FBG技术在抽水蓄能电站监测系统中的应用
2022-02-23刘宝昕
刘宝昕
(中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司,北京100024)
1 概况
抽水蓄能电站一般包括上水库、下水库、厂房及水道系统,建筑物空间分布范围广、距离远、高差大,水道系统贯通上、下水库与厂房,常位于山体内。安全监测采用常规电类传感器,每支仪器需1根专用电缆,电传信号随传输距离衰减且易受干扰,因此电缆需就近引至监测站。而水道系统的监测站常设在水库进/出水口、施工支洞、厂房廊道等部位,不能集中观测。若要建立自动化监测系统,施工支洞封堵段外、调压井井口、厂房廊道等部位的监测站因位于地下或深山,其供电和数据传输将十分困难,甚至部分传感器无法实现自动化监测,同时,在上、下水库和厂房间建立自动化监测系统专用通信线路也存在困难。FBG技术能较好地解决上述问题,改善水道监测系统状况。
2 FBG技术及监测系统概述
2.1 FBG技术
光纤传感器将被测物理量转化为光信号,对光信号某一特征量进行测定,根据该特征量与被测物理量的特定关系,计算得出被测物理量的精确变化量。光纤传感器技术主要有法布里帕罗空腔光纤传感技术、FBG传感技术、低相干涉光纤传感技术、拉曼散射分布式光纤传感技术和布里渊散射分布式关系传感技术。与常规电测传感器相比,具有传输距离远、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、防雷等优势,逐渐在工程监测中得以应用。
FBG传感器是一种点式光纤传感器,传感器的2块光栅组合形成莫尔条纹,被测物理量变化引起光栅移动,光栅的移动距离通过光电检测系统对移过的莫尔条纹进行计数、处理后自动测量出来。因两端出纤的传感器可从任一端进行测量,传感器可多支串联后进行远距离传输,所以,监测仪器成活机会提高,传输介质数量减少,尤其突破了常规电测类传感器传输距离的瓶颈,并可进行动态测量,成本也相对低廉,也为水道系统监测提供了新的选择。
2.2 FBG监测系统
FBG监测系统主要由宽带光源、信号传输光纤、FBG传感器、信号解调等组成[1]。其工作流程是宽带光源产生的光波作为载波,经入射光纤传输到传感器,光波的某些特征参量在传感器内被外界物理量所调制,含有被调制信息的光波经出射光纤传输到光电转换部分,经调解后得到被测物理量的大小和状态。
抽水蓄能电站水道FBG监测系统,考虑了施工期临时观测、充水调试期动态自动观测、电站监测自动化系统局域网通信等。系统典型布置包括1台计算机、若干FBG传感器、FBG解调仪、单模多芯铠装主干光缆和单模单芯铠装连接光缆等,见图1。
图1 抽水蓄能电站水道FBG监测系统典型布置示意图
3 工程实例
3.1 工程简介
某抽水蓄能电站为I等大(1)型工程,总装机容量1200MW,额定水头521m。电站枢纽主要由上水库、水道系统、地下厂房系统、下水库工程组成。水道系统总长约2.3km,由上水库进/出水口、引水隧洞、引水调压井、高压管道、尾水隧洞和下水库进/出水口组成。
3.2 监测项目及仪器类型
尽管FBG传感器技术上较为成熟,但在抽水蓄能电站水道系统鲜有应用。因此,工程谨慎地仅在应力应变和温度类监测项目上选用了FBG传感器。
水道系统监测部位包括引水隧洞、引水调压井、高压管道、尾水隧洞以及上、下库进/出水口,监测断面衬砌类型包括钢筋混凝土衬砌和钢板衬砌,设置的监测项目及仪器类型汇总见表1。
表1 监测项目及仪器类型汇总表
3.3 断面设置及仪器接入
水道系统围岩以Ⅱ类和Ⅲ类为主,局部穿越断层、破碎带等部位为Ⅳ~Ⅴ类围岩,选择围岩条件较差和有代表性的部位设置监测断面。监测断面分布于1号和2号引水系统的上平段、调压井、上斜井、中平段、下斜井、下平段、岔管段,1号和3号尾水系统的下平段、斜井段,3号和4号尾水闸门井。水道系统共布置监测断面33处,子断面合计58个,共布置FBG传感器369支,见表2。
表2 水道系统监测断面及仪器数量统计表
对于FBG传感器,按监测断面逐个进行串接后,再与主干光缆的光纤进行“U”型熔接。每根光纤最多可接入传感器的数量,根据FBG解调仪的带宽所能容纳传感器最小带宽的数量确定;传感器的最小带宽基于工作带宽,并考虑传感器缓冲区带宽及制作误差带宽最终确定。该工程采用的FBG解调仪的带宽为40nm,经综合考虑,传感器占用的最小带宽按2nm计,每根光纤最多可接入20支传感器,对于含温补光栅的传感器则只接入10支传感器。
3.4 主干光缆芯数及敷设线路
3.4.1 确定主干光缆芯数
主干光缆采用单模多芯铠装光缆,每条需监测的隧洞设置1根。主干光缆芯线数根据所在隧洞的传感器数量、每根光纤拟接入的传感器数量、隧洞设置监测断面的个数、每个断面传感器的数量初定,并考虑有效利用FBG解调仪的通道数,以及留足备用芯线、统一主干光缆芯数等因素最终确定。以该工程1号引水系统为例,通常确定主干光缆芯数有3种方式。
方式一:根据FBG传感器总数量确定。工程1号引水系统FBG传感器数量最多,为184支,考虑温补光栅,按每根光纤最多可接入10支传感器计算,则主干光缆需要19根光纤。该方式确定了光缆的最少芯线数,可充分利用接入光纤的解调仪通道,但监测断面间调配的工作量大,不利于施工和管理,除非解调仪通道资源紧张,一般仅作为参考。
方式二:根据FBG传感器监测断面个数确定。工程1号引水系统共有监测断面27个。其中,布置有FBG传感器的监测断面21个,断面内FBG传感器不足5支的2个,5~8支的13个,10~15支的3个,15~20支的2个,22支的1个。按每根光纤最多接入10支传感器,不考虑断面间共用光纤,则主干光缆需要28根光纤。该种方式确定了光缆较为宽裕的芯线数,便于施工和管理,但对于接入传感器数较少的光纤,浪费了解调仪的通道资源。
方式三:在方式二的基础上进行优化调配。1)对于传感器数量(或余数)均少于5支的两个监测断面可共用1根光纤;2)对于传感器数量(或余数)之和小于10的2个监测断面可共用1根光纤。按前者调配,则主干光缆可优化为25芯。调配后,解调仪通道资源得以高效利用,施工和管理也较为方便。
在上述计算方式的基础上,考虑为监测自动化系统提供通道等原因,工程水道系统均采用32芯主干光缆。
3.4.2 主干光缆敷设线路
分别沿1号引水系统和2号引水系统各设置1条32芯主干光缆,上水库端分别从上水库2个进出水口闸门井引出,最终引至上水库值班房监测室,厂房端经高压支管沿地下厂房上游边墙最终引至副厂房监测室。分别沿1号尾水系统和3号尾水系统各设置1条32芯主干光缆,下水库端分别从下水库1号、3号尾水闸门井引出,沿左岸库顶公路电缆沟引至拦河坝值班房监测室,厂房端分别经1号、3号尾水管沿地下厂房下游边墙最终引至副厂房监测室。
3.4.3 兼顾监测自动化系统局域网通信
FBG监测系统主干光缆的敷设线路,除满足水道系统监测外,兼顾监测自动化系统局域网通信。工程监测自动化系统设置3个监测管理站,分别位于上水库值班房监测室、地下厂房副厂房监测室和下水库值班房监测室,与水道FBG监测系统主干光缆的两端在同一房间。自地下副厂房监测室至下水库值班房监测室和上水库值班房监测室,各2根FBG监测系统的32芯主干光缆连通,均可提供至少2芯光纤供监测自动化系统组网使用。
3.5 观测
系统配备便携式FBG读数仪,方便施工期对未接入主干光缆的FBG传感器进行人工观测。FBG传感器接入主干光缆后,通过中速FBG解调仪,在计算机上即可实现施工期的自动观测。
FBG监测系统除可进行常规的静态监测外,还可进行动态连续监测,如获取水道系统充放水、机组调试、机组甩负荷试验等快速工况过程中的连续监测数据,从而捕捉到瞬间极值,以判断水工结构在快速工况下是否安全。
4 监测成果
在1号机组甩100%负荷过程中,利用FBG监测系统获取了高频次的动态监测数据。图2是1号机组甩100%负荷过程中截取的5min内岔管主管监测断面7个钢板应力测值的过程曲线。这对常规电类传感器来说是难以实现的。
图21号机组甩100%负荷过程中岔管主管钢板应力变化过程曲线
图2 给出1号机组甩负荷全过程钢板应力变化情况,监测频率设置为每5s采集1次。从图2中可以看出,钢板应力在机组甩负荷后出现第一次极大值和极小值后,其相应峰值即逐渐衰减,在经过约40s后逐渐恢复到甩负荷前的应力状态。甩负荷过程中,钢板应力值最大波动幅度约10MPa。
5 结语
FBG技术应用于抽水蓄能电站水道监测系统,兼顾监测自动化系统局域网通信,较常规监测方式,节省了大量的监测电缆,简化了水道监测系统,降低了监测子系统间的组网难度,节省了工程投资。突破了常规电类传感器传输距离的瓶颈,其传输距离远远超出了抽水蓄能电站水道系统的长度。能够在施工期及早实现静态和动态自动监测,在水道系统初次充水过程中、机组调试及甩负荷过程中,方便进行高频次或连续动态监测,能够捕获瞬间极值,这对于监控结构安全具有重要意义。