分布式光纖測溫系統及其在化工園區的應用

吳 碩 張汝山 涂勤昌 岳建寧

(1.萬華化學(寧波)有限公司，浙江 寧波 315000；2.浙江中欣動力測控技術有限公司，浙江 寧波 315000)

隨著我國經濟的高速發展，化工廠和化工園區不斷增加，已建和在建的省級大型化工園區已超過100個。化工生產又是公認的最具危險性的行業，化工園區內易燃易爆和有毒有害的危化品集中，安全生產形勢嚴峻[1,2]，其中首要的安全問題是火災爆炸，火災爆炸又容易引發化工原料泄漏以及水源和大氣污染。因此，對化工園區的火災監測是保證企業安全運行的關鍵。據統計，化工企業的火災大部分是明火源(如亂丟煙頭和違章動火)和電氣設備故障或過熱引發的[3]，前者可通過強化管理避免；后者則依賴各種感測設備，在火災發生之前做出準確預判，將災害控制在萌芽階段。溫度是電氣設備過熱以及化工氣化爐和流程管道監測的常用參量，因此溫度探測器的正確選型與應用對化工企業的安全生產尤顯關鍵。分布式光纖溫度測量系統(Distributed Temperature Sensing System，DTS)是一種新型的感溫火災探測器，可實現沿光纖分布的溫度實時測量，及時發現過熱點，防患于未然，具有分布式實時測量、精確定位、抗電磁干擾、本質安全及報警方式靈活等特點[4～6]。

筆者在介紹分布式光纖溫度測量原理、系統構成和特點的基礎上，指出實際應用中的選型依據。并介紹分布式光纖測溫系統在萬華化學(寧波)有限公司的工業園電纜橋架監測方面的實際應用。

1 分布式光纖測溫系統①

1.1 測量原理

DTS的溫度測量基于光纖自發拉曼(Raman)散射效應，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，產生極其微弱的背向散射光，散射光有3個波長，分別是瑞利(Rayleigh)、反斯托克斯(Anti-stokes)和斯托克斯(Stokes)光；其中Anti-stokes光對溫度敏感，為信號光；Stokes光對溫度不敏感，為參考光。從傳感光纖背向散射的信號光再次經過分光模塊分別得到溫度敏感的Anti-stokes信號光和溫度不敏感的Stokes參考光，并由高靈敏光電探測器(APD)接收，根據兩者的光強比值就可以計算出溫度。而位置的確定是基于光時域反射(Optical Time Domain Reflectometer，OTDR)技術，利用高速數據采集測量散射信號的回波時間，即可確定散射信號所對應的光纖位置。由于系統以Stokes光信號作為參考，因此溫度測量不受光源功率波動及光纖鏈路損耗等的影響[7]。

圖1 DTS測量原理示意圖

Stokes光強Ps(z)為：

(1)

式中aR——入射光波長下的光纖衰減系數，dB/km；

as——Stokes光波長下的光纖衰減系數，dB/km；

h——普朗克常數，6.626×10-34J·S；

kB——玻爾茲曼常數，1.3806505×10-23J/K；

ks——Stokes光的耦合效率；

P0——入射光的光強，mW；

T(z)——光纖某點位置z處的溫度，K；

ν——入射光的頻率，Hz；

z——光纖某點位置z與入射端之間的距離，km。

Anti-stokes光強PA(z)為：

(2)

式中aA——Anti-stokes光波長下的光纖衰減系數，dB/km；

kA——Anti-stokes光的耦合效率。

則傳感光纖沿線各點的溫度T(z)為：

(3)

1.2 系統構成及其特點

DTS一般包括測溫主機、探測光纜、用戶軟件、備用電源及服務器等。測溫主機是系統核心，直接影響測溫性能和應用效果。探測光纜既是溫度感測元件又是信號傳輸介質，既能快速響應外界溫度又具有較好的抗拉和抗壓強度。而且光纜一旦斷裂，即可精確定位和快速接續。

用戶軟件包括溫度顯示、火災預/報警、歷史數據查詢和統計及監測區域可視化等功能。

作為技術先進的新型探測器，DTS的特點為：分布式實時測量，可實現10km光纖沿線任一點的溫度測量，測量精度高、覆蓋面廣；精確定位事件異常位置，方便處置；抗電磁干擾，能在高電壓和強電磁環境下正常工作；傳感器本身不帶電工作，本質安全；傳感器安裝簡單，工作壽命長達15年，運、維成本低。

DTS系統與化工企業常用的幾種溫度探測器的對比見表1。

表1 DTS系統與化工企業常用溫度探測器的比較

2 選型依據

產品性能是DTS設備選型時首先要予以考慮的。DTS關鍵技術指標包括測量距離、測量時間、測溫精度、空間分辨率、采樣間隔、測溫范圍及測量通道等。這幾個技術指標相互關聯又相互制約，部分廠家的產品技術指標不詳細，甚至羅列不同條件下最好的指標誤導客戶。由于產品性能直接關系到應用效果，在此逐一進行簡要分析：

a. 測量距離。指單根光纖可監測的最大長度，與測溫主機位置到監測區域最遠端的距離有關(需考慮一定的光纜敷設余量)。測量距離越長則尾端溫度測量噪聲越大，容易誤報。一般宜選用2～4km的成熟型號。

b. 測量時間。指溫度測量數據更新所需的時間，測量時間越長測溫精度越高。針對火災預警應用，為及早發現隱患，測量時間宜在5～10s。

c. 測溫精度。與測量距離、測量時間和空間分辨率密切相關。DTS典型技術指標——4km末端、10s測量時間、2～3m空間分辨率下的測溫精度小于±1℃。

d. 空間分辨率。真實反映外界熱點溫度的最短受熱光纖長度，為DTS最核心的技術指標。當受熱長度小于空間分辨率時，DTS測得溫度將小于實際溫度，可能造成漏報。《線型光纖感溫火災探測器》GB/T 21197-2007規定，DTS產品的空間分辨率(感溫長度)必須不大于3m，國內大部分DTS產品的空間分辨率指標為2～3m。對于電纜過熱點的監測，宜選用空間分辨率為0.5～1.0m的型號。

e. 采樣間隔。相鄰兩點溫度數據的空間距離。采樣間隔和事件定位精度有關，并且其數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. 測溫范圍。與探測光纜的結構和材料有關。一般監測選用常規光纖和低煙無鹵LSZH護套，測溫范圍-20～+85℃；氣化爐表面熱點監測需選用耐高溫光纖和金屬護套，測溫范圍-40～+300℃。

g. 測量通道。指DTS可以連接的光纜根數，為輪詢工作方式。通道數越多，可覆蓋的監測區域越廣，總的測量時間也越長。一般情況下，宜選用四通道設備。

分布式光纖測溫系統的選型應考慮應用環境的特殊性，對于化工企業，產品可靠性要求高，產品應取得消防型式檢驗報告、電磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility，EMC)測試報告及防爆認證等資質。

3 實際應用

萬華化學(寧波)有限公司的工業園占地約3 000畝，是以MDI產品生產制造為核心的石化產業園區。園區內敷設了數量眾多的各種動力電纜和控制電纜，橋架林立。電纜長期大負荷運行后都會產生一定的熱量(尤其是電纜接頭或者破損處)，一旦熱量聚集就會發生火災，很難及時發現和撲救，造成不可估量的損失。為保障園區安全生產，該公司采購了兩套DTS設備分別用于302Q和307Q變電所電纜溝和電纜橋架的溫度監測。

3.1 系統設計

DTS作為一種分布式測溫設備，所測溫度是最小感溫長度(空間分辨率)內的溫度平均值。國內大部分DTS產品的空間分辨率為2～3m，考慮到電纜過熱點區域比較小，此時DTS所測溫度將低于熱點溫度。為準確判斷電纜過熱點的異常事件，宜選用空間分辨率為0.5～1.0m的DTS設備。經調研與對比后，公司選用NTR-4000型DTS設備，其主要技術指標為：測量距離4km、測量時間5s、空間分辨率1m、測量精度小于±1℃(4km末端、5s測量時間、1m空間分辨率)、采樣間隔0.5m、測溫范圍-20～+85℃、四通道測量。

如圖2所示，DTS測溫主機分別置于302Q和307Q變電所，通過局域網傳輸至監控室集中監控。探測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，關鍵部位采用塑料扎帶將探測光纜與電纜固定在一起。DTS設備具有靈活的報警方式，一旦發現測量溫度值、溫升速率或溫度尖峰超過設定閾值，系統自動報警，并將報警信號送到監控室，便于值班員處理。

圖2 DTS測溫系統

3.2 測溫光纜敷設方式

測溫光纜選用螺旋鋼管鎧裝光纜，抗拉、抗壓強度高，防嚙咬，并且彎曲靈活，適合橋架監測應用。作為溫度感測元件需要與待測電纜緊密接觸。在該化工園區的電纜溝和橋架上，電纜數量多且堆疊密集。如圖3所示，普通動力電纜發熱量較小，每層橋架/支架用兩根或4根測溫光纜線形敷設于電纜表面，條件允許時測溫光纜盡可能分散于電纜束內；對于10kV電纜，采用一根或兩根測溫光纜，S形敷設于電纜表面。

圖3 測溫光纜敷設形式

3.3 監測數據

萬華化工園區758和759南邊電纜橋架的溫度監測數據如圖4所示，上面的曲線是2014年5月1日0點的溫度分布數據，電纜橋架的溫度分布并不均勻，熱的地方會超出周圍5℃以上，需要在實際運行中重點關注；下面的曲線為橋架某一點從0點～12點的歷史溫度變化趨勢，7點之前溫度略微下降，7點之后緩慢上升，主要是與環境溫度上升有關。從近半年的連續運行情況可以看出，測溫設備運行穩定、溫度測量準確，為萬華化工園區電纜橋架的日常巡檢提供了極大便利。

3.4 用戶軟件

用戶軟件可以實現溫度曲線顯示、圖形化可視界面、報警狀態、溫度數據和報警信息的查詢、統計及分析等功能。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應，并用顏色顯示溫度高低，簡潔、形象、直觀。

圖4 電纜橋架溫度監測曲線

圖5 用戶軟件圖形化可視界面

4 結束語

化工園區作為一個危化品集中的場所，需要不斷提升安全在線監測水平。分布式光纖測溫系統是一種新型的感溫火災探測器，可實現沿光纖分布的溫度實時測量，及時發現過熱點，測量穩定可靠、技術優勢明顯。萬華化學(寧波)有限公司工業園區的成功應用案例表明，分布式光纖測溫系統非常適合化工園區電纜溝和橋架的在線監測，有必要進一步推廣至園區其他關鍵區域，用先進的科技手段保障園區安全生產運營，創建和諧、安全、高效的化工園區。