分布式光纖測溫系統試驗研究及在原油儲罐中的應用

馬開良，湯 劍，管孝瑞，張玉平

(1.中國石化青島安全工程研究院化學品安全控制國家重點實驗室,山東青島 2660712.徐州實華管道特種作業有限公司，江蘇徐州 221008)

0 前言

密封圈火災作為原油儲罐最常見事故，若不能在源頭遏制，易引發更大的危險事故。國內大型原油儲罐已發生了多起因雷擊造成的密封圈燃爆事故[1]。GB50160-2018《石油化工企業設計防火規范》規定：單罐容積大于或等于30 000 m3的浮頂罐密封圈處應設置火災自動報警系統；單罐容積大于或等于10 000 m3并小于30 000 m3的浮頂罐密封圈處宜設置火災自動報警系統。

目前在浮頂罐的密封圈處推薦設置光纖光柵感溫火災探測器，該類型的線型感溫火災探測器目前在石油化工企業已大面積應用[2，3]，但存在以下不足。

a)溫度傳感器串接而成，熔接點受熱脹冷縮以及浸水影響，可靠性差，容易造成傳感器斷纖故障，甚至全部監測區域缺失。

b)受傳感器設計和封裝工藝限制，溫度傳感器會出現漂移，需要定期重新標定傳感器，運行維護工作量大。

c)點式準分布測量，只能測量傳感器安裝位置及附近的溫度，存在測量盲區。

本文基于分布式光纖傳感技術，研發了一種新型的密封圈火災探測裝置，具有不受電磁干擾、耐腐蝕、系統鋪設簡單方便等優勢，并進行現場應用。

1 分布式測溫系統開發

1.1 光纖分布式測溫原理

光在光纖中傳輸時，產生輻射散射現象，主要有瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射[4]，如圖1所示。具體差異如下[5]。

圖1 光傳輸產生的輻射散射類型

a)布里淵散射的分布式光纖測溫系統的優勢為閾值功率低，使得測溫系統測溫距離明顯提升，但其頻移較小，對脈沖激光器的穩定性要求極高，而且需利用高工藝的波分復用器來減小瑞利散射的干擾，所以其在成本和技術方面存在一定的劣勢。

b)瑞利散射的分布式光纖測溫系統分辨率低。瑞利的散射系數對溫度的敏感度較低，使得很難得到準確的溫度值，后處理需要進行大量優化方式去噪，增加了系統的響應時間[6]。

c)拉曼散射產生的斯托克斯光和反斯托克斯光對溫度相當敏感；拉曼型測溫系統對各部件工藝要求低；施工量與布里淵散射系統差異較小，其成本較低，適合大規模、遠距離的溫度監控。

基于以上分析，結合外浮頂儲罐實際運行工況，選擇拉曼散射的分布式光纖測溫系統進行密封圈火災監測。利用光纖中拉曼散射光信號對溫度的敏感特性，實現對溫度變化的精確測量。

1.2 分布式測溫系統組成

拉曼散射的分布式光纖測溫系統主要包含激光器(Laser)、光電轉換器(APD)及放大電路、波分復用器(WDM)、AD高速采集卡、X86主板、電源等組成，系統框圖如圖2所示。

圖2 系統框架

本系統采用經典的拉曼散射原理進行設計，采用傳統的X86架構系統集成。選用中心波長為1 550 nm脈沖激光，62.5/125 μm的多模光纖作為傳感單元。

1.3 系統參數確定

系統參數目標見表1。

表1 拉曼散射分布式光纖測溫系統參數

1.4 分布式測溫系統選型

a)電源模塊。激光器和光開關、采集卡、LCD需要5 V供電，獨立5V模塊，X86主板控制器需要12 V供電，APD需要5 V、-5 V，采用兩路模塊獨立提供，且這些電源模塊均帶有緩啟動功能，抑制沖擊電流。

b)X86主板。滿足接口、性能、功耗、尺寸等要求，主板整體進行不銹鋼外殼包裹，增加主板的散熱效果。

c)APD。采用溫控APD模塊，固定偏壓。

d)脈沖激光器。選用中心波長為1 550 nm脈沖激光，激光功率為210。

1.5 系統功能

本系統具有用戶權限、采集、實時數據顯示、通道切換、通道參數設置、原始曲線顯示、原始數據抓取、數據存儲、數據上傳、系統標定、光纜斷裂判斷、系統受激自動判斷、系統自檢、可遠程控制等功能。

2 分布式測溫系統試驗研究

2.1 發熱性測試

2.1.1測試步驟

測試樣機在正常工作下，是否會產生發熱現象，分別對機箱內部和APD光電探測器進行溫度測試，測試方案如下。

a)在APD殼體和機箱內部貼上溫度傳感器(電子式溫度記錄儀)，用于記錄溫度變化。

b)整機放在恒溫試驗內，外接兩通道的光纖，長度約為4 km，首尾兩端各有一卷放在高溫水槽內，其它光纖放在水箱內，以保持光纖溫度盡可能的穩定。

c)設置環境溫度為25 ℃，光纖標定后運行時間至少1 h，直到儀器內部環境溫度及殼體溫度相對穩定。

d)加熱到40 ℃，連續運行，至少12 h。溫度記錄儀記錄環境溫度和APD殼體溫度變化。得到結果如圖3、圖4所示。

圖3 25～40 ℃時內部環境溫度、APD殼體溫度變化曲線

圖4 25～40 ℃下殼體溫度與機箱內部環境溫度之差變化趨勢

2.1.2測試分析及結論

通過以上數據分析可以得到以下結論。

a)當機箱環境溫度為25 ℃時，運行3 h穩定后，機箱內部環境溫度為27.3 ℃，殼體約30 ℃。

b)當機箱溫度為40 ℃時，運行17 h穩定后機箱內部環境溫度大約為44.7 ℃，APD殼體溫度最高在50.7 ℃，兩者溫度之差穩定在6 ℃左右。

c)得到的最高溫度在設備允許的范圍內，因此該設備發熱性測試通過。

2.2 測溫精度及可靠性測試

2.2.1測試步驟

測試分布式光纖主機在環境溫度變化下的測溫精度及可靠性，在發熱性的測試的同時，進行測溫精度及可靠性測試。

a)25 ℃時，采用80 ℃水槽光纖標定，記錄前端測溫區T1、尾端測溫區T2及中間平坦區光纖溫度。

b)環境溫度升高到40℃，在不同時間記錄以上3個參數的變化。

2.2.2測試分析及結論

從表2中看出，前后端的溫度有約5 ℃的誤差，但隨著環境溫度從25～40 ℃變化，T1-T2之差變化了1.3 ℃。其中40 ℃環境大概運行20 h左右的時間。測量的穩定性良好，未出現較大的變化。

表2 整機25～40 ℃變化時測量溫度的穩定性 ℃

分析前后端的溫度有約5 ℃的誤差，主要原因為激光功率稍高，產生自激，調整后，再一次進行標定，測量的穩定性良好，得到結果如圖5所示。

圖5 整機溫度測試

a)T1為79.41 ℃，T2為78.57 ℃，T1與T2之差為0.85 ℃，平坦區方差為0.524 ℃，滿足設計要求。

b)常溫下，4 km光纖在標定良好的條件，前后可以做到±1 ℃的誤差。在25～40 ℃變化時，溫度變化不超過2 ℃。

c)隨著環境溫度的改變，APD增益，該種增益的變化，對于測量影響不大。

3 工程應用

3.1 感溫光纜的安裝及保護

感溫光纜鋪設是火災監測系統的重點。光纜的鋪設位置、鋪設方式決定了該系統的使用壽命和后期的維護成本。為節省施工周期及費用，在埋地段選用鎧裝光纜，進行直埋鋪設，埋地深度400 mm，光纖上下采用軟土掩埋，過路過墻進行穿管保護。

光纜鋪設到儲罐底部后，采用鍍鋅鋼管保護。下罐時采用金屬防爆軟管保護，在儲罐頂部浮盤，測溫光纜沿著罐頂密封圈線型布設，用U型卡將光纜固定于罐頂密封圈處，如圖6所示。

圖6 測溫光纜現場安裝

3.2 系統運行狀況分析

分布式光纖火災測溫系統進行實時監測密封圈的溫度變化情況。系統主界面將整個密封圈分為4個區域，平均溫度分別為26.2，24.3，13.5，13.2 ℃，經過現場勘查，溫度差異原因為陽光照射所引起，點開每個區域可觀察每1 m的溫度值。若存在火災隱患，系統會根據預設的報警規則進行報警動作。此時油庫管理人員應當引起重視，及時消除隱患。

4 結論

a)基于拉曼散射原理，開發了儲罐密封圈分布式測溫裝置，以光纖作為傳感和傳輸載體，能夠對密封圈火災進行實時監測。

b)進行了發熱性、穩定性、準確性測試，得到在40 ℃運行17 h，殼體溫度為50.7 ℃，精度可達±1 ℃，首端與末端的溫度差不超過2 ℃，滿足運行要求。

c)在現場進行了試點應用，效果良好。