CN218511955U - 核电站管线阀门泄漏的fbg监测系统 - Google Patents

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龚圣捷
吴逸恺
马竞翔
熊珍琴
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Abstract

一种核电站管线阀门泄漏的FBG监测系统，包括：六个依次串联并设置于阀门及上下游管线特定位置的FBG传感器探头、通过输出光纤与之相连的FBG解调分析仪和控制器，其中：FBG解调分析仪将采集到的FBG中心波长漂移量输出至控制器，通过控制器将其转换成温度值，并输入到泄漏分析模型中，实现实时阀门泄漏监测和泄漏量的分析及安全报警。本装置通过对管道壁温进行实时监测作为报警触发，并在泄漏时通过温度监测值对泄漏量进行预测，实现对阀门泄漏的实时监测，做到测量准确、响应快，及时预防严重事故发生，确保安全性。

Description

核电站管线阀门泄漏的FBG监测系统
技术领域
本实用新型涉及的是一种核电站安全控制领域的技术，具体是一种核电站阀门光纤布拉格光栅(FBG)泄漏监测系统。
背景技术
热分层现象常见于核级管路中，通常是由反应堆冷却剂系统向分支管线的湍流渗入或通过分支管线中阀门内泄漏而产生的，影响核电工业的安全运行。现有研究发现，当阀门泄漏时，在阀门下游区域会形成热分层现象。通过在阀门前、后设置外壁面温度监测点，建立监测点热分层特征温度参数与泄漏量、主管路流体流量与温度、泄漏流体温度等因素之间的关系式，可以有效的预测阀门泄漏量。目前已有的技术不能满足对于泄漏的实时监测和测量的需求，包括及时反映管道壁面温度波动、精确测量泄漏量。
实用新型内容
本实用新型针对现有核电站的管道系统阀门不具实时监测泄漏的问题，提出一种核电站管线阀门泄漏的FBG监测系统，通过对管道壁温进行实时监测作为报警触发，并在泄漏时通过温度监测值对泄漏量进行预测，实现对阀门泄漏的实时监测，做到测量准确、响应快，及时预防严重事故发生，确保安全性。
本实用新型是通过以下技术方案实现的：
本实用新型涉及一种核电站管线阀门泄漏的FBG监测系统，包括：六个依次串联并设置于阀门及上下游管线特定位置的FBG传感器探头、通过输出光纤与之相连的FBG解调分析仪和控制器，其中：FBG解调分析仪将采集到的FBG中心波长漂移量输出至控制器，通过控制器将其转换成温度值，并输入到泄漏分析模型中，实现实时阀门泄漏监测和泄漏量的分析及安全报警。
所述的FBG传感器探头包括：由外而内依次设置的保护套管、毛细钢管、胶粘剂层和裸光纤光栅，其中：裸光纤光栅的两端分别与传递光纤相连，裸光纤光栅位于毛细钢管的中心位置，胶粘剂层用于固定裸光纤光栅位置，保护套管套设于传递光纤外并与毛细钢管外表面固定连接，实现封装。
所述的特定位置，包括：在阀门上游L1处的管道顶部、阀体的侧面、阀门下游L2处的管道顶部和管道底部、阀门下游L3处的管道顶部和管道底部，其中：设置于阀门上游与下游的传感器用于测量温度，设置于阀体上的传感器同时测量温度与振动。
优选地，L1＝L2＝0.5m，L3＝1m。
所述的测量温度是指：通过设置于FBG传感器探头的输入端的光源输出激光，经FBG传感器探头调制后将输出的调制信号通过光纤输出至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温度特征值，具体为：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 BDA0003912138400000021
由热光效应引起的有效折射率变化为：
Figure BDA0003912138400000022
得到FBG的中心波长λB漂移量ΔλB和温度变化ΔT的关系为：
Figure BDA0003912138400000023
其中：
Figure BDA0003912138400000024
为光纤的热膨胀系数；
Figure BDA0003912138400000025
为光纤的热光系数；Λ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，当阀门泄漏发生时，截面的温度梯度会发生变化，监测点的温度会迅速升高。
所述的光源，包括：动态扫描窄带半导体激光器、低功耗嵌入式处理器和在线校准波长参考器，该输入光源在工作温度范围内的输出精度为±1pm。
所述的泄漏量估计是指：当有泄漏发生时，根据温度的测量值计算对应的温度特征值，通过建立温度特征值与阀门泄漏量的经验关系式，对泄漏量进行预测，具体为：当发生泄漏时，泄漏量的大小Q漏和流体的温度T漏会影响管道壁面的温度分布，即T＝F(Q漏，T漏)。根据管道壁面的温度监测值建立在时刻t的温度特征值：TA＝f(T1，T2，T3，T4，T5，T6)，截面温差值：ΔT＝Ttop-TBottom，其中：T1为上游温度测量值，T2为阀体温度测量值，T3为下游L2处管道顶部温度值，T4为下游L2处管道底部温度值，T5为下游L3处管道顶部温度值，T6为下游L3处管道底部温度值。由于泄漏温度已知，管壁温度可测，则可根据已知数据对泄漏量进行估计，即
Figure BDA0003912138400000026
在具体测量中可以通过标定将函数关系式的系数确定，从而根据测量的温度值，计算得到泄漏量。
技术效果
本实用新型采用FBG作为传感器对阀门及上、下游管线特性位置处的温度、振动进行实时监测测量，根据阀门泄漏产生热分层动态特性与泄漏量及泄漏流体的温度的依变关系，建立分析模型实现泄漏流量的监测。相比在运核电站系统中，对于大多数阀门缺乏实时的泄漏监测，在大修的过程中，需要拆除阀门进行泄漏检测，工作量巨大的现状，本实用新型可以实现对核电站阀门的实时泄漏监测，一方面具有及时排除安全隐患的作用；另一方面，通过泄漏监测和泄漏量测量，对于维护工作具有良好的指导作用，无需对阀门进行大规模拆装检查，省时省力。
附图说明
图1为本实用新型系统示意图；
图2为FBG传感器结构示意图；
图中：管路阀门1、六个FBG传感器2-7、输出光纤8、FBG解调分析仪9、缆线10、控制器11、显示器12、报警器13、传递光纤14、毛细钢管15、胶粘剂16、保护套管17、裸光纤光栅18。
具体实施方式
本实施例以安注系统(RIS)管线及为反应堆冷却剂系统(RCP)一回路的热管段为例。管道管内径Φ736mm，壁厚67mm，长度4900mm，水平放置；安注管外径Φ168mm，SCH160(内径Φ132mm)，通过管嘴与水平面呈30°和主管道热段连接，其上设置有阀门。主管道和安注管线外壁均未设置保温层。
如图1所示，为本实施例应用场景：通过在安注管线止逆阀1上游0.5m处的管道顶部、安注管线止逆阀1阀体的侧面、安注管线止逆阀1下游0.5m处的管道顶部、安注管线止逆阀1下游1m处的管道顶部、安注管线止逆阀1下游1m处的管道底部和安注管线止逆阀1下游0.5m处的管道底部串联设置六个FBG传感器探头2-7组成的阵列，其中：安注管线止逆阀上游与下游的传感器用于测量温度，阀体上的传感器(FBG裸光纤探头)同时测量温度与振动，通过输出光纤8将各个FBG传感器所在的光纤与FBG解调分析仪9连接，FBG解调分析仪通过缆线10与控制器11相连，将FBG解调分析仪得到的FBG中心波长漂移量传递给控制器11，通过控制器将其转换成温度值，通过缆线10将显示器12、报警器13与控制器11相连，用于实时监测定位与发出报警信号，并对安注管线止逆阀的实时泄漏量进行监测。
所述的控制器包括：信号接收电路、信号预处理电路、信号处理电路以及信号输出电路，其中：信号接收电路与FBG解调分析仪相连接收FBG中的光信号信息，信号预处理电路与信号接收电路相连接收光信号并将信号数字化同时提取信号处理电路所需要的数据点，信号处理电路与信号预处理电路相连接收数字化后的光信号并使用数据采集程序对信号进行处理，得到波长值与光谱图信息，信号输出电路与信号处理相连接收波长值与光谱图信息并将对应的温度信号输出，最终输出在显示器上。
如图2所示，所述的FBG传感器探头包括：由外而内依次设置的保护套管17、毛细钢管15、胶粘剂层16和裸光纤光栅18，其中：裸光纤光栅18的两端分别与传递光纤14相连，裸光纤光栅18位于毛细钢管15的中心位置，胶粘剂层16用于固定裸光纤光栅18位置，保护套管17套设于传递光纤14外并与毛细钢管15外表面固定连接，实现封装。
本实施例中采用的FBG光纤光栅的技术参数为：温度传感器的光栅，即裸光纤光栅18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保持较好的线性关系。
所述的封装，采用特殊的胶粘剂，从而降低温度-应变的交叉敏感度。
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，温度传感器将温度的波动值反映到显示器，并触发报警系统发出警报，对应的泄漏量由泄漏模型分析获得，为工作人员进行下一步操作提供依据。
与现有技术相比，本实用新型通过分布式FBG光纤光栅传感器对核电站安注管线的壁面温度进行实时测量，反应迅速，测量结果准确；根据泄漏量预测模型，利用温度监测值对泄漏量进行估计，所需的测量值少，可以节省人工成本。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本实用新型原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本实用新型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实用新型之约束。

Claims (5)

1.一种核电站管线阀门泄漏的FBG监测系统，其特征在于，包括：六个依次串联并设置于阀门及上下游管线特定位置的FBG传感器探头、通过输出光纤与之相连的FBG解调分析仪和控制器；
所述的特定位置，包括：在阀门上游的管道顶部用于测量温度、阀体的侧面用于同时测量温度与振动、阀门下游的管道顶部和管道底部用于测量温度。
2.根据权利要求1所述的核电站管线阀门泄漏的FBG监测系统，其特征是，所述的FBG传感器探头包括：由外而内依次设置的保护套管、毛细钢管、胶粘剂层和裸光纤光栅，其中：裸光纤光栅的两端分别与传递光纤相连，裸光纤光栅位于毛细钢管的中心位置，胶粘剂层用于固定裸光纤光栅位置，保护套管套设于传递光纤外并与毛细钢管外表面固定连接，实现封装。
3.根据权利要求1所述的核电站管线阀门泄漏的FBG监测系统，其特征是，所述的FBG传感器探头的输入端设有光源，该光源包括：动态扫描窄带半导体激光器、低功耗嵌入式处理器和在线校准波长参考器。
4.根据权利要求1所述的核电站管线阀门泄漏的FBG监测系统，其特征是，所述的控制器包括：信号接收电路、信号预处理电路、信号处理电路以及信号输出电路，其中：信号接收电路与FBG解调分析仪相连，信号预处理电路与信号接收电路相连，信号处理电路与信号预处理电路相连，信号输出电路与信号处理相连。
5.根据权利要求1所述的核电站管线阀门泄漏的FBG监测系统，其特征是，所述的特定位置具体包括：在阀门上游0.5m处的管道顶部、管道阀门阀体的侧面、管道阀门下游0.5m处的管道顶部、管道阀门下游1m处的管道顶部、管道阀门下游1m处的管道底部和管道阀门下游0.5m处的管道底部。
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