光纖測溫系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電機組中的應(yīng)用研究

朱 謹(jǐn) 益， 蔣 冒 閏， 廖 永 強

(西昌颶源風(fēng)電開發(fā)有限公司，四川 西昌 615000)

1 概 述

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，在世界范圍內(nèi)廣受重視，中國新能源戰(zhàn)略一直把大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電設(shè)為重點，預(yù)計在“十四五”期間風(fēng)電規(guī)劃裝機達到5.4億kW。據(jù)統(tǒng)計報告顯示，在風(fēng)電機組安全事故中，毀滅性火災(zāi)事故約占15%，其造成的損失最大，幾乎均導(dǎo)致機組整機損毀，甚至導(dǎo)致人員傷亡。

風(fēng)機火災(zāi)撲救難度大，一旦發(fā)生就會造成極大的直接損失(設(shè)備價值)和間接損失(發(fā)電量)，由于風(fēng)電場的特殊性，火災(zāi)后救援難度極大，救援風(fēng)險性極高[1]。風(fēng)機內(nèi)部火災(zāi)隱患點較多，電氣元件、油脂等可燃物均存在隱患，火災(zāi)類型復(fù)雜，且火災(zāi)環(huán)境惡劣(機艙外部空氣流通量大，塔筒內(nèi)空間封閉，容易形成空氣對流，導(dǎo)致火災(zāi)擴大)。風(fēng)力發(fā)電機組火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用研究已成為風(fēng)電行業(yè)高度關(guān)注和十分緊迫的任務(wù)。

對光纖測溫系統(tǒng)在在風(fēng)力發(fā)電機組中的應(yīng)用進行研究，旨在在線監(jiān)測風(fēng)機內(nèi)部各防火部位溫度信息，準(zhǔn)確判斷火情、實現(xiàn)預(yù)警，以減少風(fēng)機火災(zāi)帶來的經(jīng)濟損失、人員傷亡情況，同時也讓風(fēng)機運行更加穩(wěn)定可靠，推動行業(yè)持續(xù)發(fā)展，增加企業(yè)經(jīng)濟效益、社會效益。

2 光纖測溫系統(tǒng)應(yīng)用研究

2.1 光纖測溫技術(shù)介紹

光纖傳感技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維和光纖通信技術(shù)發(fā)展的一種新的傳感技術(shù)。光纖測溫主要分為兩種：一種是以光纖直接作為傳感器；另一種是以光纖光柵作為基礎(chǔ)傳感器。

光纖光柵測溫是以光纖作為信號傳輸媒介和傳感器載體，在光纖中寫入光柵作為傳感器，利用布拉格光柵的溫度敏感性和光的反射原理，光柵受溫度影響波長發(fā)生變化，通過解析波長變化信息獲得溫度信息。

分布式光纖測溫也是以光纖作為信號傳輸媒介，同時直接將其作為傳感元件，根據(jù)OTDR(光時域反射計)測量原理，利用拉曼散射效應(yīng)進行測溫。當(dāng)測溫主機向光纖注入光脈沖后，光纖中的拉曼散射光會沿光纖反射回來，這部分拉曼散射光與溫度有著密切的關(guān)系。測溫主機將對這部分拉曼散射光進行處理和分析，從而計算出傳感光纖各部位溫度[2]。

2.2 線型測溫技術(shù)對比

線型測溫主要手段為電纜測溫和光纖測溫。電纜測溫采用感溫電纜，其結(jié)構(gòu)主要為兩根彈性鋼絲，每根鋼絲外面包有一層絕緣感溫材料。在正常監(jiān)視狀態(tài)下，兩根鋼絲處于絕緣狀態(tài)，當(dāng)周邊環(huán)境溫度上升到預(yù)定動作溫度時，溫度敏感材料破裂，兩根鋼絲產(chǎn)生短路，輸入模塊檢查到短路信號后產(chǎn)生告警。感溫電纜是一種帶電檢測，技術(shù)局限性較大，不能實現(xiàn)連續(xù)測溫，故不能實現(xiàn)在線監(jiān)視設(shè)備溫度，已逐漸被光纖測溫替代。

光纖光柵測溫系統(tǒng)通過在光纖中寫入光柵，利用光柵的布拉格散射波長特性實現(xiàn)測溫，其成本較高，且在高溫環(huán)境下光柵存在退敏風(fēng)險，可靠性不足。光柵雖布置于光纖，可采用線型布置，但其仍屬于點式測量，設(shè)計、施工和調(diào)試過程較繁瑣，維護性也較差。

分布式光纖測溫系統(tǒng)(Distributed Temperature Sensing，簡稱DTS)實際上是光纖光柵測溫系統(tǒng)換代產(chǎn)品，DTS是分布式的、連續(xù)的、功能型的光纖溫度測量系統(tǒng)。其中光纖既作為傳感元件也作為傳輸介質(zhì)，利用一根光纜即可以完整監(jiān)測防護區(qū)域各位置溫度，可進行實時、在線、連續(xù)溫度分布監(jiān)測和熱源定位，具有容易安裝布線、可遠(yuǎn)距離分布測量、可按需劃區(qū)等優(yōu)點，且可靠性、可維護性較佳。具有預(yù)、報警功能，支持定溫、差溫、溫升、平均溫度等報警方式，可以對每點靈活設(shè)置報警方式和報警值[3]。

目前，大多數(shù)風(fēng)機內(nèi)部對于火災(zāi)告警僅僅采用了少量的固定式點型感煙探測器，只有在風(fēng)機內(nèi)部火災(zāi)已經(jīng)發(fā)生后，通過可燃物燃燒產(chǎn)生的煙霧觸發(fā)風(fēng)機火災(zāi)告警。由于風(fēng)電場的特殊性，一旦火災(zāi)已經(jīng)發(fā)生，外部救援幾平不可能實現(xiàn)。所以，針對早期火災(zāi)的實時溫度監(jiān)測、火災(zāi)預(yù)警顯得無比重要，根據(jù)風(fēng)機火災(zāi)分析可知，分布式光纖測溫系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢極其明顯。

2.3 分布式光纖測溫系統(tǒng)主要構(gòu)成

分布式光纖測溫系統(tǒng)一般主要由測溫主機、測溫光纜、測溫軟件組成。

2.3.1 分布式光纖測溫主機

光纖測溫主機是分布式光纖測溫系統(tǒng)的核心，集成嵌入式測溫軟件或通過安裝windows、linux等系統(tǒng)運行測溫軟件。主機具備多路相互隔離的光纖測溫接口，可同時對多路光纖光信號進行接收、處理?？赏ㄟ^多個繼電器進行輸出，將告警信號輸送到監(jiān)控點。通訊接口方面具備RS232/RS485等接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)連接，具備以太網(wǎng)接口可直接連接用戶的局域網(wǎng)或以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)共享，通過各網(wǎng)絡(luò)接口實現(xiàn)與周邊設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，以擴展光纖測溫系統(tǒng)應(yīng)用。

2.3.2 測溫光纖

測溫光纖作為分布式傳感器，同時進行溫度傳感及數(shù)據(jù)傳輸，實時感應(yīng)光纖周圍的溫度的變化并傳輸至測溫主機。按使用場景可選擇不同的光纖類型，如螺旋鋼管鎧裝測溫光纜，屬于通用型的DTS探測光纜，可以適用絕大多數(shù)的DTS測溫環(huán)境。在長期高溫環(huán)境下可選擇耐高溫型鎧裝測溫光纜，其光纖外部包裹了凱夫拉、不銹鋼編織網(wǎng)及特氟龍外護套，由于特氟龍材料的耐熱性，使用溫度范圍可達200 ℃。此外還有非金屬耐高溫型測溫光纜、充油管型測溫光纜等，對各種測溫工控均具備極強的適用性。

2.3.3 測溫軟件

測溫軟件是分布式光纖測溫系統(tǒng)與用戶之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口，用以實現(xiàn)人機交互。測溫軟件可實時顯示各路測溫光纖全程溫度分布曲線，可根據(jù)實際工況分區(qū)設(shè)置多級報警閾值，并提供歷史數(shù)據(jù)査詢及統(tǒng)計分析功能。溫度報警主要包括定溫報警(設(shè)定高溫/低溫定值)、差溫報警(實時溫度與平均溫度差)、溫升報警等，此外還具備光纖損壞、裝置異常等報警功能。通過測溫軟件可對各個繼電器進行輸出定義配置，可接入外部系統(tǒng)實現(xiàn)聲光告警、異常停機、自動消防控制等功能。

2.4 分布式光纖測溫系統(tǒng)的應(yīng)用

2.4.1 測溫光纖的選擇

根據(jù)風(fēng)機內(nèi)測溫元件運行環(huán)境考慮，測溫光纖應(yīng)具有耐油侵蝕、金屬屏蔽特性，具備連續(xù)測溫功能，可考慮采用符合標(biāo)準(zhǔn)的耐高溫型鎧裝測溫光纜等。

2.4.2 測溫光纖的布置

測溫光纖宜覆蓋機組機艙、機艙平臺底板下部、塔架及豎向電纜橋架、塔架底部設(shè)備層、各類電氣柜等部位，主要按下列方式進行布置。

(1)測溫光纖應(yīng)設(shè)置于電纜橋架、機艙平臺底板下部電纜夾層、發(fā)電機主軸總成、儲油池及齒輪箱等部位，緊貼被保護物體表面安裝，并固定牢靠。

(2)應(yīng)對機艙和塔筒底部、塔筒進人層等區(qū)域劃定探測區(qū)域。

(3)測溫光纖在電纜及電纜橋架或支架上設(shè)置時，采用接觸式布置，呈正弦波形或S形，覆蓋整個電纜橋架和所有電纜，采用尼龍扎帶或?qū)Ｓ每ň叩裙潭ɡ慰俊?/p>

(4)測溫光纖在發(fā)電機組、變壓器、電抗器、主軸總成、儲油池及齒輪箱等重要設(shè)施上設(shè)置時，采用纏繞式布置，覆蓋對象的主要防火部位，宜采用磁扣或?qū)Ｓ每ň吖潭ɡ慰?，不能影響測溫對象正常運行維護。

(5)應(yīng)充分利用測溫主機的多路光纖測溫通道，采用多組測溫光纖共同布置，同時測溫的方式。

(6)當(dāng)劃定防護單元有聯(lián)動要求時，可通過測溫軟件對該區(qū)域測溫光纖設(shè)定盡可能多點位的多級報警信號作為聯(lián)動觸發(fā)信號[4]。

2.4.3 測溫主機的布置

測溫主機應(yīng)安裝在塔基控制柜內(nèi)，便于操作和維護。主機安裝在控制柜內(nèi)易于通訊線纜布置，便于接入風(fēng)電場通訊網(wǎng)絡(luò)，將機組測溫信息傳回風(fēng)電場中央控制室供運維人員遠(yuǎn)程監(jiān)控。此外，也便于使用測溫主機上的其他通訊接口和繼電器輸出，可以實現(xiàn)接入風(fēng)機主控單元實現(xiàn)測溫告警時停機等功能，也可便于擴展其他系統(tǒng)功能，如自動消防控制等。

2.4.4 擴展應(yīng)用

分布式光纖測溫系統(tǒng)可實現(xiàn)全長連續(xù)測溫，其測溫數(shù)據(jù)除用于風(fēng)機火災(zāi)監(jiān)測外，風(fēng)電場運維人員可通過其實時測溫數(shù)據(jù)、測溫歷史數(shù)據(jù)分析風(fēng)機內(nèi)部設(shè)備運行工況、了解設(shè)備健康水平，輔助進行運行監(jiān)視。

分布式光纖測溫系統(tǒng)在風(fēng)機內(nèi)除作為獨立系統(tǒng)運行外，根據(jù)其接口特點可以進行一定的應(yīng)用擴展，以實現(xiàn)對風(fēng)機的火災(zāi)防護，主要有以下方式。

(1)接入風(fēng)機主控系統(tǒng)。作為風(fēng)機控制系統(tǒng)的子系統(tǒng)運行，向風(fēng)機主控提供風(fēng)機內(nèi)部各部位測溫數(shù)據(jù)或直接提供告警信息供用戶查看。在某部位溫度達到設(shè)定值后由風(fēng)機主控實現(xiàn)發(fā)出告警、觸發(fā)風(fēng)機停機、觸發(fā)風(fēng)機脫網(wǎng)等功能。

(2)接入風(fēng)機自動消防系統(tǒng)。作為風(fēng)機自動消防系統(tǒng)的子系統(tǒng)(子站)運行，根據(jù)消防系統(tǒng)需求設(shè)定監(jiān)控點，負(fù)責(zé)向其提供模擬量或開關(guān)量輸出。消防系統(tǒng)根據(jù)分布式光纖測溫系統(tǒng)所提供數(shù)據(jù)，經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)備自行分析處理實現(xiàn)監(jiān)、控聯(lián)動，自動滅火。風(fēng)機自動消防系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)，其中測溫光纖作為線型感溫傳感器運行，分布式光纖測溫系統(tǒng)作為自動消防系統(tǒng)的一個子站運行[5]，一種風(fēng)機自動消防系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

3 結(jié) 語

風(fēng)機內(nèi)部火災(zāi)對于風(fēng)機破壞極大，測溫系統(tǒng)作為重要的防火監(jiān)測手段，有極高的應(yīng)用價值。分布式光纖測溫系統(tǒng)可進行實時、在線、連續(xù)溫度監(jiān)測，測溫及告警功能完善，可靠性、可維護性較佳，在風(fēng)機內(nèi)部應(yīng)用優(yōu)勢明顯，可實現(xiàn)對風(fēng)機內(nèi)部重要設(shè)施實時在線精準(zhǔn)測溫。其測溫數(shù)據(jù)除用于風(fēng)機火災(zāi)監(jiān)測外，也可用于分析風(fēng)機內(nèi)部設(shè)備運行工況、設(shè)備健康水平。分布式光纖測溫系統(tǒng)在風(fēng)機內(nèi)可進行多種擴展應(yīng)用，如接入風(fēng)機主控系統(tǒng)幫助完善機組控制，接入風(fēng)機自動消防系統(tǒng)幫助實現(xiàn)機組自動消防。

分布式光纖測溫系統(tǒng)在風(fēng)機中的應(yīng)用可極大地提高機組運行安全性、可靠性。隨著風(fēng)電行業(yè)逐步發(fā)展、“十四五”新能源規(guī)劃逐步推進，其必將受到更多研究關(guān)注，得到更廣泛的應(yīng)用。