廖鑫羽

（長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北武漢430100）

火災(zāi)事故大部分是由于溫度過高引起的，石油石化行業(yè)中油罐區(qū)作為重大的工業(yè)危險源，大型儲油罐溫度過高會導(dǎo)致油品揮發(fā)、火災(zāi)甚至發(fā)生爆炸，造成重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。目前，常用的油罐火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的報警數(shù)據(jù)來源于光纖光柵測溫系統(tǒng)TBG（temperature measurement by fiber grating），這種傳感器只能進行散點式測量，同時安裝時需在油罐壁板打孔焊接或直接投入儲罐內(nèi)測量液體和氣體的溫度［1］，無論是前期施工還是后期維護都較為不便。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用分布式光纖測溫系統(tǒng)DTS（distributed temperature sensor）能夠在火災(zāi)陰燃（產(chǎn)生少量的煙霧和熱量）時進行溫度監(jiān)測，發(fā)出預(yù)警［2］，使現(xiàn)場操作人員具有充分的時間采取相應(yīng)的措施，避免發(fā)生事故或引起火災(zāi)，同時也能有效提升企業(yè)安全管理自動化水平。分布式光纖測溫系統(tǒng)和光纖光柵測溫系統(tǒng)對比見表1所列。

表1 分布式光纖測溫系統(tǒng)和光纖光柵測溫系統(tǒng)對比

1 系統(tǒng)原理

分布式光纖測溫系統(tǒng)的主要工作依據(jù)是光時域反射計原理 OTDR（optical time domain reflectometer）和光纖的后向拉曼散射（raman backscattring）溫度效應(yīng)［3-4］。

OTDR原理主要用于光纖定位，可實現(xiàn)對油罐內(nèi)部的溫度場進行空間分布式定位，可確定光纖各處（包括破損點）的損耗，同時對溫度測量點進行定位。

后向拉曼散射效應(yīng)是指當(dāng)主處理機中的激光光源向光纖注入波長905 nm的脈沖信號后，雖然光的傳播速度很快，但光仍然具有一定的衰減性，其中一部分散射光會按照入射光相反的方向傳播，該部分散射光中含有的拉曼信號中攜帶溫度場信息，將該信號通過數(shù)字信號處理系統(tǒng)（DSP）進行信息處理，可提供有關(guān)儲罐的溫度場分布信息，輸出整條光纖上的溫度分布圖。

2 總體設(shè)計

分布式光纖測溫系統(tǒng)必須保證以下三點：可提供油罐火災(zāi)危險的早期探測；可清楚指示火災(zāi)危險地點；將火災(zāi)信息傳送至火災(zāi)報警控制系統(tǒng)，啟動應(yīng)急控制系統(tǒng)，如關(guān)閉緊急切斷閥、切斷油管等應(yīng)急操作。

設(shè)備的布置必須結(jié)合油罐的結(jié)構(gòu)特點，從全面覆蓋、安裝便利方面通盤考慮，整個控制系統(tǒng)按照火災(zāi)報警控制系統(tǒng)的要求分為自動控制和手動控制，同時設(shè)置手動控制優(yōu)先。自動控制：一旦發(fā)現(xiàn)所測油罐的溫度值超過標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的報警溫度時，分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)把實時火災(zāi)報警數(shù)據(jù)發(fā)到火災(zāi)報警主機，報警主機收到繼電器動作監(jiān)視信號，通過邏輯判斷系統(tǒng)確認(rèn)為火警。手動控制：一旦有人員發(fā)現(xiàn)火情同時報警系統(tǒng)尚未啟動，可按下緊急手動報警按鈕，火災(zāi)報警主機收到按鈕報警信號，系統(tǒng)確認(rèn)為火災(zāi)，并立即進入火災(zāi)處理程序，報警主機隨后將向有關(guān)區(qū)域發(fā)出火災(zāi)聲光警報并顯示，同時聯(lián)動相應(yīng)的消火栓系統(tǒng)、自動泡沫-噴淋系統(tǒng)等，并將報警信號上傳至油庫管理所，以便及時組織人員疏散和搶險工作。

整個監(jiān)測系統(tǒng)由DTS控制單元、感溫探測光纜以及光纖連接器件等組成［5］，可與其他系統(tǒng)聯(lián)動共同構(gòu)成火災(zāi)報警控制系統(tǒng)，如圖1所示。

2.1 DTS控制單元

DTS控制單元通過工程師站在人機界面環(huán)境下由具有權(quán)限的人員調(diào)試編程完成，可根據(jù)需求自行設(shè)定區(qū)域長度及報警點，在PC機上實時顯示光纜的溫度軌跡，報警信號可突出顯示，包括光纜受損點實際位置的確定，也可根據(jù)需要改變區(qū)域設(shè)定及報警點位置［6］。同時，整個測溫系統(tǒng)可以通過繼電器輸出與其他控制系統(tǒng)互連并進行邏輯判斷，在消防應(yīng)用中可與火災(zāi)報警控制主機連接，提供信號進行聲光報警，信號輸出準(zhǔn)確、完整；DTS控制單元可直接輸出信號至各種數(shù)字顯示設(shè)備，如中心控制室投影儀、顯示器等，并可根據(jù)共享等級設(shè)定信息共享權(quán)限［7］。

圖1 火災(zāi)報警控制系統(tǒng)示意

2.2 感溫探測光纜

感溫探測光纜是整個系統(tǒng)的前端裝置，直接關(guān)系到DTS控制單元的判斷結(jié)果，可安裝于油罐外壁上，對每個分區(qū)的報警探測邏輯判斷可采用分區(qū)內(nèi)最大溫度（定溫）、分區(qū)內(nèi)溫升速率（差溫）、分區(qū)內(nèi)最大溫度與分區(qū)平均溫度之間差值（分區(qū)溫度均勻程度）三種方式的任意組合，保證實現(xiàn)早期和可靠的報警，防止發(fā)生陰燃。同時，考慮到油罐區(qū)的布置往往處于惡劣環(huán)境下，感溫探測光纜應(yīng)具備良好的抗嚙咬、抗震、抗腐蝕等特性，光纜應(yīng)具備堅固的護套（PVC阻燃材料），可提供良好的防護特性，同時也應(yīng)該提供良好的溫度傳導(dǎo)性能，以保證能快速地探測火災(zāi)。單通道最長探測距離為30 km，通道數(shù)可擴展到16個，定位精度可達±0.5 m，單通道最快響應(yīng)時間3.5 s，啟動預(yù)熱時間為即開即用。

整個系統(tǒng)光纜的衰減不得超過DTS控制單元的標(biāo)準(zhǔn)，其中2 km光纖上的最大衰減率不超過10 dB，每個接線盒不超過0.4 dB，每個熔接處不超過0.2 dB。

2.3 光纖連接器件

光纖連接器件作為連接感溫探測光纜與DTS控制單元的樞紐，將尾纖與探測光纜之間通過光纖熔接點連接，熔接點位于DTS控制單元旁的光纖連接盒內(nèi)。

3 現(xiàn)場設(shè)備布置

根據(jù)設(shè)計要求，該油罐區(qū)共有4座3×104m3外浮頂原油罐、5座3×104m3內(nèi)浮頂成品油罐，對其設(shè)置光纖火災(zāi)探測系統(tǒng)。其中3×104m3原油罐體半徑約為25 m，高度約為18 m，罐頂周長約為160 m，在浮頂罐的浮盤的密封圈處設(shè)置光纖感溫火災(zāi)探測器，加上2倍的垂直敷設(shè)長度，纏繞完一座3×104m3油罐所需的探測光纜約為196 m。按照以上數(shù)據(jù)計算，同時取有效冗余1.15倍，儲罐所需光纜為196×9×1.15＝2 028.6 m。

針對油罐的分布特點，按照溫度監(jiān)測的具體要求，該項目采用“一罐一機”模式進行設(shè)計，同時為增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用雙機熱備，可在系統(tǒng)故障時自動切換，共使用9臺光纖分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)對所需監(jiān)測油罐進行實時在線監(jiān)測。

1）每座罐體采用一個獨立傳感光纖監(jiān)測罐體，傳感光纖安裝在罐體浮盤上，二次密封圈外沿處。

2）罐內(nèi)浮盤上布設(shè)的光纖溫度傳感器引出的防靜電光纖通過在罐內(nèi)敷設(shè)口徑為DN25的防爆金屬軟管保護，防爆金屬軟管上端固定在罐頂人孔法蘭盤上，金屬軟管下端固定在罐內(nèi)浮盤上，固定方式采用不動火手段，防爆金屬軟管與罐體等電位連接。

3）考慮到浮頂罐罐頂位移的變化，為防止穿防爆金屬軟管的防靜電光纖由于拖動導(dǎo)致故障，其預(yù)留長度不小于罐外壁高度的0.5倍，并采用盤光纖裝置，將防靜電光纖控制在一定的位置區(qū)域。

4）罐內(nèi)浮盤上布設(shè)的光纖溫度傳感器引出的防靜電光纖在罐外敷設(shè)段穿口徑為DN25的防爆鍍鋅管沿罐外扶梯或罐壁引至地面已有的線槽，并與線槽內(nèi)布設(shè)的通信光纜通過防水型光纜接續(xù)盒連接、保護，彎頭部位采用防爆金屬軟管連接。

5）罐區(qū)內(nèi)各油罐浮頂布設(shè)的所有光纖溫度傳感器全部通過防靜電光纖引出并匯聚到通信光纜進行信號集合、傳輸?shù)奖O(jiān)控室。通信光纜采用直埋方式敷設(shè)，彎頭采用防爆金屬軟管連接。

6）通信光纜由罐區(qū)傳輸?shù)奖O(jiān)控室后，通過引出光纖跳線，即帶標(biāo)準(zhǔn)光纖連接頭的短距離光纖尾纖，連接到DTS主機對應(yīng)的探測通道接口。

7）在監(jiān)控室內(nèi)放置了9臺2通道型DTS分布式光纖測溫主機，實現(xiàn)對油罐現(xiàn)場布設(shè)的光纖溫度傳感器輸出溫度信號采集、溫升預(yù)警、過溫報警、故障檢測及信息管理操作，可通過開關(guān)報警接口與火災(zāi)報警控制系統(tǒng)相連接，實現(xiàn)火災(zāi)報警并在消防值班室顯示，并通過組態(tài)軟件的電子地圖在儀表操作室內(nèi)直觀顯示所有儲罐各感溫點的當(dāng)前溫度值、報警狀態(tài)和歷史溫度曲線，也可外接聲光報警器在儀表操作室給出報警信號。

4 結(jié)束語

分布式光纖測溫系統(tǒng)可實時在線探測光纜沿線每一點溫度值，并可判斷火災(zāi)的蔓延趨勢；可設(shè)置溫差、溫升速率等多種報警方式，可設(shè)多級預(yù)警，能在火災(zāi)發(fā)生前做到早期預(yù)警；可根據(jù)現(xiàn)場條件變化任意設(shè)定報警分區(qū)，且每個分區(qū)可設(shè)定不同的報警值；可耐受惡劣環(huán)境，抗電磁干擾同時也不會產(chǎn)生電磁輻射，探測光纜有效壽命30 a，克服了點式光纖光柵測溫系統(tǒng)存在的誤報率高、維護困難的問題，對今后油罐區(qū)的消防安全有借鑒意義。