董欣欣 田逢時(shí)

摘要：文章主要研究了超大型油罐火災(zāi)定點(diǎn)報(bào)警的方法，分析了現(xiàn)階段存在的三種油罐火災(zāi)報(bào)警方式，明確了各自報(bào)警方式的優(yōu)缺點(diǎn)，隨后針對(duì)現(xiàn)有報(bào)警技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)了基于光纖光柵技術(shù)的新型油罐火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括：傳感探測(cè)器平臺(tái)、數(shù)據(jù)分析平臺(tái)和聯(lián)動(dòng)控制平臺(tái)。通過實(shí)時(shí)探測(cè)分析，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)初期火災(zāi)預(yù)警和定點(diǎn)報(bào)警的目的，從而提高石化罐區(qū)的監(jiān)測(cè)水平。因此，推廣基于光纖光柵的火災(zāi)報(bào)警方式及構(gòu)建相應(yīng)的分區(qū)動(dòng)態(tài)火災(zāi)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，對(duì)于超大型儲(chǔ)油罐區(qū)火災(zāi)防治具有重要意義。

關(guān)鍵詞：超大型油罐;火災(zāi)報(bào)警;光纖光柵

近年來，能源需求量不斷增長(zhǎng)，石油已經(jīng)成為當(dāng)今世界的主要能源之一，世界各國(guó)都在穩(wěn)步推進(jìn)石油儲(chǔ)備戰(zhàn)略和國(guó)家原油戰(zhàn)略儲(chǔ)備庫(kù)建設(shè)。目前，大型油罐的數(shù)量逐年增加，容量逐漸增大，已經(jīng)成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。超大型儲(chǔ)油罐區(qū)（一般認(rèn)為容積≥10×104 m3為超大型油罐）是國(guó)內(nèi)外均十分關(guān)注的重點(diǎn)火災(zāi)防范區(qū)域，一旦發(fā)生火災(zāi)，往往撲救十分困難，如果火勢(shì)發(fā)展，可能造成整個(gè)儲(chǔ)油罐區(qū)停工停產(chǎn)，以及重大財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。若采用半固定式滅火系統(tǒng)，則需要配備較多消防車輛及裝備，增大滅火操作難度，因此，在火災(zāi)突然發(fā)生時(shí)，固定消防設(shè)施具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。

火災(zāi)報(bào)警與滅火應(yīng)是油罐火災(zāi)首要解決的問題。提高油罐火災(zāi)報(bào)警的準(zhǔn)確性、滅火設(shè)施的響應(yīng)時(shí)間和滅火效率，是預(yù)防火災(zāi)迅速蔓延的有效途徑之一。大型儲(chǔ)油罐消防系統(tǒng)是安全的最后一道防線，因此，設(shè)計(jì)和使用單位不惜投入大量物力、財(cái)力提升儲(chǔ)油罐區(qū)消防系統(tǒng)的可靠性。

利用火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，可在火災(zāi)的初起階段判斷火災(zāi)的發(fā)生及其規(guī)模，第一時(shí)間啟動(dòng)固定滅火設(shè)施進(jìn)行撲救。超大型油罐火災(zāi)定點(diǎn)報(bào)警技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，就要選擇一種可以對(duì)超大型浮頂油罐環(huán)狀密封圈區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且可以第一時(shí)間對(duì)起火位置進(jìn)行準(zhǔn)確報(bào)警的技術(shù)與設(shè)備。只有報(bào)警系統(tǒng)以最快速度響應(yīng)，滅火系統(tǒng)才能根據(jù)報(bào)警信息動(dòng)作滅火。如果報(bào)警設(shè)備反應(yīng)遲緩或定位不準(zhǔn)確，導(dǎo)致火勢(shì)發(fā)展，火災(zāi)一般已經(jīng)發(fā)展到穩(wěn)定燃燒階段，溫度達(dá)到最大值，此時(shí)消防隊(duì)到場(chǎng)也只能做好長(zhǎng)時(shí)間作戰(zhàn)的準(zhǔn)備。

一般來說，火災(zāi)發(fā)生初期階段特征較為明顯。燃燒是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)過程，這一階段最顯著的特征是釋放能量從而使環(huán)境溫度持續(xù)上升。因此，超大型油罐密封圈周圍的環(huán)境溫度可以作為火災(zāi)檢測(cè)的重要對(duì)象。石油庫(kù)普遍采用溫度檢測(cè)的方法進(jìn)行火災(zāi)預(yù)警，即一旦火災(zāi)探測(cè)器探頭的安裝位置達(dá)到溫度設(shè)定值，火災(zāi)探測(cè)器就會(huì)向控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，控制系統(tǒng)對(duì)火災(zāi)信號(hào)進(jìn)行處理后，發(fā)出聲光報(bào)警，經(jīng)過一定時(shí)間（一般為30 s，為了防止誤報(bào)），自動(dòng)或經(jīng)過人工確認(rèn)后啟動(dòng)泡沫滅火系統(tǒng)，對(duì)著火油罐進(jìn)行泡沫覆蓋。

一? 常見火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的發(fā)展

（一）傳統(tǒng)的溫度傳感技術(shù)

以前大型儲(chǔ)油罐并沒有專門的火災(zāi)自動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)，一般只能選擇線性感溫電纜等電信號(hào)的傳感器，如果引入電信號(hào)，就需要采取嚴(yán)格的安全措施。為了能檢測(cè)到初期火災(zāi)發(fā)生，往往需要將線性感溫電纜安裝在密封圈附近，但是密封圈附近屬于爆炸危險(xiǎn)性極高的區(qū)域，因此不可避免地會(huì)帶來一定的安全問題。

另外，在檢測(cè)的溫度值上，只能檢測(cè)傳感器設(shè)定的某一個(gè)值，而傳感器的這個(gè)值一旦設(shè)定就不能改，所以只能當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)才會(huì)報(bào)警，而在這之前溫度升高的信息是檢測(cè)不到的，因此只能等發(fā)生火災(zāi)的地方燒到這些裝有傳感器的點(diǎn)時(shí)才能被檢測(cè)到，所以用這種方式來檢測(cè)溫度只能是發(fā)生了火災(zāi)之后才能報(bào)警，而且報(bào)警時(shí)已經(jīng)造成了很大的損失。根據(jù)應(yīng)用情況，該類系統(tǒng)在投入實(shí)際使用后可靠性低，效果不太理想，且受環(huán)境影響較大，誤報(bào)率很高。

（二）光纖拉曼傳感技術(shù)

20世紀(jì)80 年代，隨著光纖拉曼溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的出現(xiàn)，溫度測(cè)量方式進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代。使用分布式光纖進(jìn)行溫度測(cè)量的優(yōu)勢(shì)明顯。以光纖拉曼技術(shù)制作的分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)在技術(shù)比較成熟：可顯示溫度的傳播方向、速度和受熱面積;可實(shí)時(shí)顯示溫度報(bào)警或故障區(qū)域;計(jì)算機(jī)可提前錄入報(bào)警區(qū)域的平面結(jié)構(gòu)圖和光纜布線圖。

分布式光纖拉曼溫度在線監(jiān)控系統(tǒng)是利用光纖中傳輸光波，產(chǎn)生反向散射實(shí)現(xiàn)的：激光脈沖在光纖中傳輸時(shí)，會(huì)不斷產(chǎn)生反向散射光波，其中光纖散射點(diǎn)溫度的變化會(huì)影響反向散射光的狀態(tài)。通過技術(shù)手段處理后，將狀態(tài)改變后的反向散射光波送入信號(hào)系統(tǒng)便可實(shí)時(shí)顯示溫度信號(hào)。光波在光纖中傳輸?shù)乃俣群捅诚蚬饣夭ǖ臅r(shí)間可以對(duì)信息進(jìn)行具體定位。上述工作原理如圖1所示。

然而，隨著光纖拉曼溫度傳感系統(tǒng)的應(yīng)用，其劣勢(shì)逐漸暴露出來：由于系統(tǒng)測(cè)量的是微弱的反射模擬信號(hào)，當(dāng)光源起伏等情況出現(xiàn)時(shí)，容易受到干擾。另外，因其響應(yīng)時(shí)間和測(cè)量精度相互制約，不能同時(shí)達(dá)到響應(yīng)時(shí)間短和測(cè)量精度高的要求。同時(shí)，由于國(guó)外的技術(shù)壟斷等因素限制，導(dǎo)致系統(tǒng)價(jià)格偏高，應(yīng)用率較低。因此，光纖拉曼傳感技術(shù)傳感器并未在我國(guó)罐區(qū)獲得大規(guī)模應(yīng)用。

（三）光纖光柵傳感技術(shù)

光纖光柵傳感器可以通過某種裝置將被測(cè)量的物理量變化進(jìn)行有效轉(zhuǎn)化。光纖光柵上的溫度變化會(huì)引起布拉格中心波長(zhǎng)的變化，通過建立并標(biāo)定光纖光柵中心波長(zhǎng)的變化與被測(cè)量的關(guān)系，就可以計(jì)算出被測(cè)量的值，進(jìn)而可以判斷出被檢測(cè)物體的安全狀況。

光纖光柵傳感技術(shù)是20世紀(jì)90年代研發(fā)的新一代傳感技術(shù)，測(cè)量精度高、使用壽命長(zhǎng)，使用光波信號(hào)進(jìn)行傳輸，連接傳輸損耗大大降低。當(dāng)光源功率起伏時(shí)，測(cè)量信號(hào)幾乎不受影響，即使環(huán)境溫度超過200 ℃，光纖光柵傳感器仍具有測(cè)溫能力，穩(wěn)定性優(yōu)異。因此，光纖光柵傳感技術(shù)在國(guó)內(nèi)外獲得了廣泛認(rèn)可，發(fā)展較為迅速。但是，當(dāng)多個(gè)光柵復(fù)用進(jìn)行分布式測(cè)量時(shí)，由于光源帶寬的限制，光纖光柵復(fù)用數(shù)量一般不能超過30個(gè)，而石油化工火災(zāi)需要數(shù)百個(gè)探測(cè)點(diǎn)。同時(shí)，由于國(guó)外技術(shù)壟斷，光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)的核心技術(shù)始終無(wú)法突破。近年來，該傳感技術(shù)獲得突破，從而使其大量應(yīng)用于石油化工火災(zāi)預(yù)警（如圖2所示）。

要進(jìn)行超大型油罐火災(zāi)的定點(diǎn)報(bào)警，需要有配套的設(shè)備將報(bào)警信號(hào)進(jìn)行處理后反應(yīng)出來，這就是光纖光柵感溫火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)。它的報(bào)警溫度是在控制軟件里設(shè)定的，可利用設(shè)置溫度報(bào)警來進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確顯示任何點(diǎn)溫度的狀態(tài)，在火災(zāi)發(fā)生初期進(jìn)行早期預(yù)警。一旦有事故發(fā)生，控制軟件就可以準(zhǔn)確及時(shí)判斷溫度變化的類型，顯示事故點(diǎn)溫度讀數(shù)及位置。結(jié)合光纖光柵報(bào)警器的特征，本文設(shè)計(jì)了一種基于光柵光纖技術(shù)的大型罐區(qū)報(bào)警系統(tǒng)，報(bào)警系統(tǒng)的整個(gè)系統(tǒng)框架如圖3所示。

整個(gè)光纖光柵火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)可分為三個(gè)層面：?jiǎn)误w光纖光柵火災(zāi)報(bào)警器、綜合信號(hào)處理系統(tǒng)和報(bào)警系統(tǒng)。在正常工作下，大型儲(chǔ)罐上光纖光柵火災(zāi)報(bào)警器會(huì)向綜合處理系統(tǒng)傳回電壓信號(hào)，處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)分析，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生后，處理系統(tǒng)根據(jù)電壓信號(hào)的異常即可進(jìn)行判定，同時(shí)結(jié)合視頻數(shù)據(jù)，進(jìn)行確認(rèn)。確認(rèn)火災(zāi)發(fā)生后，系統(tǒng)可控制儲(chǔ)罐上的消防設(shè)施，進(jìn)行相應(yīng)滅火。整個(gè)平臺(tái)系統(tǒng)能耗較低，可靠性高，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)對(duì)罐區(qū)內(nèi)儲(chǔ)罐進(jìn)行探測(cè)。在實(shí)際應(yīng)用中，可與視頻系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)用，最終人員確定災(zāi)情后，啟動(dòng)相應(yīng)滅火設(shè)施，可有效避免誤報(bào)。

在《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50160-2018）中規(guī)定，大于或等于3×104 m3的浮頂罐應(yīng)采用火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。這是因?yàn)楦№敼蕹跗诨馂?zāi)規(guī)模往往較小，尤其是浮盤處于較低液面時(shí)，發(fā)生火災(zāi)一般難以在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)，因此要求設(shè)置火災(zāi)自動(dòng)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。對(duì)于超大型油罐，若火災(zāi)不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)和撲滅，則火災(zāi)蔓延將造成巨大損失，所以使用先進(jìn)技術(shù)盡早探知火災(zāi)并在初期將火撲滅是防災(zāi)減災(zāi)的有效方法。因此近年來光纖光柵火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)已逐步取代傳統(tǒng)方式在大型儲(chǔ)油罐上得到大量推廣應(yīng)用。

二? 光纖光柵傳感技術(shù)在超大型油罐火災(zāi)探測(cè)中的優(yōu)勢(shì)

光纖光柵傳感技術(shù)同其他傳感技術(shù)相比，具有明顯優(yōu)勢(shì)：

（1）在一根光纖上，可以串接復(fù)用多個(gè)相同或不同類型的傳感器，系統(tǒng)集成化程度較高;

（2）傳感參量檢測(cè)及傳輸均為光信號(hào)，不受電磁干擾及核輻射的影響;

（3）不受光強(qiáng)波動(dòng)及傳輸光纖彎曲損耗等因素的影響;

（4）測(cè)量精度和分辨率高于其他光纖傳感技術(shù);

（5）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可長(zhǎng)期在惡劣環(huán)境中使用;

（6）體積小，重量輕，安裝和使用便捷;

（7）傳感器工作穩(wěn)定性優(yōu)于其他同類產(chǎn)品。

同時(shí)，光纖光柵傳感器具有自愈合功能。在正常工作時(shí)，只需將傳感串接鏈的一端接入信號(hào)處理系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)所有信號(hào)的同時(shí)檢測(cè)。一旦意外情況損壞了傳感器串接鏈，則可以將傳感鏈的兩端同時(shí)接入信號(hào)處理系統(tǒng)。此時(shí)，左右兩側(cè)分布的傳感器以斷點(diǎn)為界，分別通過串接鏈的首端和尾端連接到信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了自愈合。

在石化行業(yè)，浮頂油罐的浮盤上方存在大量的揮發(fā)性油蒸氣，屬于易燃易爆性氣體環(huán)境區(qū)，對(duì)電氣火花等明火非常敏感。因此，測(cè)量元件的本質(zhì)安全性十分重要。大型油罐初期火災(zāi)規(guī)模較小，在低液面時(shí)更不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)，使用先進(jìn)技術(shù)盡早探知火災(zāi)并在初期將火撲滅是防災(zāi)減災(zāi)的有效方法。

光纖光柵感溫火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)基于新一代傳感技術(shù)，與其他技術(shù)相比，具有本質(zhì)安全、運(yùn)行穩(wěn)定等諸多特性，能夠勝任石化危險(xiǎn)環(huán)境的火災(zāi)探測(cè)任務(wù)。傳統(tǒng)測(cè)溫系統(tǒng)和光纖溫度在線監(jiān)控系統(tǒng)的比較見表1。

由表1可以看出，光纖光柵感溫火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)使用電信號(hào)進(jìn)行火災(zāi)探測(cè)的弊端，具有本質(zhì)防爆、抗電磁干擾、測(cè)量精度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合在儲(chǔ)油罐區(qū)等復(fù)雜惡劣環(huán)境中的應(yīng)用。

三? 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，相比于其他兩類傳感探測(cè)器，光纖光柵感溫火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)具有本質(zhì)防爆、抗電磁干擾、測(cè)量精度高、抗腐蝕、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)電信號(hào)火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)的弊端，非常適合于石油化工企業(yè)中油罐區(qū)等惡劣環(huán)境中的應(yīng)用。同時(shí)本文提出了基于光纖光柵感溫技術(shù)的罐區(qū)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，可對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。因此，本文建議在未來儲(chǔ)罐區(qū)探測(cè)器布置方面，優(yōu)先使用光纖光柵感溫火災(zāi)探測(cè)技術(shù)，保障我國(guó)油品的儲(chǔ)運(yùn)安全。應(yīng)用光纖光柵傳感技術(shù)作為超大型油罐火災(zāi)定點(diǎn)報(bào)警和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的工具，該技術(shù)所采用的分區(qū)監(jiān)測(cè)預(yù)警方式，適合與罐區(qū)內(nèi)視頻系統(tǒng)、分區(qū)滅火消防系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和撲救超大型油罐初期火災(zāi)。

參考文獻(xiàn)：

[1]武銅柱.大型立式油罐發(fā)展綜述[J].石油化工設(shè)備技術(shù)， 2004， 25 （3） ： 56-59.

[2]王振國(guó).浮頂式原油儲(chǔ)罐泡沫儲(chǔ)備量的計(jì)算[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)， 2008（01）： 5，51-54，63.

[3]谷平，葛曉霞.火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警與PLC自動(dòng)控制相結(jié)合在油庫(kù)消防系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].石油工程建設(shè)， 2007（04）： 1-4.

[4] A Morgan. New fire detection concepts with fiber optics technology[J].Fire Safety Engineering，2000（04）.

[5]高雪清.光纖光柵感溫火災(zāi)探測(cè)方法的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

[6]馮王碧，周次明.光纖光柵感溫火災(zāi)探測(cè)技術(shù)研究和應(yīng)用[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2007， 26（2）：174-177.

[7]張虎城.光纖Bragg光柵調(diào)諧特性的研究[J].軍事通信技術(shù)， 2004（3）：33-35.

[8]祁耀斌.基于光纖傳感的危險(xiǎn)環(huán)境安全監(jiān)測(cè)方法和關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].武漢： 武漢理工大學(xué)，2009.

[9]湯健.淺談分布式光纖感溫線預(yù)警系統(tǒng)新技術(shù)在變電站中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古石油化工， 2005（7）：10-12.

[10]彭金城.分布式光纖感溫故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在封閉式開關(guān)柜的應(yīng)用[J].大眾用電， 2011（2）： 5-6.

[11]褚佩華.光纖光柵火災(zāi)自動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)在石油化工企業(yè)中的應(yīng)用[J].石油化工自動(dòng)化， 2006（06）：21-22.

[12]Explosion of solvent vapor in a ring partition of the floating roof[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2008（21）：642-645.

基金項(xiàng)目：

中國(guó)人民警察大學(xué)校級(jí)科研重點(diǎn)專項(xiàng)課題（ZDZX202005）