Главная / Библиотека / Применение волоконно-оптических распределенных датчиков деформации и температуры

Применение волоконно-оптических распределенных датчиков деформации и температуры

Теги волоконный лазер oz optics
Применение волоконно-оптических распределенных датчиков деформации и температуры

Вступление

Современные электростанции c комбинированным циклом оснащаются газовыми и паровыми турбинами, подключенными к электрическим генераторам с воздушным или водородным охлаждением. Эти системы относятся к новейшим технологическим концепциям, надежны в эксплуатации достаточно экологичны.

Одной из пока нерешенных проблем является случайное появление горячих точек в сердечнике статора, в котором тысячи изолированных пластин из углеродистой стали плотно прижаты и скреплены вместе. Качество изоляции между слоями снижается в процессе эксплуатации, посторонние предметы и удары во время регулярных отключений технического обслуживания также оказывают негативное воздействие. Повреждение изоляции может вызвать протекание больших вихревых токов, что приводит к повреждению сердечника или вынужденным отключениям, поскольку горячие точки продолжают нагреваться и повреждают изоляцию стержня. Общеприянятые методы идентификации горячих точек в статоре (например, ELCID), не обеспечивают защиту компонентов системы в режиме реального времени. Возможным решением этой проблемы может служить распределенное измерение деформации и температуры на основе рассеяния Бриллюэна. На него не влияют электромагнитные помехи и вибрация. Применение бриллюэновского рассеяния в измерениях деформации демонстрирует большие перспективы и дает возможность продлить срок службы сердечника

Детектор для распределенного измерения температуры и деформации содержит одномодовое оптическое волокно, заключенное в высокопрочной трубке PEEK, размер которой варьируется от 0,8 до 1,5 мм в наружном диаметре. Эта трубка достаточно мала, чтобы ее можно было адаптировать под любой размер гнезд без конструктивных изменений компонентов генератора. Трубка может быть установлена в любом месте в зоне паза, между верхней и нижней катушками, поверх верхней катушки или на клиновой поверхности статора. В определенных местах в трубу добавляется фирменный компонент для компенсации относительных различий в тепловом расширении между компонентами оптического волокна и генератора, что позволяет измерять истинную температуру или деформацию. В данной статье представлено краткое описание принципа распределенного измерения температуры и деформации, обсуждаются результаты испытаний по контролю температуры статора генератора, в которых использовалась продукция компании OZ Optics Ltd.

 

Принцип действия

Оптический анализ временной области Бриллюэна

Стимулированное бриллюэновское рассеяние часто встречается, когда узкочастотный оптический сигнал (например, из одномодового лазера) усиливается в оптическом усилителе или просто распространяется по пассивным (не усиливающим) волокнам. Хотя показатели нелинейности, например, кварца не очень высоки, как правило, он имеет малую площадь эффективной поперечной моды и большую длину распространения, которая способствует появлению нелинейных эффектов. Для кварцевых волокон бриллюэновский сдвиг частоты порядка 10-20 ГГц, обычно бриллюэновсое усиление присуще полосе пропускания 50-100 МГц, которая определяется сильным акустическим поглощением (малым временем жизни фонона). Однако бриллюэновское усиление спектра может быть «смазано» различными эффектами, такими как поперечная разность фазовых скоростей света (акустических фазовых скоростей) или продольным изменением температуры. Соответственно, пиковое увеличение может быть значительно ослаблено в виду достаточно высокого порогового стимулированного бриллюэеновского рассеяния.

Бриллюэновский порог в оптических волокнах для узкополосной непрерывной световой волны обычно соответствует бриллюэновскому излучению порядка 90 дБ. (Порог может быть снижен при дополнительном лазерном усилении в активных волокнах.)

Стимулированное бриллюэновское рассеяние приводит к строгому ограничению мощности для усиления или пассивного распространения узкополосного оптического сигнала в волокнах. В целях повышения бриллюэновского порога, можно увеличить пропускную способность излучения и выйти за пределы полосы бриллюэновского усиления, уменьшить длину волокна, объединить волокна с различными сдвигами частоты, или (для сверхмощных волоконных устройств) использовать продольное изменение температуры. Так же можно попытаться уменьшить наложение главных оптических и акустических волн или внести значительные потери на пути распространения акустической волны. В некоторой степени проблемы стимулированного бриллюэновского рассеяния могут быть уменьшены за счет изменения конструкции основного усилителя, касающегося, например, легирования, площади поперечной моды, распространения направления накачки.

С другой стороны, бриллюэновское увеличение может быть использовано для управления бриллюэновским волоконным лазером. Такие устройства часто делаются в виде лазера с кольцевым резонатором. В связи с низкими потерями в резонаторе, они могут иметь относительно низкий порог накачки и очень малую ширину спектральной линии.

1_Применение волоконно-оптических распределенных датчиков деформации и температуры

Рисунок 1. Принцип восприятия рассеяния Бриллюэна.

Для стандартных одномодовых волокон, работающих на длине волны 1,55 мкм, сдвиг частоты Бриллюэна составляет приблизительно 11 ГГц. Если участок оптического волокна подвергается механическому или термическому напряжению, сдвиг частоты Бриллюэна рассеянного света от этого участка волокна, отмеченный как VB, будет отличаться от сдвига частоты Бриллюэна волокна без напряжений. Величина изменения сдвига частоты Бриллюэна пропорциональна изменению температуры и/или деформации. Эта линейная зависимость обычно записывается как:

ф_Применение волоконно-оптических распределенных датчиков деформации и температуры

где Cε и CT-коэффициенты деформации и температуры оптического волокна соответственно, а ε0 и T0 - деформация и температура, соответствующие эталонной частоте Бриллюэна VB0. Например, лабораторные измерения на волокнах ITU G. 652 (SMF-28) дали значения Cε = 0,0529 МГц/με и CT = 1,0241 МГц/°C.

Система распределенного измерения деформации и температуры, структурная схема которой показана на рисунке 2, основана на взаимодействии посредством рассеяния Бриллюэна импульсного лазера, действующего в качестве зонда, с встречно распространяющимися колебаниями накачки (CW).

Результирующее падение мощности в пучке постоянного тока измеряется во время сканирования разности частот между двумя лазерами, что дает спектр потерь Бриллюэна чувствительного волокна. Сдвиг в спектре Бриллюэна волокна используется для расчета изменения температуры и/или деформации чувствительного волокна.

Данная система обладает множеством функций, благодаря которым пространственное разрешение может достигать 10 см и охватывать расстояния обнаружения до 100 км. Кроме того, система обеспечивает высокую точность измерения температуры и деформации.

2_Применение волоконно-оптических распределенных датчиков деформации и температуры

Рисунок 2. Блок-схема системы распределенного измерения температуры и деформации.

Цель эксперимента

Общая цель эксперимента состояла в том, чтобы оценить возможности контроля температуры с помощью чувствительной среды оптических волокон, расположенных на статорах. Для достижения этой цели были проведены испытания генератора с воздушным охлаждением и генератора с водородным охлаждением.

Экспериментальная установка

Генератор с открытым воздушным охлаждением

Чувствительное оптоволокно сначала устанавливали в генератор с открытым воздушным охлаждением, как показано на рисунке 3. На рисунке 4 показано чувствительное волокно, установленное поверх клиньев статора.

3_Применение волоконно-оптических распределенных датчиков деформации и температуры

Рисунок 3. Генератор с открытым воздушным охлаждением.

4_Применение волоконно-оптических распределенных датчиков деформации и температуры

Рисунок 4. Чувствительное волокно, установленное поверх клиньев статора.

Во вторую очередь систему устанавливали в генератор с охлаждением на водороде, как показано на рисунке 5. На рисунке 6 показано чувствительное волокно, установленное под клиньями в базовой прокладке.

5_Применение волоконно-оптических распределенных датчиков деформации и температуры

Рисунок 5. Генератор с водородным охлаждением.

6_Применение волоконно-оптических распределенных датчиков деформации и температуры

Рисунок 6. Оптоволокно, установленное под клиньями в базовой прокладке.

Результаты

В этих испытаниях регистрировалось и анализировалось изменение температуры с изменением нагрузки по мощности (относительно сдвига частоты Бриллюэна, vB0, на эталоне без нагрузки по мощности).

Генератор с открытым воздушным охлаждением

На рисунке 7 показаны распределения температуры вдоль чувствительного волокна, установленного поверх клиньев статора, при увеличении мощности нагрузки с 25 МВ·А до 170 МВ·А. Чувствительное волокно дважды прошло через прорезь статора, чтобы достичь конфигурации обратной связи, точка обратной связи показана в месте расположения и указана на фотографии. Используя курсор в качестве нулевой точки и перемещая кривые вправо и влево, появляются распределения температуры, как показано на рисунке 8.

7_Применение волоконно-оптических распределенных датчиков деформации и температуры

Рисунок 7. Распределение температуры при увеличении мощности нагрузки с 25 МВ·А до 170 МВ·А.

8_Применение волоконно-оптических распределенных датчиков деформации и температуры

Рисунок 8. Распределения температуры, на которых четко видно влияние температуры охлаждения зоны статора по длине волокна.

После подключения к сети показания температуры по волоконно-оптической линии хорошо кореллировались с существующими показаниями дистанционного измерителя температуры. Показания распределённого датчика деформации и температуры выше, чем измеренная температура горячего воздуха (выхлопных газов), что указывает на локализованное измерение температуры. График показаной датчика круче, чем встроенные показания дистанционного измерителя температуры (RTD). Встроенные RTD расположены радиально глубже в пазах и, следовательно, меньше подвержены потоку охлаждающего воздуха, чем там, где находился датчик. Волнистые узоры в данных о температуре по длине волокна хорошо коррелируют с различными зонально охлаждаемыми областями сердцевины. Единственным исключением из отмеченных выше тенденций является уровень 26 МВ·А, где датчик зарегистрировал более высокую температуру, чем встроенные RTD. Вероятно, это связано с относительно быстрым увеличением мощности до точки 26 МВ·А.

т_Применение волоконно-оптических распределенных датчиков деформации и температуры

Поскольку пространственное разрешение всех современных волоконно-оптических распределенных датчиков температуры не превышает 10 см, для проверки того, что датчик OZ Optics способен обнаруживать горячую точку размером до 1 см, использовался алюминиевый блок размером 1 см, как показано на рисунке 9.

На рисунке 10 показаны измерения температуры относительно комнатной температуры 22,3°C при повышении температуры с 52,2°C до 100°C. Горячую точку, расположенную на расстоянии около 204,40 м, можно легко найти, когда изменение температуры превышает 30°C (52,2°C – 22,3°C) на расстоянии 1 км, как показано на рисунке 11.

9_Применение волоконно-оптических распределенных датчиков деформации и температуры

Рисунок 9. Схема точки доступа 1 см.

10_Применение волоконно-оптических распределенных датчиков деформации и температуры

Рисунок 10. В пределах волокна длиной 1 км точка доступа длиной 1 см была измерена относительно комнатной температуры 22,3°C, когда температура повысилась с 52,2°C до 100°C.

11_Применение волоконно-оптических распределенных датчиков деформации и температуры

Рисунок 11. Точка доступа, расположенная на расстоянии около 204,40 м, может быть легко найдена при изменении температуры более 30°C (светло-голубой, красный, синий и зеленый для 52,2, 68,0, 85,0 и 100°C соответственно) на расстоянии 1 км.

Обратите внимание, что система водородного охлаждения генератора отличается от генератора с воздушным охлаждением, описанного выше. Этот генератор использует в качестве охлаждающей среды сжатый водород, содержащийся в корпусе генератора, физические размеры устройства и схема его вентиляционного потока несколько отличаются друг от друга. Несмотря на различия в размерах и конфигурации, этот генератор использует сердечник с зональным охлаждением и имеет вентилятор на каждом конце, как и генератор выше, поэтому мы ожидаем найти несколько похожую кривую на генератор выше, с соответствующими волнистыми отклонениями температуры по длине датчика и относительно более прохладной областью входа/выхода. На рисунке 12 показаны распределения температуры вдоль чувствительного волокна, которое было установлено под клиньями в базовой прокладке, что хорошо соответствует ожиданиям.

Курсор обозначает точку возврата, расположенную на высоте 273,91 метра. Кривые построены для четырех различных точек нагрузки в диапазоне от 94,6 МВ·А до 154,0 МВ·А .

12_Применение волоконно-оптических распределенных датчиков деформации и температуры

Рисунок 12. Распределение температуры хорошо соответствовало существующим показаниям RTD.

Вы заметите на приведенных выше графиках, что волнообразное распределение температуры примерно симметрично относительно точки обратной связи, в сочетании с относительно более холодными местами на концах и вблизи обратной связи.

В отличие от первого генератора, где на сигнал в волокне почти напрямую влияет вентиляционный поток из-за места установки, волокна в генераторе с водородным охлаждением были в значительной степени удалены от прямой вентиляции, за исключением радиальных вентиляционных отверстий в сердцевине. Эти факторы в совокупности позволяют предположить, что измеренные температуры будут выше, чем у встроенных измерителей температуры.

т2_Применение волоконно-оптических распределенных датчиков деформации и температуры

Вывод

Технология распределённых датчиков деформации и температуры зарекомендовала себя как эффективное и экономичное решение для контроля температуры в электрических генераторах. Кроме того, несмотря на разрешение всего в 10 см, технология позволяет обнаруживать горячие точки величиной всего 1 см при изменении температуры более 30°C. Использование датчиков открывает возможность программно определять точки срабатывания сигнализации и отключения, которое может произойти во время работы. Онлайн-показания температуры по волоконно-оптической линии хорошо коррелируют с существующими показаниями дистанционных измерителей температуры.

Что еще более важно, с использованием датчиков появились четкие кривые данных, которые явно продемонстрировали влияние температуры охлаждения зоны статора по длине волокна, установленного в этих генераторах.

 

© OZ Optics

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции OZ Optics на территории РФ

Теги волоконный лазер oz optics
Новые статьи
У Вас особенный запрос?
У Вас особенный запрос?
Весьма часто наши заказчики лучше нас знают, какое оборудование им нужно. В этом случае мы берём на себя общение с производителем, доставку и таможенную очистку, а также все вопросы гарантийного периода. Пожалуйста, заполните эту форму, и мы свяжемся с Вами, чтобы помочь решить любую Вашу задачу. Или позвоните нам по телефону +7(495)199-0-199
Форма заявки
Ваше имя: *
Ваше имя
Ваш e-mail: *
Ваш телефон: *
Ваш телефон
Наши
контакты
г. Москва, ул. Бутлерова, д. 17Б, офис 502

г. Санкт-Петербург, Коломяжский проспект, 33 корпус 2