光热发电导热油泄漏在线检测方法研究

李 文,温 昕,蒋 凯,马永跃

1.北方工业大学机电工程研究所;2.国网北京检修公司

0 引言

随着能源行业的快速发展,光热产业优势明显,进入发展新阶段。但是由于导热介质体量大,传热系统气体泄漏使得导热系统安全面临着巨大的考验。

金属氧化物半导体(metal-oxide semiconductor,MOS)传感器以其检测精度高、响应速度快、采样实时性强等优点得到了广泛应用。目前国内外研究学者[1-3]通过对MOS传感器阵列设计,并结合其他检测方法,验证了MOS气体快速检测的识别准确率可以达到84%。

针对目前光热电站存在的导热油泄漏问题,本文在综合考虑导热油实际工况的复杂环境以及充分调研国内外管路泄漏检测技术和气体传感器技术研究现状后,基于MOS传感器技术提出了一种联苯联苯醚型导热油管路泄漏检测方法,并搭建实验平台对检测方法的检出限、响应时间和可行性等指标进行验证。

1 MOS气体传感器检测机理

MOS传感器的敏感体由晶粒组成。晶轴倾斜角度不同,存在大量的位错,从而导致能带弯曲,形成了阻碍载流子运动的势垒[6]。当气敏材料温度升高时,空气中的氧气被吸附到气敏材料表面和晶粒界面之间,反应式为

(1)

因此,大多数MOS传感器需要加热到一定温度。本系统采用的MOS传感器气敏材料为SnO2,其最佳工作温度约300 ℃。

吸附态氧增多可使气敏元件的阻值提高。且具还原性质气体进入气敏材料与晶粒界面间后,吸附态氧优先与还原性较强气体发生反应,气敏元件阻值降低,其反应式为:

On-+H2→H2O+ne-

(2)

On-+CO→CO2+ne-

(3)

本系统采用以SnO2为气敏材料的费加罗传感器。对于还原性气体,晶粒界面势垒会发生变化,从而导致材料的电导率增大,阻值减小。图1为SnO2型传感器在还原性气体环境中晶粒界面势垒变化示意图,图2为SnO2表面吸附氧模型的示意图。

图1 SnO2晶粒界面势垒变化示意图

用SnO2作为气敏材料时,传感器阻值RS和待测气体浓度c之间代数关系为

RS=A·c-α

(4)

式中A和α为与检测气体相关的常数项。

A和α反映了检测气体浓度变化时,传感器对气体浓度变化的分辨能力。通过调整材料等因素,改变MOS传感器对气体的分辨能力。

2 光热发电导热油泄漏检测系统设计

基于MOS传感器检测原理、联苯联苯醚型导热油物理化学性质分析,设计基于MOS气体检测技术的光热发电导热油泄漏检测系统。

硬件系统采用模块化设计,包括主控板、采集板、远程通讯板。主控板由处理器单元及外围电路、数据处理等模块组成;远程通讯板由4G通讯模块组成。系统硬件的整体框图见图3。

图3 导热油泄漏检测系统硬件框图

3 导热油泄漏检测信号噪声处理及干扰分析

以一组实验中的传感器检测数据为样本,进行3种不同的降噪处理,传感器输出信号的原始数据如图4所示。

图4 传感器输出信号原始数据

3.1 小波变换降噪处理

本文利用sym小波基实现了传感器输出信号降噪。选择不同小波基函数,需调整层数(level)、消失矩(vanishing moments)及其他参数。2种sym小波基函数参数调节见表1、表2。

表1 sym小波基参数调整

表2 小波包sym小波基参数调整

比较调节参数后降噪效果,以sym消失矩5、层数4降噪效果最佳。

3.2 快速傅里叶变换降噪处理

使用快速傅里叶变换(FFT)进行降噪处理,得到传感器输出信号的FFT变换频谱图,如图5所示。通过频谱图观察,传感器输出信号振幅较高部分的频率主要在0.05 Hz以下。通过多种不同的低通滤波频率对比发现,0.15 Hz的低通滤波降噪效果较好。

图5 FFT频谱图

3.3 希尔伯特黄变换降噪处理

希尔伯特黄变换(HHT)是分析非线性、非稳定信号的方法。首先对传感器输出信号进行EMD分解,得到5个IMF分量和1个残差项。分解后的结果如图6所示。

图6 传感器输出信号的EMD分解图

对EMD分解的IMF分量使用HT算法进行变换,得到每个IMF分量变换后的瞬时频率,见图7。IMF1分量具有较多的不规则峰值频率,IMF2不规则峰值频率比IMF1少,其他IMF分量趋于平缓。

图7 传感器输出信号IMF分量瞬时频率图

3.4 3种降噪算法结果对比

3种降噪算法结果对比如图8所示。可见小波降噪效果良好,信号特征保持完好,平滑度良好,sym消失矩5、层数4这组参数可作为导热油泄漏检测传感器输出信号降噪处理方案。

(a)sym小波降噪sym-5-4

4 光热发电导热油泄漏检测实验

为验证检测方案的可行性,搭建实验平台如图9所示。并建立检测电压-浓度数学模型,同时对传感器输出信号进行温度补偿校正。并检测系统的响应速度和检测限。

图9 实验原理模型图

4.1 温度补偿实验

温度补偿模型是在传感器环境温度30～85 ℃范围内建立的,根据数据观察,温度变化对传感器输出值影响较大。为了减少温度对输出值的影响,建立了温度-电压补偿模型,如图10所示。

图10 温度补偿检测数据曲线

4.2 响应速度实验

打开串口持续对传感器和PT1000的输出值进行检测。将装有导热油的烧杯放置于加热台加热3 min。之后打开气体采样泵持续抽取30 s,然后关闭采样泵,停止数据采集。响应速度检测结果如图11所示。从图11中可以观察到,传感器对浓度的响应时间在5 s开始有反应,且在8 s达到了稳定测量值的90%。这表明本检测方法的响应速度指标符合预期要求。

图11 响应速度检测数据曲线

4.3 检出限实验

将传感器和PT1000连接通过密闭气室的单向阀,伸入密闭气室中开始采集数据,持续1 min停止。检测结果如图12所示。从图12观察到,本检测方法对空气中较低浓度的导热油能够产生反应。在低浓度条件下,测量值仍保持在检测阈值上。

图12 检出限实验检测数据曲线

5 结束语

本文针对光热电站导热油频繁泄漏的现状,提出基于MOS气体检测技术的导热油泄漏检测方法。结合导热油在光热发电中物理化学性质对系统进行设计,用3种降噪算法进行处理。设计温度检测电路实时采集温度和修正补偿传感器的输出信号。最后通过建立导热油检测的数学模型,证明了光热发电导热油泄漏在线检测方法的响应速度及检出限等参数达到系统设计要求。