CN204573600U - 基于分布式光纤测温的核电厂管道泄漏探测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于分布式光纤测温的核电厂管道泄漏探测装置，包括探测传感器单元，信号收发处理单元，数据分析报警单元。其中，探测传感器单元包括光纤和紧固支架，光纤通过紧固支架固定在高能管道的上方；信号收发处理单元中，激光驱动装置通过波分复用器与光纤连接，光纤通过波分复用器与光电检测器的输入端连接，光电检测器的输出端与信号处理器的输入端连接；数据分析报警单元包括PC终端和报警指示器，信号处理器的输出端与PC终端连接，报警指示器与PC终端连接。本实用新型实现对核岛内高能管道***泄漏情况的及时发现，并能够准确定位泄漏位置，为高能管道的破前漏设计提供实施基础，提高核电厂的安全性。

Description

基于分布式光纤测温的核电厂管道泄漏探测装置

技术领域

本实用新型属于核电厂泄漏探测技术，尤其涉及一种基于分布式光纤测温的核电厂管道泄漏探测装置。

背景技术

     随着我国核电的建设发展，投入运行的核电厂数量越来越多。社会和公众对核电厂安全性的关注日益提高。尤其是在福岛核电厂事故之后，进一步***性地提高核电厂运行安全不仅成为核电工业的技术性问题，也成为影响核电工业长期稳定发展的社会性问题。核电厂设计有三道安全屏障防护核电厂不会对外界环境造成辐射污染，构成核岛内一回路压力边界的一回路管道***是其中重要的一环。在核电厂正常运行和遭受地震等自然灾害的情况下，一回路管道***不允许发生突然断裂造而成大量冷却剂泄漏事故。为监测一回路***压力边界的完整性，根据核电厂安全法规导则的要求（如RG1.45），在核岛内布置有地坑、气载粒子探测、压力或温度探测等装置来实现对冷却剂泄漏的监测。随着核电厂设计要求的提高，对泄漏监测技术也提出了越来越高的要求，不仅需要能够探测泄漏现象，而且要能够准确定位泄漏源位置。特别是在核电厂高能管道设计中逐步采用的破前漏（leak before break，LBB）评估新技术中，泄漏探测***是实现破前漏设计目标的前提条件和重要保障。因此需要有更有效的能够准确进行泄漏监测和泄漏源定位的局部泄漏探测***。

虽然核电厂核岛反应堆内的高能管道出现破口发生冷却剂泄漏的概率微乎其微，但泄漏监测作为核电厂高能管道的破前漏方法设计，在役风险管理和安全保障的重要内容是不可或缺的。核电厂必须对冷却剂泄漏这一重要的设计基准事故制定完善的预防和应急响应措施。能够及时发现并准确定位泄漏及其发生位置是实现应急响应措施的前提条件。

在现有泄漏探测方法中，地坑、气载粒子探测和压力探测等方式不能实现对泄漏源的定位。而通过安装电阻式局部温度传感器虽然可以实现对泄漏源的粗略位置判断，但在实际应用中具有以下缺点：1）需要在预先判断的泄漏危险部位安装大量的温度传感器，通过对这些位置的局部温度监测来判断泄漏所处的部位。因此探测部位固定，仅能实现对发生在设定部位处的泄漏进行定位；2）随着预设部位的增多需要安装大量的温度传感器，布线复杂且占据较多的空间；3）温度传感器受核岛内辐射环境影响，老化速度较快；4）增加维护工作量，不仅要对温度传感器定期更换，而且对一回路压力边界进行在役检查时，需要一定量的工时对温度传感器进行拆装作业。

实用新型内容

本实用新型为克服核电厂现有的基于温度监测的泄漏探测装置不能实现对一回路管道***连续空间测温和判断泄漏源准确位置的不足，提供一种基于分布式光纤测温的核电厂管道泄漏探测装置，从而实现对核岛内高能管道***泄漏情况的及时发现，并能够准确定位泄漏位置，为高能管道的破前漏设计提供实施基础，提高核电厂的安全性。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于分布式光纤测温的核电厂管道泄漏探测装置，包括探测传感器单元，信号收发处理单元，数据分析报警单元，探测传感器单元通过信号收发处理单元与数据分析报警单元连接；其中，探测传感器单元包括光纤和紧固支架，光纤通过紧固支架固定在高能管道的上方；信号收发处理单元包括激光驱动装置、波分复用器、光电检测器、信号处理器，激光驱动装置通过波分复用器与光纤连接，光纤通过波分复用器与光电检测器的输入端连接，光电检测器的输出端与信号处理器的输入端连接；数据分析报警单元包括PC终端和报警指示器，信号处理器的输出端与PC终端连接，报警指示器与PC终端连接；激光驱动装置用于发射激光，光纤用于传输激光驱动装置发射的激光并传输其反向的散射光，波分复用器用于将激光传输到光纤中、将光纤中反向的散射光分离为斯托克斯光和反斯托克斯光，光电检测器用于接收斯托克斯光和反斯托克斯光并将其转换为电信号，信号处理器用于得到斯托克斯光和反斯托克斯光的光强比，PC终端用于计算不同光强比所对应的温度，同时根据光纤中激光的传播速率及反向的散射光的回波时间，对所测温度处的位置进行定位，报警指示器用于在温度超出预设值时进行报警。

按上述技术方案，所述光纤为金属涂层光纤。

按上述技术方案，所述光电检测器为雪崩光电二极管。

按上述技术方案，所述光电检测器与信号处理器之间还设置有放大器。

按上述技术方案，信号收发处理单元与数据分析报警单元安装在常规岛控制室内。

按上述技术方案，紧固支架的上半部和下半部沿周向包裹高能管道，紧固支架的上半部与下半部的边缘处通过螺栓和垫片紧固，上半部的顶端设置光纤定位环，光纤穿过光纤定位环，光纤定位环的顶部设置固定调整螺栓，压块设置在固定调整螺栓的底部，固定调整螺栓通过压块对光纤施加径向力，使光纤定位在光纤定位环的底部处。

按上述技术方案，在核岛反应堆厂房内安装有反应堆压力容器和三个冷却剂环路，每个冷却剂环路均包括蒸汽发生器、冷却剂泵、主管道热段、主管道过渡段和主管道冷段，将三个冷却剂环路中的主管道热段、主管道过渡段和主管道冷段作为目标管道，探测传感器单元中的光纤和紧固支架覆盖目标管道。

本实用新型基于分布式光纤测温的核电厂管道泄漏探测装置的工作原理为，核岛内一回路管道发生破裂时，管道内的高温冷却剂将通过破口向外喷放，形成显著的局部快速温升，通过测定温度变化值和发生位置即可确定泄漏并定位泄漏点。基于分布式光纤测温的核电厂高能管道局部泄漏探测***工作的基本原理是依据光纤的光时域反射和光纤反向拉曼散射的温度效应，探测沿光纤不同位置的温度变化，实现真正分布式的测量。由于拉曼散射光中的斯托克斯光受温度的影响微乎其微，温度的变化时斯托克斯光强度不变，而反斯托克斯光则对温度极为敏感，温度越高，反斯托克斯光越强，因此，可以通过反斯托克斯光与斯托克斯光的强度对比值的变化而分析获得温度的变化，两种光的光强比和温度之间的具有定量关系。在***中，光纤所处空间各点的温度场调制了光纤中的反向拉曼散射光的强度，经波分复用器和光电检测器采集空间温度信息，再经信号处理和***解调后获得实时温度值信息，并利用光纤中光波的传播速度和反向光回波的时间间隔进行空间定位。光纤作为探测传感器单元的重要组成，不仅为探测感温元件，同时也是信号收发处理单元的信号传递通路。在信号收发处理单元中，激光驱动装置产生激光脉冲光束，经过波分复用器进入光纤，脉冲激光束沿光纤向前传输的同时，散射光向光纤四周传输，其中沿光纤后向传输的后向散射光经过波分复用器分离出斯托克斯光和反斯托克斯光，这两路光信号经光电检测器分别采集后传输至信号处理器进行精确的光强度量化分析。在数据分析与报警单元中，PC终端接收来信号处理器传递的数据，通过计算获得沿分布式光纤长度方向上所探测的温度。当所探测的温度出现突然显著温升的时候，PC终端向与之相连的报警指示器发出信号，报警指示器发出警报，核电厂操作人员则根据核电厂操作规程进行应急处理。基于分布式光纤测温的泄漏探测***中的探测传感器单元安装在核岛内，信号收发处理单元和数据分析报警单元安装在控制室内。紧固支架安装在目标管道上，光纤通过卡子安装在紧固支架上。光纤的安装位置应处于高能管道的上方，如果高能管道发生泄漏，喷放出的高温流体所形成的高温气体将上升，使管道上方的环境温度升高，造成光纤中的后向散射光中的反斯托克斯光强度变化。光纤通过控制管线通道穿过核岛厂房与控制室内的信号收发单元的接口相连接，传输脉冲激光束和反射光。数据分析报警单元的PC终端也与信号收发单元的接口相连接，接受信号处理器传递的放射光光强数据。报警指示器与PC终端的COM串口相连接，接收PC发出的报警指令。

本实用新型产生的有益效果是：可以灵敏准确地探测核电厂核岛内的高能管道是否发生泄漏，并且可以对泄漏点进行准确定位，同时，相比常规的测温型局部泄漏探测装置，本实用新型还具有如下优势：（1）连续分布式测量实现对管道***的完整覆盖；（2）抗辐射，寿命长且成本低；（3）灵敏度高，测量精度高；（4）安装和维护简单方便。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型实施例的原理示意图；

图2是本实用新型实施例中探测传感器单元的剖面示意图；

图3是本实用新型实施例中探测传感器单元对目标管道覆盖的示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型实施例中，提供一种基于分布式光纤测温的核电厂管道泄漏探测装置，如图1所示，包括探测传感器单元，信号收发处理单元，数据分析报警单元，探测传感器单元通过信号收发处理单元与数据分析报警单元连接；其中，探测传感器单元包括光纤和紧固支架，光纤通过紧固支架固定在高能管道的上方；信号收发处理单元包括激光驱动装置、波分复用器、光电检测器、信号处理器，激光驱动装置通过波分复用器与光纤连接，光纤通过波分复用器与光电检测器的输入端连接，光电检测器的输出端与信号处理器的输入端连接；数据分析报警单元包括PC终端和报警指示器，信号处理器的输出端与PC终端连接，报警指示器与PC终端连接；激光驱动装置用于发射激光，光纤用于传输激光驱动装置发射的激光并传输其反向的散射光，波分复用器用于将激光传输到光纤中、将光纤中反向的散射光分离为斯托克斯光和反斯托克斯光，光电检测器用于接收斯托克斯光和反斯托克斯光并将其转换为电信号，信号处理器用于得到斯托克斯光和反斯托克斯光的光强比，PC终端用于计算不同光强比所对应的温度，同时根据光纤中激光的传播速率及反向的散射光的回波时间，对所测温度处的位置进行定位，报警指示器用于在温度超出预设值时进行报警。核岛反应堆厂房内的高能管道内流动着高温高压的冷却剂，在极端条件下，如果管道出现破裂，管道内的冷却剂将通过破口向反应堆厂房内的环境中外喷放，高温流体会造成局部温度升高。通过监测管道周围局部温度异常升高的情况，可以有效地实现对管道泄漏的准确探测。使用分布式光纤作为温度探测传感器，可以实现对光纤沿长度方向的连续空间温度探测，不仅能够实现对管道泄漏情况的无盲区监测，而且能够实现对泄漏点的准确定位，判断泄漏位置。

其中，由于光纤作为感温传感器要具有可承受350℃高温的能力，因此光纤可以选择金属涂层光纤。

进一步地，光电检测器为雪崩光电二极管，具有良好的光探测能力。更进一步地，所述光电检测器与信号处理器之间还设置有放大器，对电信号进行放大，提高检测精度。

其中，信号收发处理单元与数据分析报警单元安装在常规岛控制室内。

进一步地，本实用新型的较佳实施例中，如图2所示，紧固支架的上半部和下半部沿周向包裹高能管道，紧固支架的上半部与下半部的边缘处通过螺栓和垫片紧固，上半部的顶端设置光纤定位环，光纤穿过光纤定位环，光纤定位环的顶部设置固定调整螺栓，压块设置在固定调整螺栓的底部，固定调整螺栓通过压块对光纤施加径向力，使光纤定位在光纤定位环的底部处。紧固支架的上半部4和紧固支架的下半部5套在目标管道上，紧固支架的尺寸根据管道的外径确定。两部分支架通过六角螺栓6、垫片7、固定螺母8和垫片9固定连接在一起，保持在管道上的位置固定且稳定。光纤3穿过固定支架上半部4中的光纤定位环中，通过固定调整螺母1和压块2对光纤进行固定，使光纤在光纤定位环中的位置固定，无相对滑动，确保管道各部分在光纤长度上的映射关系保持不变。从而可以通过光纤上的长度标定数值来判定管道部位。光纤通过紧固支架安装在高能管道顶部上方并使光纤与被测管道保持适当的距离。光纤作为探测传感器单元的重要组成，不仅为探测感温元件，同时也是信号收发处理部分的信号传递通路。通过紧固支架将金属涂层光纤固定在管道的上方，使光纤相对于管道保持位置固定，构成位于核岛反应堆厂房内的探测传感器单元。管道的不同部位在光纤的长度方向上具有一一对应的映射关系，根据光纤长度值便可准确定位管道部位。光纤和信号收发单元的波分复用器相连接，激光驱动装置发射的脉冲激光通过波分复用器进入光纤中向前传输。由于脉冲激光的散射，反向的散射光再次被波分复用器接收并被分离成斯托克斯光和反斯托克斯光。经波分复用器分离出的两路光信号，分别由雪崩光电二极管将光信号转换为电信号，再经放大器对电信号放大，送到信号处理器中进行累加平均，便得到精确的光强度量化值。根据反斯托克斯光和斯托克斯光的光强比与温度的函数关系，可以进一步计算出不同光强比所对应的温度。同时根据光纤中光的传播速率以及反向散射光波的回波时间，可以对所测温度所处的位置进行定位。所有测量数据在PC终端中收集加工，也可以在可视化的程序界面中直观的观测管道上的温度分布和变化情况，同时也可灵活设定温升速率阀值和温度阀值作为泄漏报警的触发信号。

进一步地，如图3所示，在核岛反应堆厂房内安装有反应堆压力容器和三个冷却剂环路，每个冷却剂环路均包括蒸汽发生器、冷却剂泵、主管道热段、主管道过渡段和主管道冷段，将三个冷却剂环路中的主管道热段、主管道过渡段和主管道冷段作为目标管道，探测传感器单元中的光纤和紧固支架覆盖目标管道。在常规岛控制室内安装分布式光纤泄漏探测***的信号收发处理单元和数据分析警报单元（PC终端和报警指示器）。在核岛反应堆厂房内安装有反应堆压力容器10和三个冷却剂环路（冷却剂环路一16、冷却剂环路二17及冷却剂环路18），对于每一个冷却剂环路均包括了蒸汽发生器11、冷却剂泵12、主管道热段13、主管道过渡段14和主管道冷段15。对主管道的泄漏探测则包括了三个环路上的共计9段管道，可使用一根光纤3通过合理的布置覆盖所有目标管道。通过紧固支架将金属涂层光纤固定在管道上，并对冷却剂环路上的各段管道起点和终点位置处的光纤进行长度标定，则可根据长度标定值区间实现对各段管道的识别和管道部位的定位功能。在核电厂运行中，当管道上出现破口发生泄漏时，高温冷却剂通过破口喷放，产生的热蒸汽使所处位置光纤局部温度升高。光纤该位置处的反向散射反斯托克斯光强度发生变化，使反斯托克斯光和斯托克斯光的光强比随之变化，进而可获得即时的温度值。同时根据前述的光传播速度定位原理获得探测温度所处的管道部位，即可实现对破口位置的准确定位。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于分布式光纤测温的核电厂管道泄漏探测装置，其特征在于，包括探测传感器单元，信号收发处理单元，数据分析报警单元，探测传感器单元通过信号收发处理单元与数据分析报警单元连接；其中，探测传感器单元包括光纤和紧固支架，光纤通过紧固支架固定在高能管道的上方；信号收发处理单元包括激光驱动装置、波分复用器、光电检测器、信号处理器，激光驱动装置通过波分复用器与光纤连接，光纤通过波分复用器与光电检测器的输入端连接，光电检测器的输出端与信号处理器的输入端连接；数据分析报警单元包括PC终端和报警指示器，信号处理器的输出端与PC终端连接，报警指示器与PC终端连接；激光驱动装置用于发射激光，光纤用于传输激光驱动装置发射的激光并传输其反向的散射光，波分复用器用于将激光传输到光纤中、将光纤中反向的散射光分离为斯托克斯光和反斯托克斯光，光电检测器用于接收斯托克斯光和反斯托克斯光并将其转换为电信号，信号处理器用于得到斯托克斯光和反斯托克斯光的光强比，PC终端用于计算不同光强比所对应的温度，同时根据光纤中激光的传播速率及反向的散射光的回波时间，对所测温度处的位置进行定位，报警指示器用于在温度超出预设值时进行报警。

2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤测温的核电厂管道泄漏探测装置，其特征在于，所述光纤为金属涂层光纤。

3.根据权利要求1或2所述的基于分布式光纤测温的核电厂管道泄漏探测装置，其特征在于，所述光电检测器为雪崩光电二极管。

4.根据权利要求1或2所述的基于分布式光纤测温的核电厂管道泄漏探测装置，其特征在于，所述光电检测器与信号处理器之间还设置有放大器。

5.根据权利要求4所述的基于分布式光纤测温的核电厂管道泄漏探测装置，其特征在于，信号收发处理单元与数据分析报警单元安装在常规岛控制室内。

6.根据权利要求5所述的基于分布式光纤测温的核电厂管道泄漏探测装置，其特征在于，紧固支架的上半部和下半部沿周向包裹高能管道，紧固支架的上半部与下半部的边缘处通过螺栓和垫片紧固，上半部的顶端设置光纤定位环，光纤穿过光纤定位环，光纤定位环的顶部设置固定调整螺栓，压块设置在固定调整螺栓的底部，固定调整螺栓通过压块对光纤施加径向力，使光纤定位在光纤定位环的底部处。

7.根据权利要求6所述的基于分布式光纤测温的核电厂管道泄漏探测装置，其特征在于，在核岛反应堆厂房内安装有反应堆压力容器和三个冷却剂环路，每个冷却剂环路均包括蒸汽发生器、冷却剂泵、主管道热段、主管道过渡段和主管道冷段，将三个冷却剂环路中的主管道热段、主管道过渡段和主管道冷段作为目标管道，探测传感器单元中的光纤和紧固支架覆盖目标管道。