JS
杂志上的传感器
1687 - 7268是sn>
1687 - 725 x是sn>
Hindawi出版公司
206738年一个rticle-id>
10.1155 / 2013/206738一个rticle-id>
206738年一个rticle-id>
研究文章
高密度纤维光学传感器和仪表为燃气轮机操作状态监测一个rticle-title>
夏
华
1、2
伯德
道格
3
Dekate
萨钦
1
李
恩
1
Rosolem
若昂巴蒂斯塔
1
光子学实验室一个ddr-line>
微型和纳米结构的技术一个ddr-line>
通用电气公司全球研究一个ddr-line>
1研究圆一个ddr-line>
尼什卡纳一个ddr-line>
纽约12309一个ddr-line>
美国
2
纳米科学与工程学院一个ddr-line>
纽约州立大学奥尔巴尼一个ddr-line>
纽约12222一个ddr-line>
美国
3
工程部门一个ddr-line>
通用电气能源一个ddr-line>
Garlington路300号一个ddr-line>
GTTC 200 d一个ddr-line>
格林维尔一个ddr-line>
SC 29615一个ddr-line>
美国
2013年
28
02
2013年
2013年
30.
10
2012年
28
01
2013年
2013年
版权©2013年华夏et al。
这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。
燃气轮机运行控制通常是基于thermocouple-measured排气温度。由于辐射屏蔽和笨重的包,很难提供高空间分辨率测量can-to-can燃烧温度剖面的排气管道。本文证明wavelength-division-multiplexing-based光纤布喇格光栅传感器可以提供稳定高空间分辨率和动态温度测量。一个健壮的传感器包可以设计与圆周传感电缆或径向quasi-distributing多个光纤传感器的传感耙燃气轮机的环境。字段验证表明quasi-distributed光纤传感器不仅展示了其温度测量精度比现有的热电偶传感器也显示其独特的动态响应幅值和功率谱,可以用于燃气轮机瞬态操作状态监测和诊断。
一个bstract>
1。介绍
准确的静态和动态温度检测是必不可少的安全高效运行在许多工业机械和控制系统,包括但不限于燃气轮机、蒸汽发生器、锅炉、燃烧器、压缩机、气化炉,等等。在燃烧控制实践中,环形阵列的热电偶用于测量排气温度剖面,然后使用它来确保安全运行的燃气轮机。每当断层的温度,太冷或太热,检测,关闭燃气轮机启动,这在许多情况下可能为时过早。这样一个燃气轮机运行控制方法需要准确的环形排气静态和动态温度测量。显然,静态和动态温度检测的目的是实时工业过程监控和诊断或操作控制和优化。
由于气体温度是一个关键的测量参数的燃气轮机操作,提高温度测量的精度可以提高涡轮效率。直接燃烧室温度测量是非常可取的健壮的涡轮设计和操作,但这通常要求超出了大多数热电偶传感器的功能。因此,大多数oem选择使用废气温度测量作为代理。当前排气温度测量使用热电偶的环形阵列(TCs)提供了有限离散感应点,和遥感空间分辨率不是最优的。因此,一个保守的燃气轮机的控制和操作策略是有效的,具有限制对燃气轮机性能的影响。一个潜在的解决方案是增加热电偶的数量和提高他们的空间安排。然而,很难提高现有TCs的数量和位置从当前方法由于其庞大的包装和过度的电线需要。光纤布喇格光栅(FBG)传感器被认为是潜力巨大的温度测量在严酷的环境中如涡轮机械系统的优势是低质量,高灵敏度、多路复用能力,多点分布功能,multisensing函数和电磁干扰免疫(
1 ,
2 ]。
一个光纤光栅应变和温度变化(基本上是敏感
3 ),但它可以被打包为静态温度测量用所谓的“包”或独立包装方法(
4 ,
5 ]。然而,所谓的“预应变计划”方法可用于测量结构不稳定或动态信号。presurge条件的燃气轮机或压缩机,这样打包的光纤传感器可用于测量温度变化利率或热峰值在进气口或下游排气。传感电缆通常包括一个多元化的光纤传感器,必须密封在金属、陶瓷、聚合物管或毛细管,根据传感环境条件。传感仪器是由多路复用不同的数组或传感电缆多通道光学传感审讯者(如。微米光学1 Hz sm125/1 kHz sm130,
http://www.micronoptics.com/ )或与光学传感审讯者加上一个optical-switcher-based多路复用器(如微米光学,sm041]。分析了光纤光栅传感器的静态和动态信号与波分复用与时分或方法,或它们的组合。
本文介绍了最近的进展应用光纤传感器和仪器测量燃气轮机排气温度在启动和稳定操作的条件和波分多路复用技术。为圆周从燃气轮机排气温度检测,光纤光栅传感元素是镌刻在一个纤维的空间分离450毫米;三个传感与150毫米纤维错位提供双重空间分辨率9 fb燃气轮机排气温度曲线检测。为径向排气温度检测、精密排气温度rake是用来支持光纤光栅传感器作为一个综合径向传感耙与100毫米空间分辨率在排风管道壁中部障碍空间。获得的静态波长数据每秒的数据(1)与precalibrated传递函数转换为温度,而动态波长数据每秒(1000年数据)分析抓住振动模式和系统位移振幅与快速傅里叶变换算法。
2。高密度的光纤温度传感器
据悉,波长复用光栅是一个电信过滤装置或多路分解应用程序;这是绝对不是一个温度传感器,尽管温度和应变依赖的内在性质。传统的i型光纤光栅被用于各种基础设施并应用程序(
6 ,
7 ]。然而,这种类型的光纤光栅热生存能力差和精度退化相对升高温度大于300°C。研究表明,一些iia,二型,再生光纤光栅(捏造通过紫外激光或飞秒激光器),和手性光栅也表明生存能力即使在1000 - 1100°C (
8 - - - - - -
13 ]。热稳定的光纤光栅,可以用作温度传感器。此外,机械包装设计必须正确维护光纤光栅传感器的完整性、生存能力、功能,和持久性(
4 ,
5 ]。
光纤光栅元素用于这项工作用大功率紫外(UV)激光的相位掩模技术上在单模光纤布喇格光栅(核心
12 ,
13 ]。这形成一个周期质量density-modulated布拉格光栅模式可以表现为一个共振峰
(1)
λ
B
=
2
·
n
eff
·
Λ
(
ρ
)
,
有效折射率在哪里
n
eff
在纤维芯包括laser-inscription-process-produced折射率调制,
n
,质量密度调制引起的折射率
n
ρ
。布喇格光栅的温度依赖性可以描述的
(2)
Δ
λ
=
λ
B
·
(
κ
ε
·
ε
+
(
β
+
α
+
1
n
eff
∂
n
ρ
∂
T
)
·
Δ
T
+
(
1
n
eff
∂
n
ρ
∂
t
+
1
Λ
∂
Λ
∂
t
)
Δ
t
]
,
在哪里
α
纤维的热膨胀系数,
λ
B
·
κ
ε
是应变灵敏度(~ 1.2点/
μ
ε ),
β
thermooptic系数,
Δ
t
反映了时间依赖纤维材料微观结构弛豫过程。低密度i型光纤光栅的布拉格光纤光栅谐振波长的温度依赖性可以简单地表示为
(3)
Δ
λ
(
t
)
=
λ
B
·
(
κ
ε
·
ε
+
(
β
+
α
)
·
T
(
t
)
- - - - - -
T
(
0
)
]
=
一个
(
0
)
+
一个
(
1
)
·
Δ
T
(
t
)
,
在哪里
一个
(
0
)
可以被视为一个抵消初始波长偏移,然后呢
κ
T
(
0
)
=
λ
B
·
(
β
+
α
)
被定义为温度敏感性。低温应用,光纤光栅线性响应外部温度
(4)
Δ
λ
(
t
)
=
λ
(
t
)
- - - - - -
λ
B
(
0
)
- - - - - -
一个
(
0
)
=
一个
(
1
)
·
(
T
(
t
)
- - - - - -
T
(
0
)
]
,
在哪里
一个
(
1
)
=
κ
T
(
0
)
=
λ
B
·
(
β
+
α
)
≈
10 - 12点/°C。高密度的光纤光栅是或多或少与紧凑的纤维材料与质量密度和折射率comodulation纤维芯,引起激光刻印过程。具体地说,在高温操作可能会有一种无形的软盘纳米晶体甚至微晶纤维材料的微观结构形态。这种结构性转变,光纤光栅热响应函数也可以描述的
(5)
Δ
λ
(
t
)
=
λ
B
·
(
κ
ε
·
ε
+
(
β
+
α
+
β
ρ
)
·
Δ
T
+
(
1
+
ξ
)
·
|
Δ
ρ
ρ
|
]
=
b
(
0
)
+
b
(
1
)
·
Δ
T
,
在哪里
0.2
<
ξ
<
0.3
。这个方程描述了纤维材料经历了结构转换与基线加速由纤维材料密度的变化。注意,温度敏感性有额外的术语,在那里
κ
T
=
λ
B
·
(
α
+
β
+
β
ρ
)
。当
β
ρ
>
0
,温度敏感性
κ
T
在高密度阶段将大于低密度的阶段
κ
T
(
0
)
=
λ
B
·
(
α
+
β
)
,从大多数再生和二型光纤光栅
κ
T
~
14 - 16点/°C。在纯硅或蓝宝石飞秒光纤光栅的纤维,温度敏感性
κ
T
是
λ
B
·
(
α
+
β
ρ
)
,在那里
β
ρ
主要取决于所使用的纤维材料和激光功率或辐射能量。此外,(
5 )可以写成(
4 ),这将光纤传感器响应的近似固有的性质,取决于外部温度。
本文中使用的光纤光栅元素是用大功率紫外(UV)制作的激光相位掩模技术在单模光纤材料。纤维材料和铭文的过程可以从[
14 ),详细总结了光栅制作过程。光纤光栅获得元素将遵循一个postthermal退火过程稳定材料结构形态。图
1 显示一个典型的high-density-FBG-based与热电偶测量温度传感器及其比较三个温度范围。首先从环境到500°F,从环境到900°F,第二和第三个从环境到~ 1200°F (~ 650°C)。纤维材料微观结构以来稳定之前退火温度为1200°F,最高允许温度时,波长位移超过1200°F(如阴影区域)不会对应于真实的温度,因为纤维材料微观结构或形态改变到另一个热稳定状态。从1200°F到1500°F,附纤维材料结构过渡,光纤光栅的反射功率经历了戏剧性的变化,和布拉格共振波长最终稳定在1500°F,它被定义为一个新的最高允许温度。显然,这种纤维材料形态的转变导致了一个偏移量
Δ
T
~ 80°F比真实的温度,这是不可接受的任何机械系统控制,因为这种材料的物理现象,如果光纤光栅操作1500°F。应该指出,观察到的“下降”的光纤光栅的反射功率或多或少与所谓的光栅再生过程,类似于[描述
2 ,
5 ,
13 ]。然而,保证光纤光栅传感器的精度和可靠性,最大操作温度通常是其最高允许温度小于10%。然而,如果一个脉冲和短期比最高允许温度热冲击发生时,光纤传感器的精度的恶化可能不明显。相反,一个新的校准恢复所需光纤光栅温度校正精度的纤维材料相变诱导密度和折射率的变化。
图1
光纤传感器响应外部温度变化从环境到500°F, 900°F, 1200°F(阴影区域),超出其最大操作温度为1200°F。
3所示。光纤温度传感器校准和性能
之前使用它作为一个温度传感器,光纤光栅必须校准获得所谓的传递函数转换的相对测量布拉格共振波长位移相对温度变化,所示(
4 )- (
5 )。另一方面,一个传递函数可能是无效的,如果纤维材料正在经历显微结构的过渡过程,发生在
T
> 570°C i型光纤光栅和
T
> 870°Cⅱ型光纤光栅。每当这种情况发生时,一个新的校准过程需要确保测量精度。这是因为光纤光栅的波长变化不再是与温度有关。具体来说,当纤维材料正在经历一场显微结构的转变,其温度传感功能暂时失去,直到一个新的纤维微观结构是热稳定。之后,可以再次使用光纤光栅作为温度传感器和一个新的校准传递函数,因为在前一节中讨论。光纤光栅与标准温度计的校准过程可以通过一个可编程的炉。光纤光栅和标准温度计安装在炉腔内温度曲线是一致的。最高允许温度被定义为所需的操作温度高出10%。之间的最小和最大操作温度范围内,至少10数据点对应于等温值中提取传递函数的需要。这样一个校准过程后,获得传递函数可以直接使用波长位移转换成温度通过嵌入到软件。
校准的布拉格光纤光栅的谐振波长偏移与标准温度计,它通常是测量信号的温度范围感兴趣的下一个等温过程。高精确的温度测量,电阻温度探测器(RTD)或精密电阻温度计(PRT)可以提供优于±0.2°C的准确性而k TC只提供精度±1°C。RTD和PRT很受欢迎,因为他们优秀的稳定性和展览最线性信号对任何电子温度传感器的温度。他们通常比选择更昂贵,然而,由于铂的精心施工和使用。他们也表现为缓慢的响应时间、低灵敏度,和有限的操作温度(650°C)。然而,RTD或PRT通常表现为非线性的二次或三次多项式函数
R
T
=
R
0
(
1
+
一个
·
T
+
b
·
T
2
+
c
·
T
3
]
或
R
T
=
R
0
·
(
1
+
一个
·
T
+
b
·
T
2
]
,在那里
R
T
电阻在温度
T
,
R
0
标称电阻,
一个
,
b
,
c
常量用于RTD或PRT规模。
光纤传感器校准,另一方面,传递函数并不总是线性(
4 )- (
5 )。对于高温传感应用程序,thermooptic系数是温度的非线性函数:
(6)
β
eff
≡
β
+
β
ρ
=
一个
+
B
·
Δ
T
+
C
·
Δ
T
2
,
在哪里
β
eff
可能是积极的还是消极的根据纤维材料和波长和
一个
,
B
,
C
是常数。相关的布喇格波长位移的传递函数温度会有类似的高密度的光纤光栅传感器的三次多项式函数形式:
(7)
Δ
λ
(
T
)
=
一个
(
0
)
+
一个
(
1
)
·
Δ
T
+
一个
(
2
)
·
Δ
T
2
+
一个
(
3
)
·
Δ
T
3
一个
(
0
)
=
λ
B
·
(
κ
ε
·
ε
+
(
1
+
ξ
)
·
|
Δ
ρ
ρ
|
)
,
一个
(
1
)
=
λ
B
·
(
一个
+
α
)
,
一个
(
2
)
=
λ
B
·
B
,
一个
(
3
)
=
λ
B
·
C
。
对温度
T
<
200年
°C,光纤光栅传感器的响应可以约了
Δ
λ
(
T
)
=
一个
(
0
)
+
一个
(
1
)
·
Δ
T
,在那里
一个
(
1
)
≈
κ
T
低密度光纤光栅的温度灵敏度。非线性方程(
7 ),然而,被认为是一种通用传递函数精确波长转换为广泛的温度范围内测量。它应该指出
一个
(
0
)
术语(
7 )反映出应变效应和潜在的纤维材料密实度或/和相变诱导质量密度的贡献。每当一个光纤光栅传感器经历了极端的温度或患有与包相关应变的影响,
一个
(
0
)
可以改变,从而导致温度偏差。换句话说,(
7 )只用于一个恒定的有效应变热稳定的光纤光栅,它没有经历过任何形态改变或显微结构的转换已全部完成。
热响应的审讯人员与光学传感的光纤光栅测量元素(MOI 1赫兹,sm125 - 500 / sm041通道多路复用器),波长可调谐的1510 nm - 1590 nm±1点精度。基于labview软件自动识别光纤光栅峰值位置和保存两个峰值波长和温度转换值。图
2(一个) 显示一个典型的布拉格光纤光栅光谱的共振波长为1544.75 nm和−7.26 dBm环境的峰值功率。这个波长是加速,炉后温度,见图
2 (b) 。等温值从光纤光栅(蓝线)和热电偶(TC)(红线)绘制在图
2 (c) 和安装在一个三次多项式函数。获得的系数是用于光纤光栅波长偏移值转换为温度(圈)。图
2 (d) 绘制温度,测量光纤光栅(蓝圈)和TC(红线),在150小时校准过程。
光纤传感器的校准过程转换对温度测量的布拉格共振波长位移。
(一)
(b)
(c)
(d)
校准光纤光栅传感器,热稳定性或漂移趋势在等温条件下研究了。图
3 显示测量波长和光纤光栅峰值功率稳定在650°C退化和寿命估计。(圆圈)图的数据
3(一个) 表明波长偏移的趋势~ 5.4×10−6 海里/小时。在650°C,光纤光栅峰值功率损失是−(5 - 20)×10−5 dBm /人力资源。如果忽略任何烤箱热漂移引起的PID-controlled k TC反馈控制,可以属性这种趋势是光纤光栅传感器长期热的趋势。如果使用近似为0.015 nm /°C的温度敏感性
T
>
600年
°C,温度变化引起的温度误差为±0.4°C / 1000小时在650°C。注意,这些估计热漂移在k TC±0.4%的精度范围,即±2.5°C 650°C。另一方面,测量光纤光栅峰值功率损失趋势可以用来估计的生命周期光纤光栅传感器在650°C的操作。如果光纤光栅峰值功率下降的速度
- - - - - -
(
5
- - - - - -
20.
)
×
10
- - - - - -
5
dBm /人力资源,它将失去每年0.44 - -1.76 dBm。一个常见的光纤光栅传感器的质量是一个典型的25 dBm的峰值功率;相应的时间失去25 dBm峰值功率需要10年。
短期测量光纤光栅传感器热稳定性(a)和光纤光栅峰值功率损失在650°C。
(一)
(b)
然而,真正的光纤光栅实际上强烈的生命周期取决于外部环境条件和机械包装。另一方面,线性估计有生之年可能低估了如果退化趋势是非线性的。在正常情况下,3 - 6年的一生需要工业机械系统的应用程序。
4所示。光纤温度传感器包和安装
为了为高密度安装光纤光栅传感器温度剖面测量从燃气轮机或从压缩机级间,操作在这样一个恶劣的环境需要被打包的光纤传感器的可靠性。因此,光纤传感器包应该维持强大的机械密封的完整性对振动、热循环,stress-corrosion-induced机械疲劳。这不仅是由于纤维脆弱性本身也由于有害的腐蚀性气体的长期影响,水分和酸性和碱性化学品潜在攻击传感器。此外,适当的传感器包不会妨碍动态热测量在燃气轮机启动瞬态。因为每个工业体系应用程序可能不同温度、压力、流量、振动、腐蚀,例如,传感器包可能不同于一个工业体系到另一个工业体系和生存不同的恶劣的环境条件。
光纤光栅温度传感器可以在precombustor流路径,安装涡轮入口,下游的燃烧室或排气,级间位置测量动态温度异常。在涡轮发动机Presurge条件导致气相温度波动异常。飙升的关键测量控制吸/排气温度和通过压缩机的压力和流量。光纤光栅可以定位在多个位置的压缩机。例如,光纤光栅温度传感器安装在涡轮发动机进气口的外围检测presurge温度峰值。此外,光纤传感阵列可以安装在pre-combustor流路径,下游的燃烧室,涡轮发动机进气和压缩机之间的阶段。如果光纤传感器安装在涡轮排气管道,这将使监测温度变化提供了一种方法检测燃烧室的健康。这种测量温度结合压力使更好的诊断和压缩机过载保护。
两个光纤传感器包已经为燃气轮机排气温度测量而设计的。第一个环形排气温度检测是一个基于电缆,光纤光栅的元素是镌刻在三种纤维和密封在一个铬镍铁合金625管,所述的(
15 ]。第二个是基于精密排气温度与光纤光栅传感器附着在其表面耙。
这种集成的径向传感耙在排风管道100毫米空间分辨率墙中央障碍空间,所描述的(
15 ]。图
4 显示了测量静态和动态两个配置燃气轮机排气温度响应。解决光纤光栅传感器性能的权利在精度、可靠性和耐久性作为备份候选人技术现有的热电偶传感器,光纤传感电缆安装接近现有的排气热电偶与圆周配置,如图
4(一) 和
4 (b) 。动态性能评价在瞬态操作条件变化的响应时间,光纤传感耙是可以测量径向安装在燃气轮机排气温度从扩散到中央轴承管,如图
4 (c) 和
4 (d) 。1 - 5赫兹光学传感审问者4通道功能是用来检测静态信号,而1000赫兹(1 ms)光学传感询问机用于动态信号检测。
光纤传感器安装在燃气轮机排气管道环形光纤传感电缆(a)和(b)和(c)光纤传感耙和(d)。
(一)
(b)
(c)
(d)
对环形排气温度检测、光纤光栅所写的元素到一个纤维450毫米的空间分离;三个传感与150毫米纤维错位为燃气轮机排气温度剖面提供双重空间分辨率检测。获得波长数据转换为温度precalibrated传递函数,使测量的光纤光栅传感器静态数据与热电偶传感器。光纤传感电缆夹到现有辐射TC盾入口孔的两个热电偶(
15 ]。下金属管几何形状和大小的选择决定了一个模拟,一直专注于热应力严重,机械强度,金属管的自然振动频率。由于转子叶片转速为3600 rpm为60 Hz燃气轮机和3000 rpm 50 Hz燃气轮机,其根本,第一和第二高阶振动频率范围从50到300赫兹。为了避免重叠的自然振动频率金属管打包光纤传感电缆和燃气轮机振动的乐队,建模表明,铬镍铁合金管能满足这样的需求,适当的直径和壁厚。
对于径向排气温度检测,精密排气温度rake是用来支持光纤光栅传感器作为一个综合径向传感耙。有9 TCs嵌入的耙裸眼⌀3毫米,使热气体通过TC的孔测量热气体温度。然而,光纤传感阵列是密封在fine-gage铬镍铁合金625管,这是焊接在耙表面与光纤光栅和TC位置之间的一一对应。由于铬镍铁合金管是附着在耙面对热气流,和表面的combustion-dynamics-induced瞬态温度,总
T
t
(
t
)
,与流速成正比
(8)
T
t
(
t
)
=
T
年代
(
t
)
+
υ
(
t
)
2
2
c
p
,
在哪里
T
年代
(
t
)
是静态的温度,
c
p
gas-specific热系数,
υ
(
t
)
是瞬态气体流速。当光纤光栅传感器是用来测量静态和总温度(
4 ),气体流速或combustion-induced流动态可以直接衡量
(9)
υ
(
t
)
=
2
c
p
κ
T
(
0
)
(
Δ
λ
(
T
t
(
t
)
]
- - - - - -
Δ
λ
(
T
年代
(
t
)
]
)
1
/
2
涡
脱落
频率
∝
FFT
{
2
c
p
κ
T
(
0
)
(
Δ
λ
(
T
t
(
t
)
]
- - - - - -
Δ
λ
(
T
年代
(
t
)
]
)
}
。
静态温度对应的排气温度与流速接近于零,或管附近的边界层。涡脱落频率可以用来间接表征流动特性使用斯特劳哈尔数,这是由频率*长度/速度。很明显,差异化的快速傅里叶变换的静态和动态信号可以用于关联不同的动态事件和参数,如antisurge、涡轮叶片旋转速度变化,和燃烧动力学等等。例如,当燃料质量变化,它会导致gas-specific热(
c
p
)变异或涡阴影频率变化。动态测量光纤光栅对涡轮机操作条件,它通常需要高的光学传感审问者,范围从1千赫至100千赫。
5。光纤传感器响应静态排气温度
在典型的燃气轮机工厂测试,不同的仪器将监测各种参数,如起动电机输出,惠普涡轮机轴速度、燃料中风参考,进口角,平均压缩机入口温度、振动振幅,涡轮排气静压,气流完全确定燃气轮机的性能其交付客户。对应这个基准性能测试,燃气轮机正在全速没有加载测试。图
5 是一个典型的测试从光纤传感耙20光纤光栅传感器。由于光纤传感耙是集成现有的排气精密温度耙和光纤光栅,也有九个TCs在耙作为参考。自第一3光纤光栅接近燃气轮机扩散墙,墙表面附近的边界层流动导致测量温度低于别人。在图
5 (b) ,这些平均TCs策划反对额外的17个光纤光栅。看到细节TC和光纤光栅传感器,数字
5 (c) 和
5 (d) 在steady-status操作绘制测量温度条件。
光纤传感器和TC测量排气温度在7 fa GT与径向光纤传感测试耙。
(一)
(b)
(c)
(d)
九TCs数据已被证明5°F变化在100分钟稳定操作时间纤维传感器显示约9 - 10°F变化。这种差异是由于TCs是位于耙~有一个开放的洞
ϕ
3
毫米,光纤传感管焊接在九洞耙表面。另一个潜在的起源可能反映了总温度测量的性质由光纤传感器与TCs的静态温度测量。与此同时,光纤传感器显示可比对TCs噪声特性,这可能与流量变化状态状态操作。
图
6 进一步显示了从一个完整的测试测量温度剖面的近7小时7 fb燃气轮机制造资格的过程。排气温度从环形光纤传感电缆可以绘制3 d如图
6(一) 。在燃气轮机的启动阶段,性能监控是通过极坐标图突出异常迅速。如图
6 (b) ,测量排气温度不均匀在27 TCs。光纤光栅传感器在170位置也显示同样的异常变化。值得注意的是,热剖面是不对称的,它很有可能是由于不同can-to-can燃烧和热气流变化。此外,动态过程启动期间提供了稳定的运行基本负荷相比变化出现在极坐标图的温度变化。很明显,3 d热剖面和极坐标图测量高密度纤维传感器可以提供直接信息燃气轮机性能,具有可比性的数据从现有排热电偶测量。
排气热剖面测量圆周光纤传感电缆的29个光纤光栅(a)和极坐标图的所有光纤传感器在燃气轮机启动过程(b)。
(一)
(b)
6。光纤传感器响应的动态过程
光纤传感耙和板对光纤传感器显示相当标准生产TCs对动态过程也更敏感。这是说明了光纤传感器响应振幅如图
7 。自第一光纤光栅接近排气扩散管,响应幅度相对较小,但随着径向距离的增加对内部轴承管的动态振幅光纤光栅显示相应的增加。增加幅度主要来自与燃气流量增加启动瞬态过程,燃烧动力学,从压缩机、燃气轮机排气压力变化。然而,动态幅值可用于监测异常结构不稳定,presurge和不完全燃烧事件。监控这些动态事件,相对动态的振幅比绝对重要排气温度测量。
图7
测量动态响应振幅从FBG1 FBG10光纤传感耙。
其他重要的光纤传感器的动态响应特性如图
8 ,光纤光栅温度传感器的动态响应是策划针对同一位置TC数据作为时间的函数在头几分钟在燃气轮机启动瞬态。小差异可能是由于热气体流量变化诱导感应耙振荡或应变效应。
图8
光纤传感器和热电偶之间的瞬态响应比较7 fa燃气轮机制造资格测试。
此外,图
9 显示了光纤传感器的动态响应离开瞬态启动条件。功率谱图的底部
9 清楚地表明,该燃气轮机起动过程有一个高层的不和谐的振动。在燃气轮机启动时,测量频率接近60 Hz的燃气轮机叶片旋转速度,但它逐渐转移到排气耙~ 40 Hz的自然振动频率在steady-status操作。这样一个动态响应可以杠杆作为前体确定燃气轮机的健康。热响应的光纤光栅传感器可以使用类似于环形阵列的热电偶为传感器输入燃油控制燃烧系统。动态温度和功率谱可以用于antisurge,气体体积流量、燃烧效率、turbine-blade-rotation-related结构不稳定性分析。
光纤传感器测量动态信号和相应的权力从7 fa燃气轮机启动瞬态光谱资格测试。
(一)
(b)
同样重要的是要注意,转换后的功率谱和相关的振动模式配置文件可用于燃气轮机的长期性能退化分析。的特性之一是其广泛的频带概要文件和响应振幅。增加振动,机械问题越来越关注,这可能导致燃气轮机降解速度增加。这些机械问题可能来自压缩机和涡轮机之间的扭矩变化耦合,转子叶片振动和叶尖间隙变化、轴承架、斗部分放松。另一个有价值的特性是光纤传感器的多功能特性,可用于同时测量动态和静态温度,而其响应幅度可与各种动态和瞬态响应,可能与各种机械、热、电变化。
7所示。结论
Fiber-Bragg-grating-based传感技术已进一步发展和验证在发电系统中,例如燃气轮机操作状态监测。光纤传感器已经展示了其独特的优势提供高密度、多点、多用途能力从燃气轮机测量静态和动态响应。满足工业恶劣环境感知的需求,一个关键的工程工作是光纤传感器的方案,从一个机械系统到另一个系统而异。光纤传感器包不仅需要提供准确的测量,而且为了防止机械强度退化温度升高,大量的热气流,和blade-rotation-related结构振动。本文中给出的工作是展示一个新的测试/测量技术,也可以用来测量多点温度从燃气轮机只有一个光纤传感电缆和渗透。这种光纤传感方法不仅限于此讨论燃气轮机排气温度测量。它独特的多功能,静态和动态响应,使高密度的光纤传感器和分布式传感功能更有价值的下一代发电涡轮机械系统操作对状态监测、诊断、控制和优化。
确认
在这个开发工作,凯文·麦卡锡Juntao吴,雷纳托Guida, Mohamed Sakami杰瑞·洛佩兹,亚历克斯·罗斯,大卫·奥康纳c·瓦格纳,罗纳德•Gilstrap詹姆斯•纳特和迈克Krok参与了许多基础研究,实验室测试工作,现场传感器安装和验证。
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