光纤光栅感温火灾探测系统在石化罐区的应用

光纤光栅传感技术在油田监测中的应用随着社会的不断发展和经济的快速增长，对能源的需求也越来越大，而油田开采作为一种强制性和必要性的生产活动，对于公共经济的发展起到了至关重要的作用。

在油田开采过程中，监测油井的运行状态，提高采油效率和安全运营，成为了主要的问题。

而光纤光栅传感技术则为油田监测提供了一种有效的解决方案。

一、光纤光栅传感技术简介光纤光栅传感技术是一种基于光纤光栅的传感技术，它是利用光纤光栅的光纤传感节点监测物理量，如温度、压力、应力、形变等，经过数据处理和分析，得到要求的检测值或预警结果。

光纤光栅传感技术主要由光栅传感器和信号处理器两个部分组成。

光栅传感器通过光栅芯片在光纤内部的反射和折射，将光信号转换成物理信号。

而信号处理器则将物理信号转换成数字信号，并对数字信号进行处理、分析和输出。

二、1、油井压力监测油井压力是油田开采过程中的一个重要指标，它决定了油井采油能力和油井运行稳定性。

在过去，油井压力的监测主要依靠传统的机电式压力传感器。

但这种传感器面临着易损坏和数据传输复杂等问题。

而光纤光栅传感技术可以通过光纤传感节点，直接监测油井压力变化，实现了高精度、高可靠性的监测结果。

利用光栅传感器可以同时监测多个井筒的压力情况，更准确地了解油井的动态变化，为油井开采的管理提供了可靠的数据支撑。

2、油井温度监测油井温度也是油田开采过程中一个重要指标，它是影响采油效果和环保要求的关键因素。

油井温度监测的传统方法主要是利用温度测量电阻或热电偶进行测量。

但是油井温度在很多情况下存在不均匀性和动态性问题，传统的监测方式会出现数据精准度、周期不一致等一系列问题。

而采用光纤光栅传感技术，可以通过光纤传感节点，设置适当的温度检测点，实时监测不同位置的油井温度变化，得到更精准的温度变化数据。

同时，光栅传感器在温度快速变化时也能保持数据线性，并且具有高抗干扰能力，从而消除了噪声对数据准确性的影响。

3、地下油管泄漏监测在油田开采过程中，管道泄漏是造成能源资源浪费、环境污染的主要原因之一。

光栅光纤火灾探测系统在原油储罐上的成功应用摘要:通过对光栅光纤火灾探测系统的应用分析,通过在光纤轴向上建立周期性的折射率分布,改变或控制光在该区域的传播,将储油罐温度变化通过光信号传回控制系统,并与消防系统进行联动,达到自动火灾探测灭火功能。

同时该系统具有体积小、防爆、抗腐蚀、抗电磁干扰、无电传输、使用灵活、易于同光纤集成及可构成网络等诸多优点,现已被成功运用于中哈原油管道原油储罐的火灾探测系统。

关键词:光栅光纤优点原油储罐火灾探测系统中哈原油管道某输油站建设初期,储油罐火灾探测系统采用电信号传输,在油气场所存在安全隐患,同时,该地区夏季高温多风,火灾探测系统时常发生误报警,给输油生产造成一定影响。

为此,通过对近年来火灾探测系统的研究,利用先进的光栅光纤火灾探测系统,有效地实现了原油储罐火灾探测的报警及联动。

1 光纤光栅工作原理光纤光栅传感技术, 被广泛应用于温度、压力、流量、液位等参数的测量。

光纤光栅是利用激光加工手段在光纤芯内刻制一定间距的若干条纹,形成一个光栅元件,并受所测量介质影响,改变光波传输。

(如图1)当油罐温度参数发生变化时,由于光纤光栅传感器的热胀冷缩效应,光栅的周期条纹间距会发生变化,光波通过光纤光栅信号处理器就可以感知光纤光栅传感器所处位置的温度及变化。

2 火灾探测系统组成2.1 罐区火灾探测系统组成该系统检测对象为2座5万方双盘式浮顶油罐,每座油罐设置光纤光栅探测器49个,通过连接光纤串接,按照间距不大于3m环绕于油罐二次密封外沿,用固定卡固定。

两条环形检测系统通过光纤续接盒并联于主传输光缆,信号通过主光缆传送至控制机柜,经过光纤调制解调器解码后传输至显示器及消防控制系统,实现联动。

(如图2)2.2 监控数据实时传输光纤调制解调器为光纤光栅温度感温传感器探头提供稳定的宽带光源,同时对系统中光栅返回的窄带光进行调制解调。

根据系统的设定情况,实时接收来自光栅感温传感器探头的信号,并通过RS422输出到上位机。

!!收稿日期!*&&’+&$+*)作者简介!褚佩华"#($&e #$上海人$#((%年毕业于上海科学技术大学通信工程专业$工学学士$现工作于中国石化集团上海工程有限公司%光纤光栅火灾自动探测系统在石油化工企业中的应用褚佩华"中国石化集团上海工程有限公司$上海!*&&#*&#!!摘要!结合近年对火灾探测新技术的引进和实际应用$重点介绍了使用效果很好的光纤光栅火灾探测系统的基本原理$以及这种新型火灾探测技术在大型储油罐和地下电缆隧道的应用情况%!!关键词!火灾探测系统&误报率&电信号&光信号&光纤布喇格光栅!!中图分类号!B S *$%!!!文献标识码!=!!!文章编号!#&&$+$%*<"*&&’#&’+&&*#+&**##)(B ’"(9:9?"!;-#"(B ’)U (G ;>’:=R >’"(:D U(>;*@"9&’"(B 6;";B "(9:7Q <";&(:1;">9B !;&(B ’)$:";>#>(<;J 6XS ;P 6X 0"@P 42];/@604760P C 47P 4;;M P 47!2.T 81.$@604760P $*&&#*&$!6P 40#*G <">’B "!"//2M 1P 478286;4;-Y P M ;1;8;/8P 248;/642N 27L60Z ;V ;;47M 01X 0N N L0]]N P ;18286;:;Z ;M 0N ]M 2+\;/8:2Y @P 42];/@604760P C 47P 4;;M P 47!2.T 81.M ;/;48N L $86;V 0:P /86;2M L 04186;0]]N P /08P 24P 4:804/;2Y 86;2]8P /0N Y P V ;M 0417M 08P 47Y P M ;0X 82308P /1;8;/8P 24:L :8;3P 486;N 0M 7;2P N 804904186;X 41;M 7M 2X 41/0+V N ;8X 44;N P :P 48M 21X /;1.S ;Q E 9>=<!Y P M ;1;8;/8P 24:L :8;3&3P ::+0N 0M 3M 08P 2&;N ;/8M P /0N :P 740N &2]8P /0N :P 740N &Y P V ;MV M 0777M 08P 47!!传统的火灾自动探测及报警系统在原理上均采用热电信号的传感器$包括热敏电阻传感器及热电偶传感器$如!线性感温电缆即属于热敏电阻传感器%它们都是热电信号处理过程$因此对环境比较敏感$周围环境好坏直接影响到系统能否正常运行%而石油化工企业是易燃易爆场所比较集中的地方$尤其是在一些大型储油罐及地下长距离电缆隧道等场所$其火灾危险性大$且环境条件不理想$传统探测方式由于上述局限$很难全天候适应现场条件$因此需要新型技术手段解决这个问题%本文根据中国石化集团上海工程有限公司近年引进采用的火灾探测新技术$重点介绍了使用效果很好的光纤光栅火灾探测系统的基本原理$以及这种新一代火灾探测技术在大型储油罐和地下电缆隧道的应用情况%!!光纤光栅火灾探测工作原理光纤布喇格光栅"Q P V ;M=M 077I M 08P 47#"以下简称光纤光栅#火灾探测系统与传统的电信号火灾探测系统相比$在传感原理上存在本质的区别%光纤光栅是使用光信号进行传感和传输$是一种本质安全的非电检测技术%图#为光纤光栅的结构示意图%图#!光纤布喇格光栅结构光纤光栅是利用外界入射光和纤芯内锗离子相互作用引起折射率随光强的空间分布发生永久性变化$在纤芯内形成的空间相位光栅%其周期的折射率扰动仅会对反射波长中很窄的一小段光谱产生影响$因此$如果宽带光波在某一光栅中传输时$将在相应的频率上被反射回来$类似于在纤芯中制做的一种窄带反射镜%如图*所示$当宽带光经入射光纤传输到光栅处时$光栅将有选择性地反射一束窄带光%所反射窄带光的中心波长即布拉格波长$由光栅的条纹周期和光栅的有效折射率决定%图*中$输入光波具有一个连续完整分布带宽控制系统!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!石!油!化!工!自!动!化$*&&’$’f *#"H B G>"B ?G A?AS C B U G +!E C >?!"T?A K H @B U F较宽的光谱!光纤光栅的反射光谱带宽很窄!而且正好位于透射光谱缺失的部位"当光纤光栅处温度发生变化时!反射光谱中心波长也发生相应的改变"因此只要能够精确地测量光栅反射光的波长!就可以精确地知道光纤光栅处的温度!这就是光纤光栅温度传感器的工作原理"图*!光纤光栅反射谱和透射谱$!光纤光栅火灾探测系统在石油化工企业的应用*D #!光纤光栅火灾探测系统在大型储油罐的应用对于大型储油罐!以前由于没有特别合适的可用的火灾自动探测系统!一般只能选择线性感温电缆等电信号的传感器!但是如果把电信号引入属于爆炸危险区域的大型储油罐上!就需要采取严格的安全措施"如对于一些大型外浮顶原油储罐#)i #&<3%及#i#&)3%$!其火灾危险性最大的区域位于浮盘与罐壁接缝处的一%二次密封圈处!为了能早期检测到火灾情况!一般都把线性感温电缆安装在一%二次密封圈附近!但是一%二次密封圈附近均属于最危险的爆炸危险区域)区!因此尽管可选用本安型的感温电缆!但电信号的引入仍然无可避免地带来一定程度的安全问题"由于大型储油罐顶的环境条件恶劣!经常有腐蚀性的油气及灰尘出现!且中国多数地区四季温差较大!对线性感温电缆的使用寿命也有一定影响"另外!一般线性感温电缆由于产品本身技术和工作原理的局限性#其工作原理简单的说就是利用热敏电阻达到设定温度后产生电信号通路而发生报警$!一般只能进行定温报警而无法进行定位的预警%差温报警等!也无法根据环境的变化重新设定报警温度!以及进行定位故障报警"根据该单位的应用情况!该类系统在投入实际使用后效果不太理想!误报率很高"在中国国家标准&石油化工企业设计防火规范’#I =)&#’&+(*$中明确规定(大于或等于)i #&<3%的浮顶罐应采用火灾自动报警系统)"这是因为浮顶罐初期火灾不大!尤其低液面时难于及时发现!因此要求设置火灾自动探测及报警系统"对容量大的储罐!若火灾不能及时被发现和扑灭!则火灾蔓延将造成巨大损失!所以使用先进技术尽早探知火灾并在初期将火扑灭是防灾减灾的有效方法"因此近年来光纤光栅火灾探测系统已逐步取代传统方式在大型储油罐上得到大量推广应用"石化罐区使用的光纤光栅火灾自动探测系统采用单罐单表的方式!即每台储罐单独组成一个独立系统!主要由光纤光栅感温火灾探测器和光纤光栅感温火灾探测信号处理器组成"图%为应用在储油罐上的光纤光栅感温火灾探测系统的结构示意图"图%中!光纤光栅感温火灾探测器由处于罐区中的光纤光栅感温传感器探头%连接光缆和处于控制室安全区域的光纤光栅波长解调器与报警仪器仪表装置等部分组成"感温传感器探头采用光纤光栅为测量单元!多个检测探头之间相互串接!用来检测油罐现场环境温度!实时传递温度报警信息给信号处理器"检测探头随检测光缆安装在罐顶浮盘上!探头采用单回路布置!沿二次密封圈外沿敷设!间距为)$,3左右"波长解调器与报警仪器仪表装置用来读出光纤光栅波长!并具有实时显示温度%察觉温度异常%报警参数设置和报警显示等功能"报警参数设置可由用户根据当地实际环境状况设置报警温度的上限和其他相关参数"报警显示具有火灾预警%火灾报警和感温传感器探头故障自检等功能"图%!光纤光栅感温火灾探测系统结构近几年来!光纤光栅火灾探测系统已经在该单位承担建设的所有大型外浮顶储油罐上得到了成功应用!实现了对温度的实时检测!基本避免了误报现象!具有很大的推广价值"*D *!光纤光栅火灾探测系统在石化企业地下电缆隧道的应用大型石油化工企业地下长距离电缆隧道的火灾自动探测系统的选用也是一个较棘手的问题"如*中国石化上海石油化工股份有限公司的地下电!下转第%%页"**石油化工自动化!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!*&&’年"!标度因子的建立可以用K ;N 80O B X 4;来建立标度因子!0I "0(I "0410(J #$对于小控制误差及设定点的变化小于一个极小值的情况"Q T !的标度因子与比例!C 5#及积分时间!#?#相关联$0(I g #(’0(0(J g *0(I C 50I g 0I &g #?0(I#g &.*d /#%#,!&.*%#%&.)其中!0I &&&&#:扫描速率下的误差缩放比例’(’0(&&&设定点的变化值"通常取#j ’#&&&过程死区!/##和最终周期或时间常数!#,#的函数$当设定点变化大于(’0(时"标度因子通过Q T !内部增大"其内部缩放比例随实际设定点的变化与极小设定点之比而变$当由于设定点的变化使得控制误差无法减小时使用大标度因子"控制误差返回到一个较小的值并持续一段时间"模糊算法使用的标度因子重新作为功能块的缩放比例参数值$)!=>,功能块的使用典型的Q T !功能块有%个基本操作(将输入信号转换为模糊逻辑值!模糊化#’基于输入状态进行规则推理’将模糊逻辑值重新转换为连续信号!逆模糊化#$图,为Q T !功能块原理图$图,!Q T !功能块原理若在控制过程中需要快速变化"可以在图,的反馈回路中加入微分作用$(!结束语迄今为止"S ?K 控制器由于便于实施及良好的鲁棒性"仍然是过程控制中最常用的控制手段$Q T !同样便于实施"同样具有良好的鲁棒性"而且其性能更加优于S ?K $Q T !控制回路和S ?K 回路一样易于操作和整定"但Q T !比强烈作用调节的S ?K 和过阻尼调节S ?K 对控制的响应更佳"它可以象过阻尼S ?K 一样去除超调"同时它的响应速度比强烈调节S ?K 更快$测试表明"K ;N 80O Q X 55L 的回路性能比传统的S ?K 提高%&j $<&j "这种性能源于其大幅度地降低超调"同时缩短稳定时间或响应时间$你不需要完全清楚模糊逻辑规则"只需要操作标度因子"这些标度因子类似于传统S ?K 控制的比例)积分和微分因子(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((($!上接第**页"缆隧道长达十几公里"内部敷设有##&9O "%)9O 等高压电缆"承担着该公司所有重要生产装置的供电"其重要性可想而知$由于电缆隧道都建在地下"一旦发生火灾很难进行灭火"后果将会十分严重"因此隧道内火灾自动探测系统的设置显得尤为重要$但是传统的电信号火灾自动探测系统在实际使用后效果比较差"其主要原因是由于电缆隧道内的环境条件比较特殊(一是隧道内敷设有很多高)低压电力电缆"其产生的电磁场对火灾探测系统的弱电信号有干扰’二是地下隧道内因排水)通风等问题其环境湿度)灰尘都很大!如该公司的地下电缆隧道在春夏季时相对湿度可达#&&j #"使得隧道内的电子产品及探测线路不能正常运行而使系统产生很高的误报率"无法正常投用$该公司*&世纪(&年代在一期地下电缆隧道内使用点式探测器!防水型#)线性感温电缆等不同产品都未获成功"至今未通过消防部门的验收而成为消防隐患$光纤光栅火灾探测系统在罐区使用成功后"笔者开始将其应用到地下电缆隧道中"完全克服了以上环境条件恶劣的缺点"取得了很好的效果$另外"如果采用线性感温电缆进行探测"则必须采用与电力电缆进行直接接触式的@型安装方式"而光纤光栅感温传感器探头及连接光缆可以直线安装在隧道内电缆桥架的上方"这种安装方式给今后隧道内电缆的维护)改造等带来了很大的方便$应用在电缆隧道中的光纤光栅感温火灾探测系统组成及结构与图%所示相似$主要区别在于(由于电缆隧道中有的检测段距离控制室较远"所以需要把信号处理器安装在现场的电缆隧道工作室内"然后再由信号处理器把所有检测信号实时远传给控制室计算机系统$%!结束语综上所述"光纤光栅感温火灾探测系统具有本质防爆)抗电磁干扰)抗腐蚀)不怕潮湿)测量精度高等优点"克服了传统电信号火灾探测系统的缺点"非常适合于石油化工企业中油罐区和高压电缆隧道等恶劣环境中的应用"在这些领域中替代电信号火灾探测器已经成为一种重要的发展趋势$%%第’期!!!!!!!!!!!!!!!!!杨学峰等D K ;N 80O 模糊逻辑控制技术原理及其应用。

光纤光栅感温火灾探测技术在球罐区的应用研究摘要：光纤光栅传感技术是随光纤通信技术发展而迅速发展起来的崭新技术，光纤光栅传感器可以用于测量温度、压力、应力、地震波以及声波等参量，在电力、石油、航空航天、生物、国防、环境保护等领域得到了广泛的应用，目前研究开发的传感器达到百种。

光纤光栅传感是以光信号的形式在光纤中传输，具有抗电磁干扰、耐腐蚀、长期稳定、复用能力等优势，特别适用于易燃易爆等恶劣环境，因此在石油行业应用尤其广泛，如液位测量、管道泄漏检测等。

油库是高危场所，决定了其火灾报警设施要求安全程度高、性能可靠、测量准确、安装简便，基于光纤光栅感温探测技术上的火灾报警系统能够很好地满足油库的需求。

关键词：光纤光栅；感温；火灾报警；油库引言：光纤光栅感温火灾探测技术作为一种新型火灾探测技术，应用于油库火灾报警具有显著的优势。

本文从原理上探讨了光纤光栅感温和火灾探测技术，并设计了油库感温火灾报警系统。

实例验证了光纤光栅油库火灾报警系统，实测证明，报警系统运行状况良好，能够有效解决油库储油区火灾监控和报警的难题，并具有向油库其他易燃易爆场所推广的价值。

1.光纤光栅感温探测技术分析1.1光纤光栅感温原理光纤布拉格光栅是利用紫外光通过相位模板对光敏光纤曝光，使光纤中折射率周期分部，形成光栅。

当外界宽光谱光源射入光纤光栅时，则光纤光栅将反射回一个中心波长为布拉格波长的窄带光波，其布拉格波长为：基于弹光效应和波导效应导致的光纤光栅漂移系数，以及温度导致的应变，得到光纤光栅温度灵敏度系数为：其中，P11和P12为光纤光栅材料的弹光系数，Kwg为波导效应引起的波长漂移灵敏度系数。

由此可知，KT取决于材料本身。

实验表明，当温度T变化不大时，KT基本上可以确定为一与材料系数相关的常数。

经过特殊工艺设计，温度传感器可以有效避免温度变化导致的应变等其他外界激励的干扰，因此，布拉格波长的变化与环境温度的变化呈线性关系。

通过测量光纤光栅反射波长的偏移，并对其进行解调，即可比较容易地得到环境温度的变化。

油罐区光纤光栅感温火灾探测报警系统应用葛秀方【摘要】介绍了石油储罐火灾爆炸事故的危害、光纤光栅感温火灾探测技术的概念和工作原理,分析了油罐区传统火灾报警系统的薄弱环节和光纤光栅感温火灾探测报警系统的优势表现,在油罐区安装该系统也谈了一些个人的看法,以供参考.【期刊名称】《安徽建筑》【年(卷),期】2016(023)004【总页数】3页(P228-230)【关键词】光纤光栅;感温技术;火灾探测;应用;油罐区【作者】葛秀方【作者单位】合肥市公安消防支队,安徽合肥230001【正文语种】中文【中图分类】TU892近年来，石油化工企业的消防安全形势十分严峻，尤其是石油储罐火灾爆炸事故频频发生，引起社会对石油化工企业的消防安全、环境保护、职业健康等广泛关注。

据统计，1962年至2013年期间，有记载的石油储罐火灾爆炸事故共83起（国内54起，国外29起），其中26起发生人员死亡，3人以上死亡的有16起，100人以上死亡的有2起，造成累计445人员死亡以及巨额财产损失、环境污染、生态破坏的惨重教训，社会影响极大。

如2010年7月16日，位于辽宁省大连市保税区的大连中石油国际储运有限公司原油库输油管道发生爆炸，引发大火并造成大量原油泄漏，导致部分原油、管道和设备烧损，部分泄漏原油流入附近海域造成污染。

本次事故造成作业人员1人轻伤、1人失踪；在灭火过程中，消防战士1人牺牲、1人重伤，事故造成的直接财产损失为22330.19万元。

油罐区储存的油品，能够蒸发大量的蒸气，当这些油蒸气与空气混合达到一定的浓度，形成爆炸性混合气体，遇到明火或周围的温度达到其引燃温度即可发生爆炸。

由此可见，要防止储油罐的火灾或爆炸，除了消除明火以外，还要时刻监测温度。

传统的感温探测器一般采用热点信号传感器，对周围环境比较苛刻和敏感，环境的好坏直接影响系统能否正常运行。

油罐区储存的易燃易爆化学危险产品，一般都露天存放，环境条件差，传统的感温探测器受周围环境的影响，误报率较高，同时，由于传感器电信号引入油罐区，不可避免地带来一些安全隐患。

光纤传感技术在石油化工安全监测中的应用研究随着现代工业的迅猛发展，石油化工行业对安全监测的需求也日益增加。

随之而来的是对新型监测技术的探索，以提高石油化工工艺的安全性和效率。

光纤传感技术作为一种新兴的监测技术，具备传感范围广、高精度、实时性好等特点，在石油化工安全监测领域得到了广泛研究和应用。

一、光纤传感技术的基本原理光纤传感技术是利用光纤作为传感元件，通过光信号与物理量相互作用，最终将物理量转化成光信号输出。

它主要依靠光纤的特殊结构和光的特性进行传输和检测。

在石油化工安全监测中，通过在光纤上引入特殊的物质或结构，可以实现对温度、压力、振动、电磁场等多种物理量的实时监测。

二、温度监测在石油化工工艺中，温度是一个重要的参数，对生产过程和设备安全具有重要意义。

光纤传感技术可以通过光纤的热传导效应和光纤的光衰减特性，实现对温度的高精度监测。

通过在光纤上引入光纤光栅传感器，可以实现对温度变化的快速响应和精确测量。

三、压力监测在石油化工过程中，液体和气体的压力是衡量工艺安全性的重要指标。

光纤传感技术可以利用光纤光栅或光纤布拉格光栅等传感器，通过测量光纤的压力变化来实现对压力的实时监测。

相比传统的压力传感器，光纤传感器具有体积小、抗干扰性强等优势，可以适用于狭小空间和复杂环境中的压力监测。

四、振动监测在石油化工设备运行过程中，常常伴随着振动现象，这不仅对设备寿命造成影响，还可能导致设备故障和事故发生。

光纤传感技术可以通过光纤光栅传感器等设备，实现对振动信号的高精度监测和分析。

通过对振动信号进行实时监测和处理，能够预测设备的故障、研判设备的可靠性，并可以根据预警进行相应的维护和修复。

五、泄漏监测石油化工过程中，泄漏事故往往给环境和人员带来重大的安全和健康风险。

光纤传感技术可以通过在地下或设备表面敷设光纤，并利用光纤光学特性和光纤长距离传输的特点，实现对泄漏的实时监测和定位。

通过监测光信号的强度变化和频率变化，可以准确判断是否发生泄漏，并及时采取措施进行处理，防止事故的发生和扩大。