基于分布式光纖測溫系統的油罐監測技術研究

廖鑫羽

（長江大學地球科學學院，湖北武漢430100）

火災事故大部分是由于溫度過高引起的，石油石化行業中油罐區作為重大的工業危險源，大型儲油罐溫度過高會導致油品揮發、火災甚至發生爆炸，造成重大人員傷亡和財產損失。目前，常用的油罐火災自動報警系統的報警數據來源于光纖光柵測溫系統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。在此基礎上，應用分布式光纖測溫系統DTS（distributed temperature sensor）能夠在火災陰燃（產生少量的煙霧和熱量）時進行溫度監測，發出預警［2］，使現場操作人員具有充分的時間采取相應的措施，避免發生事故或引起火災，同時也能有效提升企業安全管理自動化水平。分布式光纖測溫系統和光纖光柵測溫系統對比見表1所列。

表1 分布式光纖測溫系統和光纖光柵測溫系統對比

1 系統原理

分布式光纖測溫系統的主要工作依據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［3-4］。

OTDR原理主要用于光纖定位，可實現對油罐內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。

后向拉曼散射效應是指當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，將該信號通過數字信號處理系統（DSP）進行信息處理，可提供有關儲罐的溫度場分布信息，輸出整條光纖上的溫度分布圖。

2 總體設計

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

設備的布置必須結合油罐的結構特點，從全面覆蓋、安裝便利方面通盤考慮，整個控制系統按照火災報警控制系統的要求分為自動控制和手動控制，同時設置手動控制優先。自動控制：一旦發現所測油罐的溫度值超過標準設定的報警溫度時，分布式光纖溫度監測系統把實時火災報警數據發到火災報警主機，報警主機收到繼電器動作監視信號，通過邏輯判斷系統確認為火警。手動控制：一旦有人員發現火情同時報警系統尚未啟動，可按下緊急手動報警按鈕，火災報警主機收到按鈕報警信號，系統確認為火災，并立即進入火災處理程序，報警主機隨后將向有關區域發出火災聲光警報并顯示，同時聯動相應的消火栓系統、自動泡沫-噴淋系統等，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。

整個監測系統由DTS控制單元、感溫探測光纜以及光纖連接器件等組成［5］，可與其他系統聯動共同構成火災報警控制系統，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境下由具有權限的人員調試編程完成，可根據需求自行設定區域長度及報警點，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，也可根據需要改變區域設定及報警點位置［6］。同時，整個測溫系統可以通過繼電器輸出與其他控制系統互連并進行邏輯判斷，在消防應用中可與火災報警控制主機連接，提供信號進行聲光報警，信號輸出準確、完整；DTS控制單元可直接輸出信號至各種數字顯示設備，如中心控制室投影儀、顯示器等，并可根據共享等級設定信息共享權限［7］。

圖1 火災報警控制系統示意

2.2 感溫探測光纜

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

整個系統光纜的衰減不得超過DTS控制單元的標準，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。

3 現場設備布置

根據設計要求，該油罐區共有4座3×104m3外浮頂原油罐、5座3×104m3內浮頂成品油罐，對其設置光纖火災探測系統。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置光纖感溫火災探測器，加上2倍的垂直敷設長度，纏繞完一座3×104m3油罐所需的探測光纜約為196 m。按照以上數據計算，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，按照溫度監測的具體要求，該項目采用“一罐一機”模式進行設計，同時為增加系統的穩定性，采用雙機熱備，可在系統故障時自動切換，共使用9臺光纖分布式溫度監測系統對所需監測油罐進行實時在線監測。

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

2）罐內浮盤上布設的光纖溫度傳感器引出的防靜電光纖通過在罐內敷設口徑為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致故障，其預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域。

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

5）罐區內各油罐浮頂布設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、傳輸到監控室。通信光纜采用直埋方式敷設，彎頭采用防爆金屬軟管連接。

6）通信光纜由罐區傳輸到監控室后，通過引出光纖跳線，即帶標準光纖連接頭的短距離光纖尾纖，連接到DTS主機對應的探測通道接口。

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

4 結束語

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