分布式光纤测温系统及其在化工园区的应用

吴 硕 张汝山 涂勤昌 岳建宁

(1.万华化学(宁波)有限公司，浙江 宁波 315000；2.浙江中欣动力测控技术有限公司，浙江 宁波 315000)

随着我国经济的高速发展，化工厂和化工园区不断增加，已建和在建的省级大型化工园区已超过100个。化工生产又是公认的最具危险性的行业，化工园区内易燃易爆和有毒有害的危化品集中，安全生产形势严峻[1,2]，其中首要的安全问题是火灾爆炸，火灾爆炸又容易引发化工原料泄漏以及水源和大气污染。因此，对化工园区的火灾监测是保证企业安全运行的关键。据统计，化工企业的火灾大部分是明火源(如乱丢烟头和违章动火)和电气设备故障或过热引发的[3]，前者可通过强化管理避免；后者则依赖各种感测设备，在火灾发生之前做出准确预判，将灾害控制在萌芽阶段。温度是电气设备过热以及化工气化炉和流程管道监测的常用参量，因此温度探测器的正确选型与应用对化工企业的安全生产尤显关键。分布式光纤温度测量系统(Distributed Temperature Sensing System，DTS)是一种新型的感温火灾探测器，可实现沿光纤分布的温度实时测量，及时发现过热点，防患于未然，具有分布式实时测量、精确定位、抗电磁干扰、本质安全及报警方式灵活等特点[4～6]。

笔者在介绍分布式光纤温度测量原理、系统构成和特点的基础上，指出实际应用中的选型依据。并介绍分布式光纤测温系统在万华化学(宁波)有限公司的工业园电缆桥架监测方面的实际应用。

1 分布式光纤测温系统①

1.1 测量原理

DTS的温度测量基于光纤自发拉曼(Raman)散射效应，如图1所示。大功率窄脉宽的激光脉冲入射到传感光纤后，激光与光纤分子相互作用，产生极其微弱的背向散射光，散射光有3个波长，分别是瑞利(Rayleigh)、反斯托克斯(Anti-stokes)和斯托克斯(Stokes)光；其中Anti-stokes光对温度敏感，为信号光；Stokes光对温度不敏感，为参考光。从传感光纤背向散射的信号光再次经过分光模块分别得到温度敏感的Anti-stokes信号光和温度不敏感的Stokes参考光，并由高灵敏光电探测器(APD)接收，根据两者的光强比值就可以计算出温度。而位置的确定是基于光时域反射(Optical Time Domain Reflectometer，OTDR)技术，利用高速数据采集测量散射信号的回波时间，即可确定散射信号所对应的光纤位置。由于系统以Stokes光信号作为参考，因此温度测量不受光源功率波动及光纤链路损耗等的影响[7]。

图1 DTS测量原理示意图

Stokes光强Ps(z)为：

(1)

式中aR——入射光波长下的光纤衰减系数，dB/km；

as——Stokes光波长下的光纤衰减系数，dB/km；

h——普朗克常数，6.626×10-34J·S；

kB——玻尔兹曼常数，1.3806505×10-23J/K；

ks——Stokes光的耦合效率；

P0——入射光的光强，mW；

T(z)——光纤某点位置z处的温度，K；

ν——入射光的频率，Hz；

z——光纤某点位置z与入射端之间的距离，km。

Anti-stokes光强PA(z)为：

(2)

式中aA——Anti-stokes光波长下的光纤衰减系数，dB/km；

kA——Anti-stokes光的耦合效率。

则传感光纤沿线各点的温度T(z)为：

(3)

1.2 系统构成及其特点

DTS一般包括测温主机、探测光缆、用户软件、备用电源及服务器等。测温主机是系统核心，直接影响测温性能和应用效果。探测光缆既是温度感测元件又是信号传输介质，既能快速响应外界温度又具有较好的抗拉和抗压强度。而且光缆一旦断裂，即可精确定位和快速接续。

用户软件包括温度显示、火灾预/报警、历史数据查询和统计及监测区域可视化等功能。

作为技术先进的新型探测器，DTS的特点为：分布式实时测量，可实现10km光纤沿线任一点的温度测量，测量精度高、覆盖面广；精确定位事件异常位置，方便处置；抗电磁干扰，能在高电压和强电磁环境下正常工作；传感器本身不带电工作，本质安全；传感器安装简单，工作寿命长达15年，运、维成本低。

DTS系统与化工企业常用的几种温度探测器的对比见表1。

表1 DTS系统与化工企业常用温度探测器的比较

2 选型依据

产品性能是DTS设备选型时首先要予以考虑的。DTS关键技术指标包括测量距离、测量时间、测温精度、空间分辨率、采样间隔、测温范围及测量通道等。这几个技术指标相互关联又相互制约，部分厂家的产品技术指标不详细，甚至罗列不同条件下最好的指标误导客户。由于产品性能直接关系到应用效果，在此逐一进行简要分析：

a. 测量距离。指单根光纤可监测的最大长度，与测温主机位置到监测区域最远端的距离有关(需考虑一定的光缆敷设余量)。测量距离越长则尾端温度测量噪声越大，容易误报。一般宜选用2～4km的成熟型号。

b. 测量时间。指温度测量数据更新所需的时间，测量时间越长测温精度越高。针对火灾预警应用，为及早发现隐患，测量时间宜在5～10s。

c. 测温精度。与测量距离、测量时间和空间分辨率密切相关。DTS典型技术指标——4km末端、10s测量时间、2～3m空间分辨率下的测温精度小于±1℃。

d. 空间分辨率。真实反映外界热点温度的最短受热光纤长度，为DTS最核心的技术指标。当受热长度小于空间分辨率时，DTS测得温度将小于实际温度，可能造成漏报。《线型光纤感温火灾探测器》GB/T 21197-2007规定，DTS产品的空间分辨率(感温长度)必须不大于3m，国内大部分DTS产品的空间分辨率指标为2～3m。对于电缆过热点的监测，宜选用空间分辨率为0.5～1.0m的型号。

e. 采样间隔。相邻两点温度数据的空间距离。采样间隔和事件定位精度有关，并且其数值一定小于空间分辨率，即空间分辨率为1m的DTS，其采样间隔肯定小于1m(如0.5m)。

f. 测温范围。与探测光缆的结构和材料有关。一般监测选用常规光纤和低烟无卤LSZH护套，测温范围-20～+85℃；气化炉表面热点监测需选用耐高温光纤和金属护套，测温范围-40～+300℃。

g. 测量通道。指DTS可以连接的光缆根数，为轮询工作方式。通道数越多，可覆盖的监测区域越广，总的测量时间也越长。一般情况下，宜选用四通道设备。

分布式光纤测温系统的选型应考虑应用环境的特殊性，对于化工企业，产品可靠性要求高，产品应取得消防型式检验报告、电磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility，EMC)测试报告及防爆认证等资质。

3 实际应用

万华化学(宁波)有限公司的工业园占地约3 000亩，是以MDI产品生产制造为核心的石化产业园区。园区内敷设了数量众多的各种动力电缆和控制电缆，桥架林立。电缆长期大负荷运行后都会产生一定的热量(尤其是电缆接头或者破损处)，一旦热量聚集就会发生火灾，很难及时发现和扑救，造成不可估量的损失。为保障园区安全生产，该公司采购了两套DTS设备分别用于302Q和307Q变电所电缆沟和电缆桥架的温度监测。

3.1 系统设计

DTS作为一种分布式测温设备，所测温度是最小感温长度(空间分辨率)内的温度平均值。国内大部分DTS产品的空间分辨率为2～3m，考虑到电缆过热点区域比较小，此时DTS所测温度将低于热点温度。为准确判断电缆过热点的异常事件，宜选用空间分辨率为0.5～1.0m的DTS设备。经调研与对比后，公司选用NTR-4000型DTS设备，其主要技术指标为：测量距离4km、测量时间5s、空间分辨率1m、测量精度小于±1℃(4km末端、5s测量时间、1m空间分辨率)、采样间隔0.5m、测温范围-20～+85℃、四通道测量。

如图2所示，DTS测温主机分别置于302Q和307Q变电所，通过局域网传输至监控室集中监控。探测光缆直接安装于电缆沟/电缆桥架，紧贴电缆线形或者S形敷设，关键部位采用塑料扎带将探测光缆与电缆固定在一起。DTS设备具有灵活的报警方式，一旦发现测量温度值、温升速率或温度尖峰超过设定阈值，系统自动报警，并将报警信号送到监控室，便于值班员处理。

图2 DTS测温系统

3.2 测温光缆敷设方式

测温光缆选用螺旋钢管铠装光缆，抗拉、抗压强度高，防啮咬，并且弯曲灵活，适合桥架监测应用。作为温度感测元件需要与待测电缆紧密接触。在该化工园区的电缆沟和桥架上，电缆数量多且堆叠密集。如图3所示，普通动力电缆发热量较小，每层桥架/支架用两根或4根测温光缆线形敷设于电缆表面，条件允许时测温光缆尽可能分散于电缆束内；对于10kV电缆，采用一根或两根测温光缆，S形敷设于电缆表面。

图3 测温光缆敷设形式

3.3 监测数据

万华化工园区758和759南边电缆桥架的温度监测数据如图4所示，上面的曲线是2014年5月1日0点的温度分布数据，电缆桥架的温度分布并不均匀，热的地方会超出周围5℃以上，需要在实际运行中重点关注；下面的曲线为桥架某一点从0点～12点的历史温度变化趋势，7点之前温度略微下降，7点之后缓慢上升，主要是与环境温度上升有关。从近半年的连续运行情况可以看出，测温设备运行稳定、温度测量准确，为万华化工园区电缆桥架的日常巡检提供了极大便利。

3.4 用户软件

用户软件可以实现温度曲线显示、图形化可视界面、报警状态、温度数据和报警信息的查询、统计及分析等功能。如图5所示的图形化可视界面，将温度位置与桥架走向一一对应，并用颜色显示温度高低，简洁、形象、直观。

图4 电缆桥架温度监测曲线

图5 用户软件图形化可视界面

4 结束语

化工园区作为一个危化品集中的场所，需要不断提升安全在线监测水平。分布式光纤测温系统是一种新型的感温火灾探测器，可实现沿光纤分布的温度实时测量，及时发现过热点，测量稳定可靠、技术优势明显。万华化学(宁波)有限公司工业园区的成功应用案例表明，分布式光纤测温系统非常适合化工园区电缆沟和桥架的在线监测，有必要进一步推广至园区其他关键区域，用先进的科技手段保障园区安全生产运营，创建和谐、安全、高效的化工园区。