿圆周方向均布32支传感器，每支传感器由40个均布的串联FBG探头组成，形成具有测量分辨率为500mm的FBG传感器测量阵列。
所述的均布，以每45°布置一支传感器。
所述的FBG探头包括：传感部位与传递光纤，其中：传感部位根据不同的种类由不同的封装方式对光栅点进行封装处理，以达到不同的功能；传递光纤为外设包层包裹保护的通信光纤，形成实时监测传感器阵列。
所述的光栅点均通过飞秒激光写入法写入制成以承受较高的温度且具有较好的温度线性。
所述的FBG探头的外部均设有光纤套管，该光纤套管优选为不锈钢制成以传导温度。
所述的温度传感器的光纤套管内进一步填有缓冲剂以去除应变的影响。
所述的湿度传感器在FBG栅点位置涂覆吸水材料，并将传感器两端固定在套管内，使湿度传感器的光栅点保持松弛状态以去除应变的影响，每一个测点都进行编号，以方便定位。
所述的封装处理，采用但不限于市售胶粘剂实现以降低温度-应变的交叉敏感度。
所述的实时监测是指：分布式FBG传感器阵列对输入光源调制后将输出的调制信号通过光纤输出至32通道的FBG解调分析仪，经解调得到FBG中心波长的漂移量，利用不同FBG传感器的性质计算得到振动、温度以及湿度。
所述的输入光源采用但不限于动态扫描窄带半导体激光器，采用低功耗嵌入式处理器设计，内置在线校准波长参考模块，在工作温度范围内可保证±1pm的长期测量精度。
所述的定位是指：当有泄漏发生时，根据温度的等温线云图以及振动、湿度的辅助判断，对泄漏点位置和泄漏量的大小进行精确显示，当泄漏发生时泄漏点处会有高温的蒸汽从破口射出，会使泄漏点与周围未泄漏点处的温度、振动以及湿度信号值有大幅度的升高，基于此辅助泄漏点位置判断的具体操作步骤为：由三种光纤光栅传感器测量分别得到各个测点位置的温度、振动以及湿度信号值，并以等值线云图的方式显示在显示器上，从等值线云图中可以确定个物理量的最大值点，即要确定的泄漏点，以温度最高值为定位标准并以振动值与湿度值进行辅助验证，最终得到泄漏点的精确位置。由于主蒸汽管道内外的温差值与泄漏量之间具有
Figure BDA0002604006030000021
函数关系，在具体测量中可以通过标定获取该将函数关系的详细表达式，从而得到温差值与泄漏量的对应关系，得出泄漏量的数值。此外根据流致振动原理，振动频率值与蒸汽流速也具有一一对应关系，可以根据模型计算得出泄漏量，进一步确认泄漏量。
所述的触发报警，通过报警显示系统实现，该报警显示系统包括显示器以及报警器，通过显示器将每个测点的测量值实时显示，一旦超出限制值就会触发报警器，并在显示器上通过测量值异常点的物理量等值云图，在实时监测网络中精确地找到泄漏点的具体位置。
所述的实时监测振动、温度以及湿度值，包括：
①应变测量：轴向应变Δε引起的FBG周期∧的变化为：
Figure BDA0002604006030000022
由弹光效应引起的FBG有效折射率的变化为：/>
Figure BDA0002604006030000023
得到FBG的中心波长漂移量ΔλB和轴向应变Δε的关系为：/>
Figure BDA0002604006030000031
其中：光纤的弹光系数/>
Figure BDA0002604006030000032
∧为FBG周期，ε为应变值，n为有效折射率，λB为FBG中心波长值。通过测得FBG的中心波长的漂移量可以计算出对应的应变值，当主蒸汽管道泄漏发生时，泄漏的蒸汽会对保温层产生冲击，导致保温层的振动产生应变，对振动时域谱进行傅里叶变换，获得振动频谱，并根据流致振动原理，换算得到蒸汽局部流量。
②温度测量：当环境温度T发生变化为ΔT时，则由热膨胀效应引起的FBG光栅周期变化为：
Figure BDA0002604006030000033
由热光效应引起的有效折射率变化为：/>
Figure BDA0002604006030000034
得到FBG的中心波长λB漂移量ΔλB和温度变化ΔT的关系为：/>
Figure BDA0002604006030000035
其中：/>
Figure BDA0002604006030000036
为光纤的热膨胀系数；/>
Figure BDA0002604006030000037
为光纤的热光系数；∧为FBG周期，T为温度值值，n为有效折射率，λB为FBG中心波长值。通过测得FBG的中心波长的漂移量则计算出对应的温度值，当主蒸汽管道泄漏发生时，保温层内的温度梯度会发生变化，泄漏点的温度会迅速升高。
③湿度测量：湿度传感器外的湿敏涂层吸收周围的水蒸气而膨胀，其产生的轴向应变Δε′对FBG中心波长的漂移量ΔλB的关系为：
Figure BDA0002604006030000038
由湿度变化引起的湿敏薄膜膨胀产生的轴向应变关系为：Δε′＝γTF×Δ％RH，从而得到湿度变化量Δ％RH引起的FBG中心波长漂移量ΔλB关系为：/>
Figure BDA0002604006030000039
其中：γTF是指涂覆湿敏涂层的FBG湿度膨胀系数，Δ％RH是指相对湿度％RH的变化量；通过测得FBG的中心波长的漂移量可以计算出对应的湿度变化值，当主蒸汽管道泄漏发生时，水蒸气会大量泄漏进保温层内，导致其中的湿度迅速变高。
所述的应变测量和湿度测量优选作为冗余测量或者防止系统误报的参考值，在温度出现异常时辅助工作人员对实时工况进行准确的判断。
所述的泄漏量的大小，通过
Figure BDA00026040060300000310
得到主蒸汽管道保温层内外的温差，由于泄漏量是与温差有关的函数，即/>
Figure BDA00026040060300000311
在具体测量中可以通过标定将函数关系似的系数确定，从而得到温差与泄漏量的一一对应关系，得出泄漏量的数值。
技术效果
本发明整体解决了现有核电站的主蒸汽管道，不具备实时多方位监测的技术问题。本发明分辨率为：沿轴向长度方向0.5米，沿周向角度方向45度，实现了对测点位置的多物理量测量，包括振动信号、温度信号以及湿度信号，而且可以得到泄漏检测中最重要的泄漏量；本发明测得的不同信号之间可以进行辅助定位，符合核电站安全中的冗余性原则，使测量结果更为准确可靠。
附图说明
图1为本发明系统示意图；
图2为传感器结构示意图；
图3为FBG温度传感器阵列示意图；
图4为实施例泄漏点定位示意图。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及一种核电站主蒸汽管道的FBG实时泄漏监测系统，其中的分布式FBG传感器1和2分别在主蒸汽管道保温层3的内、外沿轴向安装，沿着环向均匀地安装8对两种不同的FBG传感器的光纤，保温层内部为温度传感器4与湿度传感器5，保温层外部为温度传感器与应变传感器6，在分别通过输出光纤7将各个FBG传感器所在的光纤与FBG解调分析仪8连接，FBG解调分析仪通过缆线9与带有解析模块的计算机10相连，将FBG解调分析仪得到的FBG中心波长漂移量传递给计算机10，并用解析模块转换成需要的应变、温度以及湿度值，通过缆线9将显示器11、报警器12与计算机10相连，用于实时监测定位与发出报警信号，并对主蒸汽管道的实时泄漏量进行监测。
如图2所示，为本实施例涉及的一种FBG传感器的结构，包括：传递光纤13、毛细钢管14、胶粘剂15、保护套管16和裸光纤光栅17，其中：裸光纤光栅17连接有传递光纤13，将裸光纤光栅17放在毛细钢管14的中间位置，并向其中填充胶粘剂15将裸光纤光栅17固定住，将保护套管16套在传递光纤13上并固定于毛细钢管14外，即为封装好的光纤光栅传感器。
所述的解析模块，包括：信号接收单元、信号预处理单元、信号处理单元以及信号输出单元，其中：信号接收单元与FBG解调分析仪相连接收FBG中的光信号信息，信号预处理单元与信号接收单元相连接收光信号并将信号数字化同时提取信号处理单元所需要的数据点，信号处理单元与信号预处理单元相连接收数字化后的光信号并使用LABVIEW程序对信号进行处理，得到波长值与光谱图信息，信号输出单元与信号处理相连接收波长值与光谱图信息并将对应的振动、温度信号输出，最终输出在显示器上。
本实施例以AP1000核电站主蒸汽管道为例，其主蒸汽管道材质为SA335GR P11，保温层类型为金属反射型保温层；管道外径为965.2mm，管道壁厚为44.2mm，管道总长度约为20000mm，屈服强度为329MPa，抗拉强度为531MPa，属于大壁厚合金管道。
本实施例中采用的FBG光纤光栅的技术参数为：应变、温度与湿度传感器的光栅均是由外部写入法中的飞秒激光写入法写入制成，此种方法制成的FBG传感器可以承受较高的温度，且在高温下可以与温度、振动、湿度保持较好的线性关系，其中特别的，温度传感器的封装采用特殊的胶粘剂，从而降低温度-应变的交叉敏感度，FBG传感器共32根，一根光纤上有40个测点均匀地粘贴在保温层内外两侧，形成实时监测传感器阵列，测量分辨率为500mm(轴向)，45度(周向)。
本实施例基于上述系统，通过将输出值经过信号输出到显示器上，实时显示各个测点的测量值情况，一旦有泄漏发生时，温度传感器阵列的等温线云图如图3所示，其中：T(i,j)表示第i根光纤上第j个光栅测点的位置，可以根据云图确定泄漏点的位置为温度最高点处，当测量值的波动超过预警值，就会触发报警系统发出警报，并对泄漏点进行精确定位并提供泄漏量，为工作人员进行下一步操作提供依据。同时，振动、湿度测量值等值线云图可以作为泄漏判定的冗余方案，消除泄漏的误判。
与现有技术相比，本方法的性能指标提升在于：本发明使用分布式FBG光纤光栅传感器对核电站主蒸汽管道进行多参数实时测量，具有分辨率高，可进行全方位全时段监测；实现多物理量测量，对泄漏点进行精确定位，并且能得到精确的泄漏量；符合冗余性原则，结果准确可靠。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (5)

1.一种核电站主蒸汽管道的FBG实时泄漏监测方法，其特征在于，在核电站主蒸汽管道外的保温层内外布置分布式FBG传感器阵列，实时监测振动、温度以及湿度值，当泄漏时触发报警的同时通过等值线云图对泄漏点进行定位，实现对整个管道内蒸汽泄漏的实时监测；
所述的分布式FBG传感器阵列具体为：振动传感器、分别设置于保温层内、外的温度传感器以及湿度传感器；
所述的实时监测是指：分布式FBG传感器阵列对输入光源调制后将输出的调制信号通过光纤输出至32通道的FBG解调分析仪，经解调得到FBG中心波长的漂移量，利用不同FBG传感器的性质计算得到振动、温度以及湿度；
所述的定位是指：当有泄漏发生时，根据温度的等温线云图以及振动、湿度的辅助判断，对泄漏点位置和泄漏量的大小进行精确显示，当泄漏发生时泄漏点处会有高温的蒸汽从破口射出，会使泄漏点与周围未泄漏点处的温度、振动以及湿度信号值有大幅度的升高；
由三种光纤光栅传感器测量分别得到各个测点位置的温度、振动以及湿度信号值，并以等值线云图的方式显示在显示器上，从等值线云图中确定个物理量的最大值点，即要确定的泄漏点，以温度最高值为定位标准并以振动值与湿度值进行辅助验证，最终得到泄漏点的精确位置；
由于主蒸汽管道内外的温差值与泄漏量之间具有Q＝F(ΔT)函数关系，在具体测量中通过标定获取该函数关系的详细表达式，从而得到温差值与泄漏量的对应关系，得出泄漏量的数值；
根据流致振动原理，即振动频率值与蒸汽流速的对应关系，根据模型计算得出泄漏量，进一步确认泄漏量；
所述的实时监测振动、温度以及湿度值，包括：
①应变测量：轴向应变Δε引起的FBG周期∧的变化率为：
Figure FDA0004229753380000011
由弹光效应引起的FBG有效折射率的变化率为：/>
Figure FDA0004229753380000012
得到FBG的中心波长漂移量ΔλB和轴向应变Δε的关系为：/>
Figure FDA0004229753380000013
其中：光纤的弹光系数/>
Figure FDA0004229753380000014
∧为FBG周期，ε为应变值，n为有效折射率，λB为FBG中心波长值；通过测得FBG的中心波长的漂移量可以计算出对应的应变值，当主蒸汽管道泄漏发生时，泄漏的蒸汽会对保温层产生冲击，导致保温层的振动产生应变，对振动时域谱进行傅里叶变换，获得振动频谱，并根据流致振动原理，换算得到蒸汽局部流量；
②温度测量：当环境温度T发生变化为ΔT时，则由热膨胀效应引起的FBG光栅周期变化为：
Figure FDA0004229753380000015
由热光效应引起的有效折射率变化为：/>
Figure FDA0004229753380000016
得到FBG的中心波长λB漂移量ΔλB和温度变化ΔT的关系为：/>
Figure FDA0004229753380000021
其中：/>
Figure FDA0004229753380000022
为光纤的热膨胀系数；/>
Figure FDA0004229753380000023
为光纤的热光系数；∧为FBG周期，T为温度值值，n为有效折射率，λB为FBG中心波长值；通过测得FBG的中心波长的漂移量则计算出对应的温度值，当主蒸汽管道泄漏发生时，保温层内的温度梯度会发生变化，泄漏点的温度会迅速升高；
③湿度测量：湿度传感器外的湿敏涂层吸收周围的水蒸气而膨胀，其产生的轴向应变Δε′对FBG中心波长的漂移量ΔλB的关系为：
Figure FDA0004229753380000024
由湿度变化引起的湿敏薄膜膨胀产生的轴向应变关系为：Δε′＝γTF×Δ％RH，从而得到湿度变化量Δ％RH引起的FBG中心波长漂移量ΔλB关系为：/>
Figure FDA0004229753380000025
其中：γTF是指涂覆湿敏涂层的FBG湿度膨胀系数，Δ％RH是指相对湿度％RH的变化量；通过测得FBG的中心波长的漂移量可以计算出对应的湿度变化值，当主蒸汽管道泄漏发生时，水蒸气会大量泄漏进保温层内，导致其中的湿度迅速变高。
2.根据权利要求1所述的核电站主蒸汽管道的FBG实时泄漏监测方法，其特征是，沿圆周方向均布32支传感器，每支传感器由40个均布的串联FBG探头组成，形成具有测量分辨率为500mm的FBG传感器测量阵列。
3.根据权利要求2所述的核电站主蒸汽管道的FBG实时泄漏监测方法，其特征是，所述的FBG探头包括：传感部位与传递光纤，其中：传感部位根据不同的种类由不同的封装方式对光栅点进行封装处理，以达到不同的功能；传递光纤为外设包层包裹保护的通信光纤，形成实时监测传感器阵列。
4.根据权利要求1所述的核电站主蒸汽管道的FBG实时泄漏监测方法，其特征是，所述的温度传感器的光纤套管内进一步填有缓冲剂以去除应变的影响；
所述的湿度传感器在FBG栅点位置涂覆吸水材料，并将传感器两端固定在套管内，使湿度传感器的光栅点保持松弛状态以去除应变的影响，每一个测点都进行编号，以方便定位。
5.根据权利要求1所述的核电站主蒸汽管道的FBG实时泄漏监测方法，其特征是，所述的泄漏量的大小，通过
Figure FDA0004229753380000026
得到主蒸汽管道保温层内外的温差，由于泄漏量是与温差有关的函数，即Q＝F(ΔT)，在具体测量中可以通过标定将函数关系似的系数确定，从而得到温差与泄漏量的一一对应关系，得出泄漏量的数值。
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基于分布式光纤传感器的输气管道泄漏检测方法;陈志刚;张来斌;王朝晖;梁伟;;传感器与微系统(07);108-110 *
基于分布式光纤拉曼测温系统的核电一回路泄漏点监测技术;邢豪健;乔秋晓;金钟燮;;光子学报(05);1-7 *
核电厂声学泄漏监测系统的设计和验证;周正平;《核动力工程》;110-113 *

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