吳 碩 張汝山 涂勤昌 岳建寧

(1.萬(wàn)華化學(xué)(寧波)有限公司，浙江 寧波 315000；2.浙江中欣動(dòng)力測(cè)控技術(shù)有限公司，浙江 寧波 315000)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，化工廠和化工園區(qū)不斷增加，已建和在建的省級(jí)大型化工園區(qū)已超過(guò)100個(gè)?；どa(chǎn)又是公認(rèn)的最具危險(xiǎn)性的行業(yè)，化工園區(qū)內(nèi)易燃易爆和有毒有害的?；芳?，安全生產(chǎn)形勢(shì)嚴(yán)峻[1,2]，其中首要的安全問(wèn)題是火災(zāi)爆炸，火災(zāi)爆炸又容易引發(fā)化工原料泄漏以及水源和大氣污染。因此，對(duì)化工園區(qū)的火災(zāi)監(jiān)測(cè)是保證企業(yè)安全運(yùn)行的關(guān)鍵。據(jù)統(tǒng)計(jì)，化工企業(yè)的火災(zāi)大部分是明火源(如亂丟煙頭和違章動(dòng)火)和電氣設(shè)備故障或過(guò)熱引發(fā)的[3]，前者可通過(guò)強(qiáng)化管理避免；后者則依賴各種感測(cè)設(shè)備，在火災(zāi)發(fā)生之前做出準(zhǔn)確預(yù)判，將災(zāi)害控制在萌芽階段。溫度是電氣設(shè)備過(guò)熱以及化工氣化爐和流程管道監(jiān)測(cè)的常用參量，因此溫度探測(cè)器的正確選型與應(yīng)用對(duì)化工企業(yè)的安全生產(chǎn)尤顯關(guān)鍵。分布式光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)(Distributed Temperature Sensing System，DTS)是一種新型的感溫火災(zāi)探測(cè)器，可實(shí)現(xiàn)沿光纖分布的溫度實(shí)時(shí)測(cè)量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)過(guò)熱點(diǎn)，防患于未然，具有分布式實(shí)時(shí)測(cè)量、精確定位、抗電磁干擾、本質(zhì)安全及報(bào)警方式靈活等特點(diǎn)[4～6]。

筆者在介紹分布式光纖溫度測(cè)量原理、系統(tǒng)構(gòu)成和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，指出實(shí)際應(yīng)用中的選型依據(jù)。并介紹分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)在萬(wàn)華化學(xué)(寧波)有限公司的工業(yè)園電纜橋架監(jiān)測(cè)方面的實(shí)際應(yīng)用。

1 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)①

1.1 測(cè)量原理

DTS的溫度測(cè)量基于光纖自發(fā)拉曼(Raman)散射效應(yīng)，如圖1所示。大功率窄脈寬的激光脈沖入射到傳感光纖后，激光與光纖分子相互作用，產(chǎn)生極其微弱的背向散射光，散射光有3個(gè)波長(zhǎng)，分別是瑞利(Rayleigh)、反斯托克斯(Anti-stokes)和斯托克斯(Stokes)光；其中Anti-stokes光對(duì)溫度敏感，為信號(hào)光；Stokes光對(duì)溫度不敏感，為參考光。從傳感光纖背向散射的信號(hào)光再次經(jīng)過(guò)分光模塊分別得到溫度敏感的Anti-stokes信號(hào)光和溫度不敏感的Stokes參考光，并由高靈敏光電探測(cè)器(APD)接收，根據(jù)兩者的光強(qiáng)比值就可以計(jì)算出溫度。而位置的確定是基于光時(shí)域反射(Optical Time Domain Reflectometer，OTDR)技術(shù)，利用高速數(shù)據(jù)采集測(cè)量散射信號(hào)的回波時(shí)間，即可確定散射信號(hào)所對(duì)應(yīng)的光纖位置。由于系統(tǒng)以Stokes光信號(hào)作為參考，因此溫度測(cè)量不受光源功率波動(dòng)及光纖鏈路損耗等的影響[7]。

圖1 DTS測(cè)量原理示意圖

Stokes光強(qiáng)Ps(z)為：

(1)

式中aR——入射光波長(zhǎng)下的光纖衰減系數(shù)，dB/km；

as——Stokes光波長(zhǎng)下的光纖衰減系數(shù)，dB/km；

h——普朗克常數(shù)，6.626×10-34J·S；

kB——玻爾茲曼常數(shù)，1.3806505×10-23J/K；

ks——Stokes光的耦合效率；

P0——入射光的光強(qiáng)，mW；

T(z)——光纖某點(diǎn)位置z處的溫度，K；

ν——入射光的頻率，Hz；

z——光纖某點(diǎn)位置z與入射端之間的距離，km。

Anti-stokes光強(qiáng)PA(z)為：

(2)

式中aA——Anti-stokes光波長(zhǎng)下的光纖衰減系數(shù)，dB/km；

kA——Anti-stokes光的耦合效率。

則傳感光纖沿線各點(diǎn)的溫度T(z)為：

(3)

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成及其特點(diǎn)

DTS一般包括測(cè)溫主機(jī)、探測(cè)光纜、用戶軟件、備用電源及服務(wù)器等。測(cè)溫主機(jī)是系統(tǒng)核心，直接影響測(cè)溫性能和應(yīng)用效果。探測(cè)光纜既是溫度感測(cè)元件又是信號(hào)傳輸介質(zhì)，既能快速響應(yīng)外界溫度又具有較好的抗拉和抗壓強(qiáng)度。而且光纜一旦斷裂，即可精確定位和快速接續(xù)。

用戶軟件包括溫度顯示、火災(zāi)預(yù)/報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計(jì)及監(jiān)測(cè)區(qū)域可視化等功能。

作為技術(shù)先進(jìn)的新型探測(cè)器，DTS的特點(diǎn)為：分布式實(shí)時(shí)測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)10km光纖沿線任一點(diǎn)的溫度測(cè)量，測(cè)量精度高、覆蓋面廣；精確定位事件異常位置，方便處置；抗電磁干擾，能在高電壓和強(qiáng)電磁環(huán)境下正常工作；傳感器本身不帶電工作，本質(zhì)安全；傳感器安裝簡(jiǎn)單，工作壽命長(zhǎng)達(dá)15年，運(yùn)、維成本低。

DTS系統(tǒng)與化工企業(yè)常用的幾種溫度探測(cè)器的對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 DTS系統(tǒng)與化工企業(yè)常用溫度探測(cè)器的比較

2 選型依據(jù)

產(chǎn)品性能是DTS設(shè)備選型時(shí)首先要予以考慮的。DTS關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)包括測(cè)量距離、測(cè)量時(shí)間、測(cè)溫精度、空間分辨率、采樣間隔、測(cè)溫范圍及測(cè)量通道等。這幾個(gè)技術(shù)指標(biāo)相互關(guān)聯(lián)又相互制約，部分廠家的產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)不詳細(xì)，甚至羅列不同條件下最好的指標(biāo)誤導(dǎo)客戶。由于產(chǎn)品性能直接關(guān)系到應(yīng)用效果，在此逐一進(jìn)行簡(jiǎn)要分析：

a. 測(cè)量距離。指單根光纖可監(jiān)測(cè)的最大長(zhǎng)度，與測(cè)溫主機(jī)位置到監(jiān)測(cè)區(qū)域最遠(yuǎn)端的距離有關(guān)(需考慮一定的光纜敷設(shè)余量)。測(cè)量距離越長(zhǎng)則尾端溫度測(cè)量噪聲越大，容易誤報(bào)。一般宜選用2～4km的成熟型號(hào)。

b. 測(cè)量時(shí)間。指溫度測(cè)量數(shù)據(jù)更新所需的時(shí)間，測(cè)量時(shí)間越長(zhǎng)測(cè)溫精度越高。針對(duì)火災(zāi)預(yù)警應(yīng)用，為及早發(fā)現(xiàn)隱患，測(cè)量時(shí)間宜在5～10s。

c. 測(cè)溫精度。與測(cè)量距離、測(cè)量時(shí)間和空間分辨率密切相關(guān)。DTS典型技術(shù)指標(biāo)——4km末端、10s測(cè)量時(shí)間、2～3m空間分辨率下的測(cè)溫精度小于±1℃。

d. 空間分辨率。真實(shí)反映外界熱點(diǎn)溫度的最短受熱光纖長(zhǎng)度，為DTS最核心的技術(shù)指標(biāo)。當(dāng)受熱長(zhǎng)度小于空間分辨率時(shí)，DTS測(cè)得溫度將小于實(shí)際溫度，可能造成漏報(bào)?！毒€型光纖感溫火災(zāi)探測(cè)器》GB/T 21197-2007規(guī)定，DTS產(chǎn)品的空間分辨率(感溫長(zhǎng)度)必須不大于3m，國(guó)內(nèi)大部分DTS產(chǎn)品的空間分辨率指標(biāo)為2～3m。對(duì)于電纜過(guò)熱點(diǎn)的監(jiān)測(cè)，宜選用空間分辨率為0.5～1.0m的型號(hào)。

e. 采樣間隔。相鄰兩點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)的空間距離。采樣間隔和事件定位精度有關(guān)，并且其數(shù)值一定小于空間分辨率，即空間分辨率為1m的DTS，其采樣間隔肯定小于1m(如0.5m)。

f. 測(cè)溫范圍。與探測(cè)光纜的結(jié)構(gòu)和材料有關(guān)。一般監(jiān)測(cè)選用常規(guī)光纖和低煙無(wú)鹵LSZH護(hù)套，測(cè)溫范圍-20～+85℃；氣化爐表面熱點(diǎn)監(jiān)測(cè)需選用耐高溫光纖和金屬護(hù)套，測(cè)溫范圍-40～+300℃。

g. 測(cè)量通道。指DTS可以連接的光纜根數(shù)，為輪詢工作方式。通道數(shù)越多，可覆蓋的監(jiān)測(cè)區(qū)域越廣，總的測(cè)量時(shí)間也越長(zhǎng)。一般情況下，宜選用四通道設(shè)備。

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的選型應(yīng)考慮應(yīng)用環(huán)境的特殊性，對(duì)于化工企業(yè)，產(chǎn)品可靠性要求高，產(chǎn)品應(yīng)取得消防型式檢驗(yàn)報(bào)告、電磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility，EMC)測(cè)試報(bào)告及防爆認(rèn)證等資質(zhì)。

3 實(shí)際應(yīng)用

萬(wàn)華化學(xué)(寧波)有限公司的工業(yè)園占地約3 000畝，是以MDI產(chǎn)品生產(chǎn)制造為核心的石化產(chǎn)業(yè)園區(qū)。園區(qū)內(nèi)敷設(shè)了數(shù)量眾多的各種動(dòng)力電纜和控制電纜，橋架林立。電纜長(zhǎng)期大負(fù)荷運(yùn)行后都會(huì)產(chǎn)生一定的熱量(尤其是電纜接頭或者破損處)，一旦熱量聚集就會(huì)發(fā)生火災(zāi)，很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)和撲救，造成不可估量的損失。為保障園區(qū)安全生產(chǎn)，該公司采購(gòu)了兩套DTS設(shè)備分別用于302Q和307Q變電所電纜溝和電纜橋架的溫度監(jiān)測(cè)。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DTS作為一種分布式測(cè)溫設(shè)備，所測(cè)溫度是最小感溫長(zhǎng)度(空間分辨率)內(nèi)的溫度平均值。國(guó)內(nèi)大部分DTS產(chǎn)品的空間分辨率為2～3m，考慮到電纜過(guò)熱點(diǎn)區(qū)域比較小，此時(shí)DTS所測(cè)溫度將低于熱點(diǎn)溫度。為準(zhǔn)確判斷電纜過(guò)熱點(diǎn)的異常事件，宜選用空間分辨率為0.5～1.0m的DTS設(shè)備。經(jīng)調(diào)研與對(duì)比后，公司選用NTR-4000型DTS設(shè)備，其主要技術(shù)指標(biāo)為：測(cè)量距離4km、測(cè)量時(shí)間5s、空間分辨率1m、測(cè)量精度小于±1℃(4km末端、5s測(cè)量時(shí)間、1m空間分辨率)、采樣間隔0.5m、測(cè)溫范圍-20～+85℃、四通道測(cè)量。

如圖2所示，DTS測(cè)溫主機(jī)分別置于302Q和307Q變電所，通過(guò)局域網(wǎng)傳輸至監(jiān)控室集中監(jiān)控。探測(cè)光纜直接安裝于電纜溝/電纜橋架，緊貼電纜線形或者S形敷設(shè)，關(guān)鍵部位采用塑料扎帶將探測(cè)光纜與電纜固定在一起。DTS設(shè)備具有靈活的報(bào)警方式，一旦發(fā)現(xiàn)測(cè)量溫度值、溫升速率或溫度尖峰超過(guò)設(shè)定閾值，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，并將報(bào)警信號(hào)送到監(jiān)控室，便于值班員處理。

圖2 DTS測(cè)溫系統(tǒng)

3.2 測(cè)溫光纜敷設(shè)方式

測(cè)溫光纜選用螺旋鋼管鎧裝光纜，抗拉、抗壓強(qiáng)度高，防嚙咬，并且彎曲靈活，適合橋架監(jiān)測(cè)應(yīng)用。作為溫度感測(cè)元件需要與待測(cè)電纜緊密接觸。在該化工園區(qū)的電纜溝和橋架上，電纜數(shù)量多且堆疊密集。如圖3所示，普通動(dòng)力電纜發(fā)熱量較小，每層橋架/支架用兩根或4根測(cè)溫光纜線形敷設(shè)于電纜表面，條件允許時(shí)測(cè)溫光纜盡可能分散于電纜束內(nèi)；對(duì)于10kV電纜，采用一根或兩根測(cè)溫光纜，S形敷設(shè)于電纜表面。

圖3 測(cè)溫光纜敷設(shè)形式

3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

萬(wàn)華化工園區(qū)758和759南邊電纜橋架的溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖4所示，上面的曲線是2014年5月1日0點(diǎn)的溫度分布數(shù)據(jù)，電纜橋架的溫度分布并不均勻，熱的地方會(huì)超出周圍5℃以上，需要在實(shí)際運(yùn)行中重點(diǎn)關(guān)注；下面的曲線為橋架某一點(diǎn)從0點(diǎn)～12點(diǎn)的歷史溫度變化趨勢(shì)，7點(diǎn)之前溫度略微下降，7點(diǎn)之后緩慢上升，主要是與環(huán)境溫度上升有關(guān)。從近半年的連續(xù)運(yùn)行情況可以看出，測(cè)溫設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、溫度測(cè)量準(zhǔn)確，為萬(wàn)華化工園區(qū)電纜橋架的日常巡檢提供了極大便利。

3.4 用戶軟件

用戶軟件可以實(shí)現(xiàn)溫度曲線顯示、圖形化可視界面、報(bào)警狀態(tài)、溫度數(shù)據(jù)和報(bào)警信息的查詢、統(tǒng)計(jì)及分析等功能。如圖5所示的圖形化可視界面，將溫度位置與橋架走向一一對(duì)應(yīng)，并用顏色顯示溫度高低，簡(jiǎn)潔、形象、直觀。

圖4 電纜橋架溫度監(jiān)測(cè)曲線

圖5 用戶軟件圖形化可視界面

4 結(jié)束語(yǔ)

化工園區(qū)作為一個(gè)危化品集中的場(chǎng)所，需要不斷提升安全在線監(jiān)測(cè)水平。分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)是一種新型的感溫火災(zāi)探測(cè)器，可實(shí)現(xiàn)沿光纖分布的溫度實(shí)時(shí)測(cè)量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)過(guò)熱點(diǎn)，測(cè)量穩(wěn)定可靠、技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。萬(wàn)華化學(xué)(寧波)有限公司工業(yè)園區(qū)的成功應(yīng)用案例表明，分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)非常適合化工園區(qū)電纜溝和橋架的在線監(jiān)測(cè)，有必要進(jìn)一步推廣至園區(qū)其他關(guān)鍵區(qū)域，用先進(jìn)的科技手段保障園區(qū)安全生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，創(chuàng)建和諧、安全、高效的化工園區(qū)。