用于燃气轮机运行状态监测的高密度光纤传感器和仪表

摘要

燃气轮机运行控制通常是基于热电偶测量的排气温度。由于辐射屏蔽和体积庞大的封装，很难提供高空间分辨率测量排烟管道罐对罐燃烧温度分布。本文证明了基于波分复用的光纤光栅传感器可以提供高空间分辨率、稳定和动态的温度测量。针对燃气轮机环境中准分布的多光纤传感器，可以采用周向传感电缆或径向传感前角设计一个鲁棒传感器包。现场验证表明，准分布式光纤传感器不仅证明了与现有热电偶传感器相比的测温精度，而且显示了其独特的动态响应幅值和功率谱，可用于燃气轮机瞬态运行状态监测和诊断。

1.介绍

在许多工业机械系统中，准确的静态和动态温度检测对于安全、高效的运行和控制至关重要，这些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。在燃烧控制实践中，采用环形热电偶阵列测量排气温度廓线，以保证燃气轮机的安全运行。一旦检测到故障温度(无论是过冷还是过热)，就会启动燃气轮机关闭，在许多情况下，这可能为时过早。这种燃气轮机运行控制方法要求精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要么是实时工业过程监测和诊断，要么是运行控制和优化。

燃气温度是燃气轮机运行的关键测量参数之一，提高燃气轮机的温度测量精度可以提高燃气轮机的效率。直接燃烧室温度测量对于强大的涡轮设计和运行是非常理想的，但通常这一要求超出了大多数热电偶传感器的能力。因此，大多数oem选择使用废气温度测量作为替代。使用环形热电偶阵列(tc)进行电流排气温度测量提供有限的离散感测点，且感测空间分辨率不是最佳的。因此，燃气轮机的保守控制和运行策略是有保证的，这对燃气轮机的性能有一定的限制作用。一个潜在的解决方案是增加热电偶的数量并改善它们的空间排列。然而，现有的tc由于体积庞大的包装和过多的电气布线需求，很难从目前的方法增加数量和位置。光纤布拉格光栅(FBG)传感器具有质量低、灵敏度高、复用能力、多点分布能力、多传感功能等优点，被认为在恶劣环境下的温度测量中具有巨大的潜力，如涡轮机械系统。及抗电磁干扰能力[1，2］．

FBG基本上对应变和温度变化都很敏感[3.]，但可采用所谓的“损耗包装”或独立式包装法进行静态测温[4，5］．然而，所谓的“预应变包”方法可以用于测量结构失稳或动态信号。在燃气轮机或压缩机的预压条件下，这种封装光纤传感器可用于测量气体进口或下游排气处的温度变化率或热尖峰。传感电缆通常由多个光纤传感器组成，根据传感环境条件，这些传感器必须密封在金属、陶瓷或聚合物管或毛细管中。传感仪器是由多通道光学传感询问器(例如Micron Optics 1hz sm125/ 1khz sm130，http://www.micronoptics.com/或采用光学传感询问器加上基于光开关的多路复用器[例如，Micron Optics, sm041]。对光纤光栅传感器的静态信号和动态信号分别采用时分、波分复用或两者的组合进行分析。

本文介绍了利用波分复用技术，利用光纤传感器和仪器测量燃气轮机启动工况和稳定工况排气温度的最新进展。对于燃气轮机的周向排气温度检测，FBG传感元件嵌入到单个光纤上，空间间距为450mm;三种150 mm错位传感光纤为9FB燃气轮机排气温度剖面检测提供了双重空间分辨率。对于径向排气温度检测，一个精密排气温度耙用于支持FBG传感器作为一个集成径向传感耙，空间分辨率为100mm，跨越排气管道壁到中心屏障空间。将得到的静态波长数据(每秒1个数据)通过预先标定的传递函数转换为温度，对动态波长数据(每秒1000个数据)进行分析，利用快速傅里叶变换算法捕捉振动模式和系统位移幅值。

2.高密度光纤温度传感器

可以理解为，光栅是用于波长复用或解复用应用的电信滤波装置;它绝对不是一个温度传感器，尽管它的本质是温度和应变依赖。传统的i型FBG已用于各种基础设施健康监测应用[6，7］．然而，这种类型的FBG在高于300°C的相对高温下具有较差的热生存性和精度退化。研究表明，一些iia型、ii型、再生光纤光栅(由紫外线激光器或飞秒激光器制造)和手性光栅也显示了即使在1000-1100°C下的生存能力[8- - - - - -13］．具有热稳定性的fbg，可作为温度传感器。此外，机械封装必须进行适当的设计，以保持FBG传感器的完整性、生存性、功能性和耐久性[4，5］．

本工作中使用的FBG元件是使用带有相位掩模技术的高功率紫外激光器在单模光纤芯中铭刻布拉格光栅[12，13］．这就形成了一个周期的质量密度调制光栅图案，可以用在 有效折射率在哪里在光纤芯中包括激光刻印过程产生的折射率调制，，质量密度调制诱导折射率．布喇格光栅的热依赖可以用 在哪里为纤维的热膨胀系数，应变敏感性(~1.2 pm/με），是热光系数，是反映了随时间变化的纤维材料微结构弛豫过程。对于低密度的i型光纤光栅，光纤光栅布拉格谐振波长的温度依赖性可以简单地表示为 在哪里可以被视为对初始波长位移的偏移，并且定义为温度敏感性。对于低温应用，光纤光栅对外界温度有线性响应 在哪里10 - 12点/°C。高密度光纤光栅或多或少与光纤材料致密有关，光纤材料的质量密度和折射率调制是由激光铭刻过程引起的。具体来说，在高温下操作可以将纤维材料的非晶软性微结构转变为纳米晶甚至微晶形态。有了这样的结构转变，FBG的热响应函数也可以用 在哪里．该方程描述了纤维材料经历的结构转变，其基线上移由纤维材料密度变化决定。注意，温度敏感性有一个额外的术语，其中．当，温度灵敏度在高密度相将大于低密度相，从大多数再生和ii型fbg来看14 - 16点/°C。对于飞秒内刻录的纯硅或蓝宝石光纤光纤，温度敏感性是,在那里主要取决于使用的光纤材料和激光功率级或辐照能量。此外,(5)可以重写为(4)，这将近似光纤传感器响应的固有性质，由外部温度决定。

本文中使用的光纤光栅元件是在单模光纤材料上使用高功率紫外激光相位掩模技术制作的。纤维材料和铭文工艺可从[14，总结了详细的光栅制作工艺。获得的FBG元件将遵循后热退火过程，以稳定材料的结构形态。数字1介绍了一种典型的高密度fbg型温度传感器，并与热电偶在三个温度范围内的测量结果进行了比较。第一个是从环境温度到500°F，第二个是从环境温度到900°F，第三个是从环境温度到~1200°F(~650°C)及以上。由于纤维材料的微结构已经在之前退火温度1200°F(最大允许温度)稳定下来，波长漂移超过1200°F(在阴影区域)将不对应于真实温度，因为纤维材料的微结构或形貌正在转变为另一种热稳定状态。从1200°F到1500°F，伴随着光纤材料结构的转变，FBG的反射功率经历了剧烈的变化，布拉格谐振波长最终稳定在1500°F，这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种偏移~ 80°F比实际温度，这是不可接受的任何机械系统控制，因为这种材料物理现象，如果FBG运行到1500°F。需要指出的是，FBG反射功率的“下降”或多或少与所谓的光栅再生过程有关，类似于[2，5，13］．然而，为了保证FBG传感器的准确性和可靠性，最高工作温度通常比其最大允许温度低10%。然而，如果发生脉冲和短期热冲击超过最大允许温度，光纤传感器的精度的恶化可能不明显。相反，需要通过校正光纤材料相变引起的密度和折射率变化来恢复FBG温度精度。

3.光纤温度传感器校准和性能

在用作温度传感器之前，光纤光栅必须进行校准，以获得所谓的传递函数，将相对测量的布拉格谐振波长位移转换为相对温度变化，如(4) - (5）.另一方面，当纤维材料正在经历微观结构转变过程时，传递函数可能是无效的> 570°C用于Type-I fbg和> 870°C用于ii型FBG。当这种情况发生时，需要进行新的校准以确保测量精度。这是因为光纤光栅的波长偏移不再与温度有关。具体来说，当纤维材料经历微观结构转变时，其温度传感功能暂时丧失，直到新的纤维微观结构热稳定下来。之后，光纤光栅可以再次作为温度传感器使用新的校准传递函数，如前一节所讨论的。FBG与标准温度计的校准过程可以在可编程炉中完成。炉膛内安装fbg和标准温度表，温度分布均匀。允许的最高温度定义为比期望的操作温度高10%左右。在最低和最高操作温度范围内，至少需要10个等温值对应的数据点来提取传递函数。标定完成后，将得到的传递函数嵌入到软件中，直接将波长位移转换为温度。

为了校准FBG与标准温度计的布拉格共振波长偏移，通常是在一个等温过程中测量感兴趣的温度范围内的两个信号。对于高精度的温度测量，电阻温度检测器(RTD)或精密电阻温度计(PRT)可以提供优于±0.2°C的精度，而k-Type TC仅提供±1°C的精度。RTD和PRT由于其优异的稳定性和在任何电子温度传感器中对温度表现出最线性的信号而广受欢迎。然而，由于铂的精心构造和使用，它们通常比替代品更贵。它们还具有响应时间慢、灵敏度低和操作温度有限(650℃)的特点。然而，RTD或PRT通常以非线性二次或三次多项式函数为特征或,在那里是温度下的电阻，公称电阻和，,是用于测量RTD或PRT的常数。

另一方面，对于光纤传感器的校准，传递函数并不总是线性的(4) - (5）.在高温传感应用中，热光系数是温度的非线性函数: 在哪里可能是正的或负的取决于纤维材料和波长和，,是常数。对于高密度FBG传感器而言，布拉格波长向温度移动的相关传递函数将具有类似的三次多项式函数形式:

对温度°C时，FBG传感器响应可近似表示为,在那里是低密度FBG的温度灵敏度。非线性方程(7)，被认为是一个通用的传递函数，用于宽温度范围测量的精确波长转换。应该指出的是术语(7)反映了应变效应和潜在的纤维材料致密性或/和相变引起的质量密度贡献。当光纤光栅传感器经历极端温度或遭受封装相关的应变效应时，光纤光栅传感器可以改变，这就导致了温度偏差。换句话说，……7)只适用于恒应变热稳定FBG，该FBG既没有经历任何形貌变化，也没有完全完成微观结构转变。

利用光学传感询问器[MOI 1hz, sm125-500 /sm041通道多路复用器]测量FBG元件的热响应，其波长可从1510 nm调谐至1590 nm，精度为±1 pm。基于labview的软件可以自动识别FBG的峰值位置，并保存峰值波长和转换后的温度值。数字2(一个)给出了典型的光纤光栅光谱，其布拉格谐振波长为1544.75 nm，环境峰值功率为−7.26 dBm。如图所示，这个波长向上移动，跟随熔炉的温度2 (b)．来自FBG(蓝线)和热电偶(TC)(红线)的等温值绘制在图中2 (c)并符合三次多项式函数。得到的系数用于将FBG的波长位移值转换为温度(圈内)。数字2 (d)在150小时的校准过程中，从FBG(蓝圈)和TC(红线)测量温度。

用标定过的光纤光栅传感器，研究了在等温条件下光纤光栅的热稳定性或漂移趋势。数字3.显示了测量波长和FBG的峰值功率稳定性在650°C的退化和寿命估计。图中的数据(圆圈)3(一个)显示出波长偏移的趋势为~5.4 × 10⁻⁶海里/小时。在650℃时，FBG的峰值功率损耗约为−(5 ~ 20)× 10⁻⁵dBm /人力资源。如果忽略由pid控制的k型TC反馈控制引起的烤箱热漂移，可以将这种趋势归因于FBG传感器长期热趋势。如果使用近似的温度灵敏度为0.015 nm/°C°C时，在650°C时，热变化引起的温度误差约为每1000小时±0.4°C。注意，这些估计的热漂移在K-Type TC的±0.4%精度范围内，即在650°C时的±2.5°C。另一方面，测量到的FBG峰值功率损耗趋势可以用来估计FBG传感器在650°C工作时的寿命。如果FBG峰值功率衰减速率为dBm/hr，每年将损失0.44-1.76 dBm。光纤光栅传感器的一般特性是典型的峰值功率为25 dBm;损失25dbm峰值功率的相应时间将需要10年以上。

然而，光纤光栅的实际寿命实际上很大程度上取决于外部环境条件和机械封装。另一方面，如果退化趋势是非线性的，则线性估计的寿命可能被低估。一般情况下，工业机械系统应用需要3-6年的使用寿命。

4.光纤温度传感器的包装和安装

为了安装FBG传感器，从燃气轮机或压缩机级间测量高密度温度分布，在如此恶劣的环境下操作，需要对光纤传感器进行封装，以保证可靠性。因此，光纤传感器封装应该是密封的，以保持强大的机械完整性，抵御振动、热循环和应力腐蚀引起的机械疲劳。这不仅是由于纤维本身的脆弱，还由于腐蚀性气体、湿气、酸性和碱性化学物质的长期有害影响，可能会攻击传感器。此外，适当的传感器套件不会妨碍燃气轮机启动瞬态时的动态热测量。例如，由于每个工业系统的应用可能在温度、压力、流量、振动和腐蚀等方面有所不同，传感器包可能在不同的工业系统之间有所不同，并能在不同的恶劣环境条件下生存。

FBG温度传感器可以安装在燃烧室前流道、涡轮入口、燃烧室下游或排气，以及级间位置，用于测量动态温度异常。涡轮发动机的预压状态会引起气相温度的异常波动。喘振控制的关键测量是吸入/排出温度、压力和流经压缩机的流量。fbg可安装在压缩机的多个位置。例如，安装在涡轮发动机进气道外围的FBG温度传感器可以检测到预压温度峰值。此外，光纤传感阵列可以安装在燃烧室前流道、燃烧室下游、涡轮发动机进口和压气机级之间。如果将光纤传感器安装在涡轮排气管道中，就可以监测温度变化，从而提供一种检测燃烧室健康的手段。这种测量的温度与压力结合，可以更好地诊断和压缩机电涌保护。

设计了两套用于燃气轮机排气温度测量的光纤传感器。第一种是基于周向排气温度检测的电缆，其中FBG元件嵌入三根光纤，并密封在Inconel 625管中，如[15］．第二种是基于精密排气温度耙与FBG传感器附在其表面。

这种集成的径向传感耙具有100毫米的空间分辨率，跨越排气管道壁到中央屏障空间，由[15］．数字4显示测量静态和动态燃气轮机排气温度响应的两种配置。为了解决FBG传感器作为现有热电偶传感器的后备后备技术在准确性、可靠性和耐久性方面的性能问题，光纤传感电缆以周向配置安装在现有排气热电偶附近，如图所示4(一)和4 (b)．为了评估瞬态工况变化响应时间内的动态性能，在燃气轮机中安装了光纤传感前角，可以测量扩散器到中心轴承管的径向排气温度，如图所示4 (c)和4 (d)．采用1 ~ 5hz 4通道性能的光感知询问器检测静态信号，采用1000hz (1ms)性能的光感知询问器检测动态信号。

对于周向排气温度检测，FBG元件被嵌入到单个光纤上，空间间距为450mm;三个传感器光纤与150毫米错位提供双空间分辨率燃气轮机排气温度剖面检测。通过预先校准的传递函数，将获得的波长数据转换为温度，从而使测量到的FBG传感器静态数据与热电偶传感器进行比较。光纤传感电缆夹在现有的辐射TC屏蔽层上，两个热电偶之间有入口孔[15］．金属管的几何形状和尺寸的向下选择是通过模拟确定的，重点是金属管的热应力严重程度、机械强度和自然振动频率。由于转子叶片转速为3600rpm的60hz燃气轮机和3000rpm的50hz燃气轮机，其基本，第一和第二高阶振动频率范围为50至300hz。为了避免金属管封装式光纤传感电缆的固有振动频率与燃气轮机振动频带的重叠，通过模型分析表明，在直径和壁厚合适的情况下，Inconel管可以满足这一要求。

对于径向排气温度检测，采用精密排气温度前角支持FBG传感器作为集成径向传感前角。在耙子中嵌入9个TC，并设有⌀3mm的开孔，使热气体通过开孔，用于测量热气体温度。然而，光纤传感阵列被密封在一个精密的Inconel 625管中，该管焊接在前角表面，FBG和TC位置一一对应。由于铬镍铁合金管连接在前刀表面并面对热气流，燃烧动力学引起的瞬态总温度，，与流速成正比 在哪里是静态的温度,是气体比热系数，和为瞬态气体流速。当使用FBG传感器测量静态和总温度时(4)时，可直接测量气体的流速或燃烧引起的流动动力学 静态温度对应于气流速度接近零或接近管道边界层时的排气温度。旋涡脱落频率可以用斯特罗哈尔数间接表征流动特性，斯特罗哈尔数由频率*长度/速度决定。很明显，静态和动态信号的快速傅里叶变换可以用来关联不同的动态事件和参数，如抗喘振、涡轮叶片转速变化和燃烧动力学等。例如，当燃料质量发生变化时，会导致气体比热()变化或涡旋阴影频率变化。为了测量FBG对涡轮运行状态的动态响应，通常需要1khz ~ 100khz的高频段光学传感询问器。

5.光纤传感器对静态排气温度的响应

在一个典型的燃气轮机工厂测试期间，不同的仪器将监测各种参数，如曲柄电机输出，涡轮HP轴转速，燃油行程参考，IGV角度，压缩机平均进口温度，振动幅值，涡轮排气静压，以及空气流量，以充分表征燃气轮机在交付给客户之前的性能。与此基准性能试验相对应的是燃机全速不加负荷试验。数字5是一个典型的测试，从光纤传感耙与20 FBG传感器。由于光纤传感耙子是现有排气精度温度耙子和fbg的集成，耙子内部也有9个tc作为参考。由于前3个fbg靠近燃气轮机扩压器壁面，壁面附近的边界层流动导致测量温度低于其他3个fbg。在图5 (b)，这些平均tc与另外17个fbg进行对比。要查看TC和FBG传感器的详细信息，请参见图5 (c)和5 (d)已绘制出在稳定运行状态下的测量温度。

在100分钟的稳定运行时间内，9个TCs中的5个数据显示大约5°F的变化，而光纤传感器显示大约9-10°F的变化。这种差异是由于TCs位于带有~的开孔的前刀内mm，光纤传感管通过9个孔焊接到耙子表面。另一个可能的原因是光纤传感器测得的总温度与tc测得的静态温度不同。与此同时，光纤传感器显示出了与TCs相当的噪声特性，这可能与状态运行时的流量变化有关。

数字6进一步显示了从7FB燃气轮机制造资格认证过程近7小时的完整测试中测量到的温度剖面。周向光纤传感电缆排气温度可绘制为三维图，如图所示6(一)．在燃气轮机启动阶段，通过极坐标图进行性能监控，快速突出异常。如图所示6 (b)，测量的排气温度似乎不是均匀的27个tc。在170个位置的FBG传感器也显示了同样的异常变化。值得注意的是，热剖面是不对称的，这很可能是由于不同的罐到罐燃烧和热气流变化。此外，与稳定的基本负荷运行相比，启动时的动态过程提供了变化，在极坐标图上显示为温度变化。很明显，用高密度光纤传感器测量的三维热剖面和极线图都可以直接提供燃气轮机性能的信息，与现有的排气热电偶测量的数据相当。

6.光纤传感器对动态过程的响应

光纤传感耙子和表面附着光纤传感器已经证明可以与标准生产的tc相媲美，而且对动态过程更加敏感。如图所示的光纤传感器响应幅值说明了这一点7．由于第一个FBG距离排气扩压管较近，其响应幅值相对较小，但随着向内轴承管径向距离的增加，FBG的动态幅值也相应增大。这种幅值的增加主要是由于启动瞬态过程中燃气流量的增加、燃烧动力学以及压气机到燃气轮机排气压力的变化。然而，动态振幅可用于监测异常结构不稳定、预燃和不完全燃烧事件。对于这些动态事件的监测，相对动态幅值比绝对排气温度测量更为重要。

光纤传感器的另一个关键动态响应特性如图所示8，其中，FBG传感器的动态温度响应与同一位置的TC数据作为时间的函数，在燃气轮机启动瞬态的前几分钟。微小的差异可能是由于热气流变化引起的感测耙振荡或应变效应。

此外,图9显示了光纤传感器离开暂态启动条件后的动态响应。图的底部功率谱9表明燃气轮机起动过程存在高阶不谐振荡。燃气轮机启动时，测得的频率接近燃气轮机叶片转速的60hz，但稳态运行时，测得的频率逐渐转向排气前角~ 40hz的自振频率。这种动态响应可以作为确定燃气轮机健康状况的前兆。FBG传感器的热响应可以类似于热电偶的环形阵列，作为燃烧系统燃料控制的传感器输入。动态温度和功率谱可用于抗喘振、气体体积流量、燃烧效率和涡轮叶片旋转相关的结构不稳定性分析。

值得注意的是，转换后的功率谱和相关的振动模态分布可以用于燃气轮机长期性能退化分析。其特点之一是其宽频带轮廓和响应幅值。随着振动的增加，机械问题变得更加令人担忧，这可能会导致燃气轮机以更高的速度退化。这些机械问题可能来自压缩机和涡轮联轴器之间的扭矩变化、转子叶片振动和叶尖间隙变化、轴承磨损、铲斗部件松动。另一个有价值的特点是光纤传感器的多功能特性，它可以用于同时测量动态和静态温度，而其响应幅值可以与各种动态和瞬态响应相关联，这些响应可能与各种机械、热和电变化有关。

7.结论

基于光纤光栅的传感技术在燃气轮机等发电系统的运行状态监测中得到了进一步的发展和验证。在测量燃气轮机的静态和动态响应方面，光纤传感器在高密度、多点和多功能方面展示了其独特的优势。为了满足工业恶劣环境传感的需要，光纤传感组件是关键工程之一。光纤传感器包不仅需要提供准确的测量，而且还可以防止高温、大量热气流和与叶片旋转相关的结构振动造成的机械强度下降。本文的工作是演示一种新的测试/测量技术，也可以用于测量燃气轮机的多点温度，只需要一根光纤传感电缆和一个穿透器。本文所讨论的光纤传感方法并不局限于燃气轮机排气温度的测量。其独特的多功能、静态和动态响应以及分布式传感能力，使高密度光纤传感器在下一代发电涡轮机械系统的状态监测、诊断、控制和优化方面更有价值。

致谢

在开发工作中，Kevin McCarthy、Juntao Wu、Renato Guida、Mohamed Sakami、Jerry Lopez、Alex Ross、David O 'Connor、C. Wagner、James Nutt、Ronald Gilstrap和Mike 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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