CN117664398A - 用于火电厂锅炉传热管路中的分布式光纤测温标定方法 - Google Patents

用于火电厂锅炉传热管路中的分布式光纤测温标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于火电厂锅炉传热管路中的分布式光纤测温标定方法，属于火电厂锅炉测温领域。该方法先获取布置于锅炉传热管路中分布式光纤测温系统的出光功率P，以及锅炉不同工作温度点的斯托克斯光强Rs和反斯托克斯光强Ra数据并进行特征处理，提取特征参数F；采用热电偶测得该工作温度点的实际温度T。以特征参数F为自变量，出光功率P为影响因子，实际温度T为因变量，采用分段线性拟合函数和指数拟合函数进行拟合，分别得到分段线性拟合模型和指数拟合模型。该方法解决高温下光纤测量光强与温度之间出现的非线性问题，后续工作中，只需测量不同工作温度点的光强带入模型计算，即可得到准确的标定温度。

Description

用于火电厂锅炉传热管路中的分布式光纤测温标定方法
技术领域
本发明属于火电厂锅炉测温领域，具体涉及一种用于火电厂锅炉传热管路中的分布式光纤测温标定方法。
背景技术
火电厂锅炉传热管路主要用于火电厂锅炉内外交换热量。对于火力发电厂来说，对高温管路的监测具有重要意义，可以减少或预防传热管路管外高温积灰与腐蚀的发生。传热管路管外积灰会导致传热热阻增加、烟气流动阻力增大，还会引起受热表面金属腐蚀，腐蚀导致管壁变薄、强度降低。研究表面，当主蒸汽温度高于650℃时，经过一段时间的运行后，将出现严重的高温积灰与腐蚀现象。若将主蒸汽温度降低到540℃左右，高温积灰与腐蚀现象将明显减轻。因此，对高温管路温度进行在线监测，控制管路温度在允许范围内尤为重要。
随着光学传感的发展，国内外都开展了拉曼光纤分布式测温研究。然而光纤测温研究内容多集中在低温领域(-20℃至200℃)，对于高温领域(400℃以上)的研究较少。
若要利用光纤对火电厂锅炉内的传热管路进行测温，则必须将光纤置于高温环境中。在光纤测温原理中，光在光纤传播时会发生拉曼散射，生成斯托克斯和反斯托克斯两种不同波长的光，其对温度敏感性不一致。在低温范围内，这两种波长的光强变化与温度变化在一定程度上呈现线性变化，易于解析和标定。而在高温环境下，光强与温度的关系呈现出非线性的特性，传统的方法在高温下无法达到较好的效果。因此，对于火电厂锅炉传热管路的温度测量，亟需一种适应高温环境的分布式光纤测温系统的温度标定方法。
发明内容
本发明的目的在于解决现有的光纤测温系统标定方法无法满足火电厂锅炉传热管路高温监测的问题，并提供一种用于火电厂锅炉传热管路中的分布式光纤测温标定方法。
本发明所采用的具体技术方案如下：
本发明提供一种用于火电厂锅炉传热管路中的分布式光纤测温标定方法，包括以下步骤：
S1、获取布置于锅炉传热管路中分布式光纤测温系统的出光功率P；
S2、将锅炉从常温Tstart升温至最高温度Tend，获取不同工作温度点的斯托克斯光强Rs和反斯托克斯光强Ra数据，并获取该工作温度点的实际温度T；
S3、对所述斯托克斯光强Rs和反斯托克斯光强Ra进行特征处理，提取特征参数F；
S4、以不同工作温度点对应的特征参数F为自变量，分布式光纤测温系统的出光功率P为影响因子，以实际温度T为因变量，分别采用分段线性拟合函数和指数拟合函数进行曲线拟合，分别得到分段线性拟合模型和指数拟合模型，从而完成该布置有分布式光纤测温系统的锅炉传热管路调试；
S5、完成调试后，在锅炉工作过程中，采集不同工作温度点的斯托克斯光强Rs和反斯托克斯光强Ra，并提取特征参数F；输入特征参数F和出光功率P，采用分段线性拟合模型或指数拟合模型计算，得到标定后的温度Ti。
作为优选，上述分布式光纤测温系统的出光功率P为800uW。
作为优选，上述斯托克斯光强Rs和反斯托克斯光强Ra通过分布式光纤测温系统中的光电探测器获得。
作为优选，上述分段线性拟合函数具体如下：
式中：a1、b1分别为Tstart到200℃段的放大系数和偏移系数；c1、d1分别为200℃到360℃段的放大系数和偏移系数；e1、f1分别为360℃到Tend段的放大系数和偏移系数，且Tend为610℃。
进一步的，所述分段线性拟合模型如下：
作为优选，上述指数拟合函数具体如下：
式中：a2和b2分别为第一指数部分的温度放大系数和特征放大系数，c2和d2分别为第二指数部分的温度放大系数和特征放大系数，e2为总温度偏移系数。
进一步的，上述指数拟合模型如下：
作为优选，上述出光功率P的测量方法如下：分布式光纤测温系统的主机出纤口上连接光纤跳线的一端，光纤跳线的另一端连接光纤光功率计，通过光纤光功率计测量得到出光功率P。
作为优选，步骤S1中的实际温度T采用热电偶测量得到。
作为优选，步骤S3中提取特征参数F的方法具体如下：
本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
在高温环境下，传统的光纤测温系统可能会出现测量误差较大的情况，但本发明提供的测温标定方法解决了高温下分布式光纤测温系统测量光强与温度之间出现的非线性问题。采用本发明提供的测温标定方法可以对测温系统进行更准确的标定，减小与实际热电偶测量温度之间的误差。
附图说明
图1为用于火电厂锅炉传热管路中的分布式光纤测温标定方法流程图；
图2为从常温到高温下的温度变化数据；
图3为本实施例中特征参数F与温度的线性拟合结果图；
图4为本实施例中特征参数F与温度的分段线性拟合结果图；
图5为本实施例中特征参数F与温度的指数拟合结果图；
图6为本实施例采用的测温标定方法得到的温度与热电偶测得实际温度对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
作为本发明提供的分布式光纤测温标定方法具体实施方式中的一种优选，本实施例搭建设有分布式光纤测温系统的锅炉模拟试验台，该方法的流程图如图1所示，具体过程如下：
(1)分布式光纤测温系统的主机出纤口上连接光纤跳线的一端，光纤跳线的另一端连接光纤光功率计，通过光纤光功率计测量得到出光功率P。本实施例中，采集的出光功率固定为800uW。
(2)将锅炉模拟试验台的温度从常温升温至610℃。按间隔为5min的时间采集升温过程中不同时间点对应的工作温度的斯托克斯光强Rs和反斯托克斯光强Ra，并用热电偶测得该工作温度的实际温度T，如图2所示。
(3)对斯托克斯光强Rs和反斯托克斯光强Ra进行特征处理，提取特征参数F。提取特征参数F的方法具体如下：
(4)将升温过程工作温度区间温度分为[0℃,200℃]、[200℃，360℃]、[360℃，610℃]三个区间段，以特征参数F为自变量，热电偶测定的实际温度T为因变量，分布式光纤测温系统的出光功率P为影响因子，采用分段线性拟合函数进行曲线拟合。分段线性拟合函数如下：
其中：a1、b1分别为Tstart到200℃段的放大系数和偏移系数；c1、d1分别为200℃到360℃段的放大系数和偏移系数；e1、f1分别为360℃到610℃段的放大系数和偏移系数。
图3为直接将热电偶测定的实际温度T和特征参数F为自变量与出光功率P的比值进行线性拟合的结果，可见直接线性拟合的效果不佳。
分段线性拟合得到参数a1、b1、c1、d1、e1、f1分别为340.72、220.37、353.17、204.8、444.8、217.45，分段线性拟合曲线如图4所示，可见该拟合效果较好。
(5)将升温过程工作温度区间对应的特征参数F为自变量，分布式光纤测温系统的出光功率P为影响因子，热电偶测定的实际温度T为因变量，再次采用指数拟合函数进行曲线拟合。指数拟合函数如下：
式中：a2和b2分别为第一指数部分的温度放大系数和特征放大系数，c2和d2分别为第二指数部分的温度放大系数和特征放大系数，e2为总温度偏移系数。指数拟合得到的参数a2、b2、c2、d2、e2分别为-7.7、-3.6、-23843、-0.015、24056。指数拟合曲线如图5所示，可见该拟合效果较好。
根据上述分段线性拟合和指数拟合，分别得到能够用于该设备的分段线性拟合模型或指数拟合模型，分别如下：
分段线性拟合模型：
指数拟合模型：
接下来采用上述分段线性拟合模型或指数拟合模型进行效果验证。
(1)将该锅炉模拟试验台的温度从610℃降温至常温，采集降温过程不同时间点对应的工作温度的斯托克斯光强Rs和反斯托克斯光强Ra，并提取特征参数F，并采用热电偶测量该工作温度点的实际温度T。
(2)将特征参数F和出光功率P分别输入上述分段线性拟合模型或指数拟合模型计算，得到标定后的温度Ti。
采用热电偶测量的实际温度T和计算得到的标定后的温度Ti进行对比，结果如图6所示。可见，采用该测温标定方法得到的温度，与现有的热电偶测温数据基本一致。
采用均方根值评判标定后温度T与实际测量温度Ti的误差，公式如下：
式中：n为测量数据样本量。
结果如表1所示，分段线拟合的均方根误差值(RSME)为6.11，指数拟合的均方根误差值(RSME)为6.56。结果表明，在600℃左右的范围内，标定后的分布式光纤测温系统测量温度与热电偶的测量温度平均只相差6℃左右，误差较小。因此，采用本发明提供的测温标定方法能够准确测定传热管路上的温度。
表1
拟合方法 分段线性 指数拟合
RSME 6.11 6.56
在实际火电厂锅炉中，再热器的升温速度通常会比过热器快。理论而言，指数函数更适合快速升温的情况。因此，实际应用中，可将上述指数拟合模型用于标定再热器温度，将分段线性拟合模型用于标定过热器温度。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于火电厂锅炉传热管路中的分布式光纤测温标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取布置于锅炉传热管路中分布式光纤测温系统的出光功率P；
S2、将锅炉从常温Tstart升温至最高温度Tend，获取不同工作温度点的斯托克斯光强Rs和反斯托克斯光强Ra数据，并获取该工作温度点的实际温度T；
S3、对所述斯托克斯光强Rs和反斯托克斯光强Ra进行特征处理，提取特征参数F；
S4、以不同工作温度点对应的特征参数F为自变量，分布式光纤测温系统的出光功率P为影响因子，以实际温度T为因变量，分别采用分段线性拟合函数和指数拟合函数进行曲线拟合，分别得到分段线性拟合模型和指数拟合模型，从而完成该布置有分布式光纤测温系统的锅炉传热管路调试；
S5、完成调试后，在锅炉工作过程中，采集不同工作温度点的斯托克斯光强Rs和反斯托克斯光强Ra，并提取特征参数F；输入特征参数F和出光功率P，采用分段线性拟合模型或指数拟合模型计算，得到标定后的温度Ti。
2.根据权利要求1所述的用于火电厂锅炉传热管路中的分布式光纤测温标定方法，其特征在于，所述分布式光纤测温系统的出光功率P为800uW。
3.根据权利要求1所述的用于火电厂锅炉传热管路中的分布式光纤测温标定方法，其特征在于，所述斯托克斯光强Rs和反斯托克斯光强Ra通过分布式光纤测温系统中的光电探测器获得。
4.根据权利要求1所述的用于火电厂锅炉传热管路中的分布式光纤测温标定方法，其特征在于，所述分段线性拟合函数具体如下：
式中：a1、b1分别为Tstart到200℃段的放大系数和偏移系数；c1、d1分别为200℃到360℃段的放大系数和偏移系数；e1、f1分别为360℃到Tend段的放大系数和偏移系数，且Tend为610℃。
5.根据权利要求4所述的用于火电厂锅炉传热管路中的分布式光纤测温标定方法，其特征在于，所述分段线性拟合模型如下：
6.根据权利要求1所述的用于火电厂锅炉传热管路中的分布式光纤测温标定方法，其特征在于，所述指数拟合函数具体如下：
式中：a2和b2分别为第一指数部分的温度放大系数和特征放大系数，c2和d2分别为第二指数部分的温度放大系数和特征放大系数，e2为总温度偏移系数。
7.根据权利要求6所述的用于火电厂锅炉传热管路中的分布式光纤测温标定方法，其特征在于，所述指数拟合模型如下：
8.根据权利要求1所述的用于火电厂锅炉传热管路中的分布式光纤测温标定方法，其特征在于，所述出光功率P的测量方法如下：分布式光纤测温系统的主机出纤口上连接光纤跳线的一端，光纤跳线的另一端连接光纤光功率计，通过光纤光功率计测量得到出光功率P。
9.根据权利要求1所述的用于火电厂锅炉传热管路中的分布式光纤测温标定方法，其特征在于，步骤S1中所述实际温度T采用热电偶测量得到。
10.根据权利要求1所述的用于火电厂锅炉传热管路中的分布式光纤测温标定方法，其特征在于，所述步骤S3中提取特征参数F的方法具体如下：
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117968885A (zh) * 2024-04-01 2024-05-03 浙江大学 一种分布式otdr光纤高温测温系统

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