基于光纖傳感技術監測大型儲罐運行狀態

袁朝慶，劉 彥，王志遠，王義熒，馬 良

（1.黑龍江省防災減災及防護工程重點實驗室，大慶 163318；2.東北石油大學土木建筑工程學院，大慶 163318）

大型儲罐安全運行的重要性和緊迫性較為突出，必須采取有效監控措施，及時地發現事故隱患和最大限度地減少災害造成的損失［1－4］。

光纖傳感器［5－7］特別是利用光纖采集和傳輸信號，做到現場無電檢測，安全防爆，特別適用于易燃易爆場所的計量、健康監測和管理。

筆者擬對正常使用狀態下的大型儲罐，利用FLUENT 軟件對其進出油時內部溫度場變化規律進行分析。對地震作用下的大型儲罐，利用ADINA 軟件研究其位移、加速度和應力變化規律。對大型儲罐的液位、溫度、壓力、應變等參數利用光纖傳感技術進行自動監測、顯示和報警，設計出大型儲油庫罐區的光纖監測系統。

1 大型儲罐內部溫度場仿真計算

以某油庫五萬方儲罐為例，建立二維仿真模型。儲罐的參數為：直徑D為60m，高度hg為19.35m，液位高度hW為17.86 m，儲油罐的罐壁平均厚度為20mm，罐頂板的厚度為5mm，罐底板的平均厚度為10mm，罐壁的保溫材料采用聚氨酯保溫材料，平均厚度取為50mm。罐頂、罐底無保溫材料。在FLUENT 前處理Gambit中建立二維模型，進行網格劃分，將土壤上方的儲罐設成Fluid流體區域，將儲罐下面的土壤設為Solid固體區域。在Fluent中進行邊界條件設置，將罐壁兩側設成對流換熱，對流換熱的傳熱系數為21.56 W／（m2·K），自由面的溫度是通過一個C＋＋語言程序來進行控制的，環境溫度函數為隨時間變化的周期函數。罐底與土壤之間設置成耦合，恒溫層厚度取到地下10 m深，兩側土壤設置成絕熱。

儲罐在進油或者出油的時候，液位的升降引起浮頂上升和下降，這個往復動態運動可借助于動網格來實現。原油的密度、粘度、粘度系數和導熱系數取值詳見文獻［8－9］，罐內原油的粘度系數為1.06kg／（m·s），其他參數見表1。儲油罐與大氣的對流換熱系數為，單位為W·m－2·K－1，v為平均風速。儲罐以0.0139m／s的速度通過進出油管（管中心距罐底0.7 m 高，管徑φ530mm×15mm）進出油，油溫為318K。

表1 材料物性參數的選取

給出兩個液位高度儲罐出油時的溫度場分布圖，如圖1～2所示（選取冬季最冷的天氣，外界大氣溫度245K）。液位高度值分別1／2液位高度值（8.93m），1／10液位高度值（1.87m）。

從圖1～2的溫度場分布中可以得出以下結論：

（1）土壤的溫度場呈現梯度分布，冬季儲罐左右兩側土壤的溫度低于儲罐下方的土壤溫度。土壤溫度由上往下依次降低，罐底1m 范圍內土壤的溫度場與儲罐中的油溫接近，達到300K 以上；罐底1～6m范圍內土壤的溫度在280～300K之間；罐底6～10m范圍內，土壤溫度接近恒溫層的溫度277.7K。

（2）儲罐中原油溫度場的分布情況為：罐頂處的原油溫度較低，罐底的原油溫度高于罐頂原油溫度，罐壁的原油溫度高于罐頂和罐底原油溫度，儲罐中央區溫度最高，始終在318K 高溫附近。罐頂是一層薄鋼板，沒有保溫層，直接與大氣進行熱交換，因而溫降較快。罐底雖然也沒有保溫層，但它下部與大地土壤接觸，相對熱量損失較小，所以罐底處溫降小于罐頂。罐壁設有較厚的保溫層，保溫效果良好，罐壁溫降相對緩慢，接近于原油溫度。儲罐中央區的溫度最高（即高溫區），基本上保持原油的溫度值318K。

圖1 不同液位儲罐（出油）溫度等值線

圖2 1／10液位儲罐（出油）溫度等值線局部放大

（3）儲罐的液位越高，高溫區范圍越大。隨著儲罐出油，原油液位降低，由于原油自身的溫降現象，高溫區范圍逐漸減小，并向下偏移，溫度逐漸降低，罐頂附近將出現凝油。

通過對浮頂罐進出油時溫度場分析，可以發現：浮頂處（沒有保溫層）由于與外界直接對流換熱，容易出現凝油。罐底（沒有保溫層）與大地土壤導熱，一般不會凝油。罐壁有保溫層，因此溫度散失很小，可以忽略。對大型浮頂罐溫度監測，應重點監測浮頂，建議在工程中為浮頂加設保溫層，防止凝油。

2 水平地震激勵下儲罐動響應仿真分析

仿真計算時，首先考慮靜力加載，在儲罐上施加豎向重力加速度－9.8m／s2，對罐體施加儲液重力荷載10s；然后輸入地震波10s，選用El－centro波，儲罐前10s為靜力作用，后10s為地震作用。地震波加速度峰值3.33m／s2，對應的時刻為12.14s。

立式儲罐x向位移峰值沿罐壁高度方向分布如圖3～4 所示。由圖3 可見靜力作用時，罐壁1.97m出現最大位移，此處為罐壁象足變化區；罐壁8.89米處出現位移次峰值，此處為儲液重心區。如圖4可見，地震作用下，儲罐的位移和有效應力均放大，在儲液重心區出現最大值，象足變化區出現次峰值，說明在地震作用下，液體產生動力響應，使位移和有效應力增大，儲液重心處響應大于象足變化區的響應，這與靜力作用截然不同。

圖4 地震作用下沿罐壁高度相對位移峰值分布

圖5給出了地震作用下沿罐壁高度加速度峰值分布圖，罐壁11.9m 處出現加速度最大值，此處為液固耦合作用區（儲液在此范圍內與固體的鋼罐壁產生相互耦合作用）。可以看出罐壁的加速度值沿罐壁高度方向有放大效應，在液體高度范圍內的罐壁加速度峰值逐漸增大，因為液固耦合作用在液固耦合區達到極值，然后逐漸減小。

圖5 地震作用下沿罐壁高度加速度峰值分布

經計算發現，地震作用下儲罐液固耦合區、液體重心區和象足變化區（罐壁高度11.9、8.89、1.97m處）有效應力分別放大1.69 倍、1.55 倍和1.31倍；地震作用下位移分別放大1.62倍、1.58倍和1.33倍；加速度峰值分別放大1.96倍、1.78倍和0.97倍?？紤]地震作用后，有效應力、位移和加速度放大效應明顯，說明地震作用引起的動力效應不容忽略。

3 基于光纖傳感技術監測大型儲罐運行狀態

根據1、2節的仿真結果，利用光纖傳感技術進行大型儲罐實時監測。對于大型儲罐內部，可監測其罐體的液位、溫度和壓力；對于外部，可監測其加速度、位移和應力，考慮監測的合理性和可操作性，布置應變傳感器監測應變，利用材料性質從而監測其應力變化。在儲罐的眾多參數測量中，不僅要保證系統具有高測量精度，而且要具有良好的本質安全性能，同時要保證功率與測量的遠距離傳輸。

液位、溫度等參數及超高報警、火災報警等實時監測，對于大型儲罐的管理具有十分重要的意義。系統采用光纖傳感技術，主要監測的參數范圍為：①儲罐液位監測精度：±2mm。②溫度監測精度：0.5 ℃。③應變監測精度：4.5με。④壓力監測精度：0.003 MPa。⑤高溫報警≥80℃。

3.1 單個大型浮頂罐光纖監測系統構成

建立一套合理的監測系統，同時在儲罐的不同位置進行布點，系統主要功能是能夠及時實現儲油罐的溫度、壓力、液位和應變監測，然后將監測數據反饋給油田企業中的相關人員，從而可以更好地監控油田的安全生產。單罐監控系統如圖6所示。

該監測系統構成如下：32 芯通訊電纜若干，光纖光柵解調分析儀，單芯鎧裝電纜若干，顯示監測所得到的溫度、應變、壓力以及液位的顯示器一臺。每個大型儲罐布置光纖溫度傳感器45個，光纖液位傳感器2個，光纖壓力傳感器5個，光纖應變傳感器38個，共90個。該系統安全防爆，測量結果準確，精度較高，響應的時間很快，實現了不帶電電檢測。

圖6 單罐監控系統流程

數據處理監控中心采用BG＿FBG＿8125 型16通道光纖光柵網絡分析儀，該光纖光柵分析儀精度高，分辨率高，儀器成本低。波長分辨率高達1pm，同時具有光譜分析的功能；動態范圍高達50dB，可消除線路損耗過大引起的測量誤差；波長范圍寬，可達1 525～1 565nm，每通道監測20個傳感器，掃描頻率為2Hz／通道，掃描5通道僅需0.1s。最多可同時監測320個傳感器，掃描時間為0.32s。

3.2 單個大型浮頂罐光纖監測點布置

結合第1、2節溫度場、應力等數值仿真結果，對儲罐進行合理地布置傳感器。

仿真的結果表明，進出油的不同時刻，儲罐浮頂附近的溫度波動最大，在罐底的溫度波動較大，高溫區主要集中在罐中央偏下處。罐中央的溫度比較高，出現凝油的幾率較低，此處布置的光纖傳感器的數量可以少一些；罐底附近的溫度相對罐中央附近的溫度偏低，此區域的布置光纖溫度傳感器數量要多一些，防止凝油現象的發生。罐頂附近的溫度是罐中溫度最低的區域，是罐中溫度監測中的危險區域，有可能出現凝油現象，因而是監測的重點，傳感器布置的數量要盡量多一些。罐壁有保溫層，溫度比較高，在罐體內部不需布置傳感器監測罐壁溫度。

儲罐的液位、壓力是隨著浮頂的升降而發生變化的，只需要沿著儲罐的浮頂來布置光纖傳感器，在浮頂的不同通道處分別將這些光纖傳感器所采集到得信息通過光纜傳到中央監控室，從而可以清楚地得知儲罐中每一時刻的液位、壓力值。由于在儲罐的入口和出口處有流體的流進、流出，在這兩個地方的壓力值變化明顯，因此在出口、入口的邊緣附近要布置上一定數量的壓力傳感器。

罐壁上液固耦合區、液體重心區和象足變化區的加速度、位移、應力變化明顯，考慮安裝方便，采用光纖光柵應變傳感器進行監測，同時監測罐壁溫度。這三個區域光纖傳感器要布置在儲罐罐壁鋼板外側，保溫層內部。

浮頂開口共有四個，其中量油管、導向管各一個，管徑為φ273mm×8mm；浮船入口兩個，孔徑為φ600mm×10mm。

傳感器的布置考慮到經濟、安全、可靠。為了優化傳感器的布置，可以選取兩個浮船入口進行光纖液位傳感器的布置，浮球直接放入儲液中，用以監測液位和液面晃動變化（特別是大風或是地震時），布點情況如圖7所示，共布置2個光纖液位傳感器。光纖液位傳感器通過1通道光纜連接到監控室。

圖7 光纖液位傳感器布置

在導向管內沿高度分別在17.86、8.93m 和罐底共布置3個光纖壓力傳感器，用來監測儲罐上、中、下三個部位的壓力；在出、入油管圓心中心線上距罐底0.4m 處和1.0m 各布置一個光纖壓力傳感器，用來監測進出油時進出油管附近的壓力變化。光纖壓力傳感器的數量一共5個，具體布置情況如圖8所示，將這些壓力傳感器采集的信息通過1通道光纜傳到監控室，最后通過監控室來處理所監測到得壓力值。

在浮頂上升和下降的過程中，隨著液位的不斷變化，儲罐中溫度隨之變化，對儲罐中不同高度和位置的溫度監測是重點內容之一，要合理地布置光纖溫度傳感器，通過最少量的光纖溫度傳感器來達到監測溫度的目的。

在1＃和2＃浮船入口的浮頂底板下各焊一段長1m 的鋼筋，用來布置加密的溫度傳感器，1＃浮船入口布置傳感器距浮頂底板分別為0，0.2，0.4，0.6，0.8，1m，2＃浮船入口布置傳感器距浮頂底板分別為0.05，0.1，0.3，0.5，0.7，0.9m，共12個光纖溫度傳感器，浮船入口光纖溫度傳感器布置如圖8所示。隨浮頂升降，監測距浮頂1 m 范圍內的溫度變化，此處溫度變化劇烈，散熱量最大，冬季易出現凝油。利用量油管和導向管布置一定數量光纖溫度傳感器，量油管中的光纖溫度傳感器用于監測距離罐底17.86，17，16，14，12，10，8，6，4，2，1，0.8，0.6，0.4，0.2，0 m 處的溫度值，在量油管中的光纖溫度傳感器的數量為16個。導向管中布置的光纖溫度傳感器用于監測距離罐底17.6，17.4，17.2，15，13，11，9，7，5，3，1.5，0.9，0.7，0.5，0.3，0.1m 處的溫度值，在導向管中的光纖溫度傳感器數量為16個。距罐底1m 高度范圍內溫度傳感器進行了加密，此范圍內溫度波動較大，是主要的散熱部位。儲罐內部共布置44個溫度傳感器監測溫度變化。在距離儲油罐20m 的地方布置一個光纖溫度傳感器，用于監測環境溫度，量油管和導向管中光纖溫度傳感器的布置如圖9所示。

圖8 光纖壓力傳感器和浮船入口光纖溫度傳感器布置

如圖9所示，取四分之一外罐壁，布置兩列光纖應變傳感器，同時監測管外壁溫度，一列光纖應變傳感器距罐底高度為0，1，1.8，2，2.5，3，5，7，8.5，8.9，9，9.2，11，11.5，11.9，13，15，17，17.5m；另一列光纖應變傳感器距罐底高度為0，0.5，1，1.5，2，2.2，4，6，8，8.9，9.5，10，11.9，12.2，12.5，13，14，16，17.86 m；距罐底1.97，8.89，11.9 m 的象足變化區、液體重心區和液固耦合去進行加密監測。共布置傳感器38 個，光纖應變傳感器布置如圖9所示。

系統安裝完成后可實現功能為：①在油罐發生火災前，溫度有異常波動時能及時報警。②能設置多級溫度報警和溫升速率報警并在線實時顯示溫度值，并經溫度值比較后顯示最高溫度及相應位置，可根據現場實際情況任意調整報警值。③系統能重復使用，誤報率低。④能和原有火災自動報警系統兼容。

圖9 罐壁光纖應變傳感器和量油管、導向管光纖溫度傳感器布置

對于正常運行的儲罐，其溫度、壓力、應變會在一定的范圍內波動，液位隨著浮頂的升降而升高和降低。如果溫度超過或低于正常極值5℃時即可設定報警，應變超過正常應變極值20με時設定應變報警，也可以根據實際運行情況設定報警界限。

4 結語

（1）通過對儲罐中溫度場變化規律進行分析，有利于光纖溫度傳感器的合理布置。

（2）通過對儲罐的靜力和動力分析，找到需進行重點監測的關鍵區域。

（3）結合溫度場、液位、壓力場、應力等數值仿真結果，對儲罐進行合理地布置光纖傳感器。

［1］郭金光.罐群參量分布式光纖檢測系統研究［D］.大慶：大慶石油學院，2006.

［2］李寶健，楊勝.石油儲罐區安全監測技術研究［J］.工業安全與環保，2008，34（10）：34－36.

［3］陳南.石化儲罐區泄露監測及消防監控系統應用設計［J］.石油化工消防，2004，23（1）：80－83.

［4］姜德生，祁耀斌.油罐區光纖安全監測系統設計與實現［J］.武漢理工大學學報，2001，23（11）：69－71.

［5］KYUNG－RAK SOHN，JOON－HWAN SHIM.Liquidlevel momitoring sensor systems using fiber Bragg grating embedded in cantilever［J］.Sensons and Actuators，2009，32（3）：249－251.

［6］冷建成，周國強，吳澤民，等.光纖傳感技術及其在管道監測中的應用［J］.無損檢測，2012，34（1）：61－65.

［7］張穎，張娟，郭玉靜，等.分布式光纖溫度傳感器的研究現狀及趨勢［J］.儀表技術與傳感器，2007，43（8）：1－3.

［8］諶飛翔.應用光纖傳感技術監測大型儲罐研究［D］.大慶：東北石油大學，2012.

［9］趙志明.大慶北油庫浮頂儲油罐非穩態傳熱問題的數值計算［D］.大慶：大慶石油學院，2009.