一种变薄FBG阵列分布式监测熔盐储罐泄漏的系统的制作方法

本发明涉及高温储罐的泄漏监测技术领域，尤其是涉及一种变薄fbg阵列分布式监测熔盐储罐泄漏的系统。

背景技术：

在太阳能的应用中，太阳能储热发电技术具有更好的可调度潜力，是一种非常具有发展潜力的可再生能源利用方式。太阳能热发电技术中，需要热能存储装置，在太阳能不足时将储存的热能释放出来以满足发电需求，起到功率缓冲和削峰填谷的作用。双罐式熔盐间接储热系统是聚焦式太阳能发电中最常用的储热形式，熔盐具有温度高、质量大、焊接处容易发生泄漏的特点。熔盐发生泄漏时，不但会污染储罐外侧保温层，大量泄漏还会渗入地基和土壤，甚至对整个电站的安全造成影响。因此，在熔盐储罐的设计和使用中，制定一个能够在线监测熔盐泄漏的系统非常重要。

熔盐罐的泄漏监测之所以成为世界性的难题，主要是由于光热电厂熔盐储罐罐体大，底面积大。熔盐介质温度高(可达560℃)，并且熔盐介质在储罐中的温度分布不均匀，这些特性的存在会使得熔盐储罐体不同位置的热膨胀不同，从而使罐体承受巨大应力，易造成罐体变形，进而导致破裂造成熔盐罐的泄漏事故。

目前可采用的监测手段是通过热电偶测温的方法，在熔盐罐的基础中预埋一定数量的热电偶，通过热电偶丝连接到基础外，通过电缆接入接线盒，最终连接到dcs控制系统。然而，受限于成本且在基础中安装数量众多的热电偶会非常困难，并且有可能对基础强度和散热造成影响，测点可安装的数量非常有限，一个熔盐罐基础往往只能均匀分布几十至上百只热电偶，对于直径达40m、底面积高于1000多m²的熔盐罐，平均一个热电偶需要监测的面积要达到十几平方米，而热电偶只能实现具体某个点位置温度的测量，除非泄漏点正好处于热电偶的上方附近，热电偶才能监测到温度变化。因此，无法实现对整个熔盐罐基础温度测量的良好覆盖，仅依靠预埋热电偶监测的方法达不到理想的效果。

fbg作为一种优越的传感元件，一方面具有耐腐蚀、抗电磁干扰、体积小、易组网传输等优点，另一方面fbg的中心反射波长对温度、应变、折射率等参量有着敏感的特性。fbg传感器可以很容易串联起来，形成光纤光栅阵列，一根光纤多点测量，构成分布式监测系统，通过观测各个点的反射光中心波长漂移量来判断该点是否存在泄漏。

技术实现要素：

本发明的目的是要提供一种变薄fbg阵列分布式监测熔盐储罐泄漏的系统，用于连续性、大范围的监测熔盐储罐是否发生泄漏的测量，克服传统热电偶测温只能测某个点或某几个点温度的缺陷。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种变薄fbg阵列分布式监测熔盐储罐泄漏的系统，包括宽带光源、变薄fbg阵列和解调子系统；

宽带光源发出的宽谱光入射到变薄fbg阵列；

所述的变薄fbg阵列包括串联的fbg光学传感器，分别布置在熔盐罐侧壁和底部基础中；

所述的解调子系统包括：采集所述变薄fbg阵列的反射能量的能量计，采集所述变薄fbg阵列反射的光信号的信号采集装置，以及对所述信号采集装置输出的电信号进行处理的计算机。

本发明中，fbg光学传感器布置在熔盐罐侧壁和基础中，分别利用能量计获取fbg的反射能量和信号采集装置收集fbg的反射光信号，通过倏逝场和反射能量的变化判断环境折射率的变化，形成熔盐储罐泄漏的变薄fbg阵列分布式监测系统。

优选的，所述的宽带光源发出的宽谱光通过一环形器入射到变薄fbg阵列，由所述变薄fbg阵列反射的光经所述环形器进入解调子系统。

优选的，所述的解调子系统包括与所述环形器连接的耦合器；由所述耦合器出射的光分为两路，一路进入所述的能量计，另一路进入所述的信号采集装置。

进一步优选的，所述的信号采集装置包括依次连接的波分复用器、光电接收管、信号调理电路和数据采集卡；波分复用器对光信号进行解调，解调获得的光信号经光电接收管转换为电信号，并使用信号调理电路和数据采集卡对信号进行采集、处理和放大，输出至计算机进行处理。

解调子系统是基于波分复用解调布拉格光栅波长的方法，通过波分复用器将一路光信号在波长域上分为多路，对多路布拉格光栅的反射布拉格光信号调解，波分复用器和光电接收管将不同的波长信号解调为电信号，通过计算机labview数据处理软件对电信号进行后期处理，界面实时显示监测数据，并设置异常报警。

优选的，所述的fbg光学传感器布置在贴近所述熔盐罐侧壁和底部基础的第一层保温层或隔热层中。所述的fbg光学传感器包括带金属涂覆层的纤芯，位于所述纤芯中布拉格光栅，包裹在金属涂覆层外的硅树脂内包层和不锈钢丝网外包层；所述布拉格光栅处通过腐蚀使内包层变薄或完全被腐蚀。

fbg光学传感器在布置时记录下光纤光栅绝对长度与熔盐罐位置的对应关系，如果发生熔盐泄漏，高温的液态熔盐流过不锈钢丝网包层到达内包层处，会导致光栅外侧温度和折射率的升高，引起中心波长漂移和反射光能量降低；若熔盐在测点周围发生凝固，测点周围温度升高，也会引起中心波长漂移，以此可准确快速的发现熔盐罐泄露和确定泄漏点的位置。

优选的，所述熔盐罐侧壁外的第一层保温层中，所述的fbg光学传感器通过螺旋缠绕的方式串联。所述熔盐罐底部基础的第一层隔热层中，所述的fbg光学传感器按照平面螺旋的方式串联布置。

熔盐罐外壁温度与罐中熔盐温度相近，直接测量外壁温度不易确定熔盐罐是否发生泄漏，并且高温会减小传感元件的使用寿命，因此熔盐罐侧壁测温光纤光栅采用螺旋缠绕的方式，布置在罐体壁面外第一次保温层中。所述的熔盐罐底部基础采用多层隔热材料进行保温和稳固，将分布式变薄fbg螺旋布置在底部第一层隔热材料中。所述的变薄fbg阵列的光栅间距和光纤螺旋线高度、圈数的确定，应依据罐体实际尺寸和泄漏监测灵敏度要求综合考虑。

有益效果，由于采用了上述方案，利用光纤将熔盐储罐侧壁和底部的测温和测折射率的光栅串联，形成以分布式fbg传感为手段的光纤光栅熔盐罐泄漏监测网络。利用缠绕在罐体外侧的变薄光纤布拉格光栅作为传感元件，实现熔盐泄漏的检测和定位。当光栅所在区域的熔盐罐壁发生泄漏时，光栅所处区间温度和折射率升高，将会导致光纤光栅的反射中心波长发生漂移，以及反射光能量降低。fbg温度传感和fbg倏逝场折射率传感同时检测，增强系统检测的敏感度，实现熔盐储罐泄漏的准确、及时的监测。

本发明首次提出熔盐泄漏的变薄fbg阵列分布式监测系统，变薄fbg传感对温度和折射率有着敏感的特性，fbg采用串联的方式，一根光纤多点测量，构成分布式传感阵列，通过观测各个点的反射光中心波长漂移量和反射光能量来判断该点是否存在泄漏，提高了熔盐储罐泄漏监测的实时性和准确性。并且，本发明利用的光纤是金属涂覆光纤，金属涂覆光纤能够在高达600℃环境下正常工作，金属涂层的热膨胀系数与光纤在相同数量级，具有很好的抗腐蚀、耐疲劳和耐压力性能；金属光纤的外护套采用不锈钢丝网，熔盐能渗流至内包层，并且能够有效增强耐应力冲击性能。系统对熔盐储罐全面和主动监测，及时发现熔盐罐泄漏问题，并快速、准确定位，对储热系统安全、有效的运行有深远的影响。

附图说明

图1为本发明的系统结构图。

图2为本发明的熔盐罐体及其保温结构图。

图3为本发明的变薄fbg结构图。

图4为本发明的熔盐储罐侧面光纤光栅布置图。

图5为本发明的熔盐储罐底部光纤光栅布置图。

图中，1、熔盐罐本体；2、罐体保温层；3、第一层基础隔热材料；4、第二层基础隔热材料；5、耐火砖；6、变薄fbg阵列；7、金属包覆光纤；8、硅树脂内包层；9、光栅和变薄包层；10、不锈钢丝网。

具体实施方式

下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

如图1所示，一种变薄fbg阵列分布式监测熔盐储罐泄漏的系统，包括宽带光源、变薄fbg阵列和解调子系统。上述的监测系统中宽谱光源发出的宽谱光经过环形器入射到变薄fbg阵列，光纤光栅阵列布置在熔盐罐侧壁和基础中，满足布拉格条件的光就会被反射回环形器，然后一路送入波分复用器进行解调，解调获得的光信号经光电接收管转换为电信号，并使用信号调理电路和数据采集卡对信号进行采集、处理和放大，另一路采用能量计获取fbg的反射能量，通过倏逝场和反射能量的变化判断环境折射率的变化，形成熔盐储罐泄漏的变薄fbg阵列分布式监测系统。

解调子系统是基于波分复用解调布拉格光栅波长的方法，通过波分复用器将一路光信号在波长域上分为多路，对多路布拉格光栅的反射布拉格光信号调解，波分复用器和光电接收管将不同的波长信号解调为电信号，通过计算机labview数据处理软件对电信号进行后期处理，界面实时显示监测数据，并设置异常报警。

如图2所示的熔盐罐体及其保温结构中，熔盐罐外壁1的温度与罐中熔盐接近，直接测量外壁温度不易确定熔盐罐是否发生泄漏，并且高温会减小传感元件的使用寿命，因此熔盐罐侧壁中变薄fbg阵列6采用螺旋缠绕的方式，布置在罐体壁面外第一次保温层2中。所述的熔盐罐底部基础采用多层隔热材料3和4进行保温和稳固，将变薄fbg阵列6螺旋布置在底部第一层隔热材料3中。

变薄fbg阵列包括串联的多个fbg光学传感器。如图3所示，各fbg光学传感器中，金属涂覆光纤7外侧包有硅树脂内包层8，在光栅处利用氢氟酸腐蚀包层8变薄，形成传感元件9，内包层8外侧包覆不锈钢丝网外包层10。多个光栅检测点形成阵列，阵列中每个光栅对应一个反射光的中心波长值，以此检测和定位熔盐的泄漏。

图4为熔盐储罐侧面光纤光栅布置图，变薄fbg阵列6采用螺旋线缠绕的方式布置。图5为熔盐储罐底部光纤光栅布置图，变薄fbg阵列6采用螺旋均布的方式布置。布拉格光栅间距(或fbg光学传感器的间距)和光纤螺旋线高度、圈数的确定，应依据罐体实际尺寸和泄漏监测灵敏度要求综合考虑。

变薄fbg阵列在布置时记录下光纤光栅绝对长度与熔盐罐位置的对应关系，如果发生熔盐泄漏，高温的液态熔盐流过不锈钢丝网包层到达内包层处，会导致光栅外侧温度和折射率的升高，引起中心波长漂移和反射光能量降低；若熔盐在测点周围发生凝固，测点周围温度升高，也会引起中心波长漂移，以此可准确快速的发现和确定泄漏点的位置。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。