光纤差定温火灾探测报警系统的工程应用

杭州和利时自动化系统工程有限公司 张靖宇 刘华 师虎

光纤差定温火灾探测报警系统的工程应用

杭州和利时自动化系统工程有限公司 张靖宇 刘华 师虎

文章针对化工原料库区的消防报警系统的组成及其缺陷，分析了线性光纤差定温火灾探测器的工作原理、系统参数及网络构成，并结合工程实际总结了线型光纤差定温火灾探测器的工程设计和施工方案。

消防报警；光纤探测器；敷设；系统

1 概述

化学工业一直是同发展生产力，保障人类社会生活必需品和应对战争等过程密不可分，随着社会进步以及人们生活需求不断增加，各种化工企业也越来越多，随之而来的安全隐患也不断增加。近年来化工厂安全事故时有发生——起火、爆炸、泄漏等等，现场惨状触目惊心，后果损失令人扼腕叹息。如何增强防范措施，加强预防意识，将事故控制在萌芽状态，尽量减少甚至避免各种事故给人民和企业带来的伤害，成为一个不容忽视的重要课题。然而目前市面上的大部分事故探测、报警等装置基本上都立足于事故发生之后，而这时已经产生了人员伤亡或设备的损害和损失，特别是在一些高危的化工企业，一旦事故发生就会迅速蔓延变得难以控制。因此，如何及时发现事故“隐患”，并对潜在事故发出“预警”，从而在事故尚未发生时就予以消除，是最好的事故防范措施。随着微电子技术、探测传感器技术、通信和网络化技术的飞速发展，火灾探测报警与消防通信技术领域发生了新的变化，而光纤差定温探测报警装置就是这样的一支走在探测事故潜在隐患前面的“尖兵”。

2 光纤差定温火灾探测报警系统简介

2.1 简述

线型光纤感温火灾探测器是近几年发展起来的，集光、机、电、计算机、光纤光缆和弱信号检测等技术于一体，实时测量空间温度场分布的高新技术。它能够连续测量光缆沿线的温度，测量距离可达几公里，空间定位可达到数米，能够进行不间断大范围的测量，并且由于传输信号是光信号而非传统的电信号，检测现场无需供电，实现了真正意义上的本质安全，并且具有节省能源、测量精度高、抗电磁干扰、防雷击、抗腐蚀、耐高温、体积小、数据传输快、自适应性能好等诸多优点，特别适用于化工原料库区类的大范围多点测量的应用场合。

2.2 工作原理

线型光纤差定温分布式测量设备是基于拉曼光时域反散射技术（ROTDR）原理工作的。一个激光脉冲在光纤中传输可以在其传送终端得到光纤上各点的背向散射信号，经过分析，拉曼散射信号的光强度包含了整条光纤温度场信息。

在背向散射光信号中包含了很多波长，有些波长的信号受温度变化的影响，有些不受影响。通过精准的测量背向散射信号的信号强度差异，将散射回来的光波经过波分复用，检测解调送入信号处理系统，经专家算法和快速数据处理功能从而可以实现精确测温，并且根据光波在光纤中的传播速度和背向光回波的检出时间可对信号进行精准定位。用光时域散射（OTDR）技术，可以确定光纤处的损耗，光纤故障点、断点的位置，因此也可称为光纤激光雷达。而利用改进的OTDR技术探测喇曼散射，可以确定沿光纤长度上的温度分布。 在光纤L处局域的Stokes Raman散射光子数为：

在光纤L处局域的反Stokes Raman散射光子数为 ：

其中，Ks、Ka为与光纤Stokes和反Stokes Raman散射截面有关的系数；S为光纤的背向散射因子；为Stokes Raman和反Stokes Raman散射光子频率；Nc为在光纤入射端的激光脉冲光子数；T为绝对温度；分 别为入射、Stokes Raman散射、反Stokes Raman散射光频率的光纤传输损耗；L为光纤待测局域处的长度；Rs (T)、Ra (T)为与光纤分子低能级和高能级上的布居数有关的系数，并有：

其中h是普朗克常数；k是玻尔兹曼常数。

解调法是用Stokes Raman散射OTDR曲线解调反Stokes Raman散射OTDR曲线。

图1 光波返回信号图

利用光时域反射（OTDR）技术，由光纤中光传播速度和背向回波时间，能对所测各温度点定位（类似于光雷达系统）。

图2 系统组成图

温度分辨率受以下几个方面的影响：测量时间，空间分辨率，传感光纤长度和光纤的衰减，熔接或连接器损耗。

2.3 技术特性

系统可以做到几公里范围内的分布式温度实时监控，提供连续的动态数据监测任意温度点预报警，温度分辨率0.1℃，精度±2℃。与工业常用的测温设备和元器件相比大大减少了设备数量和施工难度从而大幅度降低了工程投入。

具体技术参数见表1。

表1 技术参数

传感光纤光纤类型5 0 / 1 2 5或6 2 . 5 / 1 2 5 多模光纤动态范围1 5 d B测温范围-1 0 0℃～5 0 0℃(取决于探测光缆)接口类型光纤类型5 0 / 1 2 5或6 2 . 5 / 1 2 5 多模光纤动态范围1 5 d B测温范围-1 0 0℃～5 0 0℃(取决于探测光缆)其他可允许设置的测量时间1秒、2秒、3秒、5秒、1 0秒及以上可允许的测量模式单端、双端（可选）推荐校准周期3年激光辐射等级（I E C 6 0 8 2 5 -1：2 0 0 7）C L A S S 1

3 在某化工罐区的设计与施工

现有的化工罐区常用的有内浮顶、外浮顶、拱顶及球罐等。光纤差定温探测报警系统主要用于浮排密封圈附近，储罐顶部，球罐四周的温度探测。根据现场情况一般用机械夹具将感温光缆固定在储罐上。

3.1 感温光缆铺设方案

在此项目中储罐形式为卧式储罐，最终确定如下光缆敷设方案：

探测光缆从地下保护管引出沿着球型储罐的支撑柱拉向球型储罐的底部，从底部开始以螺旋方式盘绕在球型储罐外表面直至顶部。等光缆铺设到顶部后再沿着储罐外表面直接铺往地下，进入下一个储罐的铺设。

图3 卧式储罐光缆铺设图

考虑到储罐的外层为金属钢板，因此可以采用磁性较强的镍磁固定光缆铺设方式非常合适；在球型储罐的赤道线一下每隔0.5～1m设置一个固定点，而在赤道线以上每隔1m～3m设置一个固定点；每圈光缆之间的间距应在1.0m至3.0m之间，实际参数的设定应根据具体情况进行设定。

对于卧式储罐可以采用如图3所示的铺设方法，此法铺设起来简单易行，监测效果良好。

图4 卧式储罐光缆铺设展开图

如图4所示探测光缆从地下保护管引出后从卧式储罐的一端开始以类似正弦形的方式沿着储罐外表面铺向另一端，铺完后引入地下进入下一个储罐的铺设。

3.2 软件系统安装

运行安装目录下的文件Setup.exe，首先会检测Windows系统中是否有DTS系统运行所需要的Microsoft .NET Framework环境，如果没有，会首先运行dotnetfx.exe，安装Microsoft .NET Framework环境。

安装好Microsoft .NET Framework环境后，再运行Setup. Exe，或者第一次运行时已经检测到运行环境的存在，就会调用DTSSetup.msi，进行DTS系统程序的安装。

运行DTSSetup.msi后，首先进入欢迎界面。点击“下一步”，进入系统安装目录的选择，安装目录可以使用默认的目录，也可以选择其他的安装目录。

软件安装好之后，首先要进行注册，才能正常使用本系统软件。从桌面的“DTS分布式光纤测温系统”图标或“开始”-“程序”-“振东光电DTS”-“DTS分布式光纤测温系统”运行系统程序，进入主界面；后点击菜单“帮助”-“注册”，进入注册窗口；在注册码的输入框中输入设备供应商提供的注册码，然后点“注册”按钮，注册成功后，就可以正常使用本系统软件了。

4 工程总结

光纤差定温火灾探测报警系统设备投入少，安全性能高，探测精确，可重复多次利用，后期维护成本低，使用寿命长达20到30年，可与喷淋降温系统和消防灭火系统实时联动，能够大大提升化工厂设备的火灾预警能力，减少设备损坏和人员伤亡事故。因此，特别适合于石化、化工、罐区等易燃易爆的特殊场所。随着国家对安全生产越来越重视，用户对系统安全性的要求越来越高，消防安全的预警探测系统不仅满足了工业生产安全的需求，而且对启发我们在自控行业的现场探测传感方面的新思路也不无裨益。

西门子将增加研发投入3亿欧元，总额增至48亿欧元

2016财年（2015年10月1日至2016年9月30日），西门子将投入近48亿欧元用于研发，这一金额与上财年相比增加了约3亿欧元。至此，西门子在研发方面的投入相较于2014财年增长近20%。所增加投入的主要部分将被用于自动化、数字化以及分布式能源系统领域的研发工作。2015财年，西门子的研发力度（research intensity，即研发支出占营收额比重）为5.9%，较2014财年增长0.3%。此外，西门子还采取了一系列措施用于进一步加强公司的创新能力。

西门子股份公司总裁兼首席执行官凯飒（Joe Kaeser）表示，“西门子需要好的创意，因此我们正在创造条件以满足那些来自于公司内外部、拥有聪明才智的人能够快速有效地执行他们的想法。”

为了实现该目标，西门子正在组建一个新的部门，将在一个初创企业的环境中为新的尝试和增长提供空间。这个暂定名为“Innovation AG”的新部门将为业务和项目创意提供咨询、宣传以及风险投资服务。与初创企业类似，该部门独立于西门子核心业务之外，并将补充和加强西门子现有的初创项目。

为了增强公司整体的技术创新实力，西门子还同时成立了一个科学委员会。西门子技术与创新委员会（STIC）将为西门子股份公司管理委员会在技术与创新领域的战略话题提供系统的监测与分析。STIC由西门子股份公司首席技术官鲁思沃（Siegfried Russwurm）及其他七位在国际科研团体中德高望重、经验丰富的专家组成。

根据与在德员工代表达成的一致意见，西门子将启动一项投资基金以有针对性地加强员工的创新能力。为此，西门子除了在本财年内增加3亿欧元的研发投入外，还将在未来三年额外投入约1亿欧元。在未来一年内，将有约1,000万欧元的研发基金用于德国。这些资金将用于在员工内部培育能够带来经济效益的创新理念。与Innovation AG所资助的项目不同，这些创新理念无须完全专注于新技术或新业务才能获得资助，它们也可以是致力于改进流程、改善服务或者更好地维持客户关系。

作为与顶级大学建立研发合作的延伸，西门子在位于慕尼黑郊区的慕尼黑工业大学（TUM）加兴校区建立了新的研发中心。在该研发中心，超过100名西门子科学家将与慕尼黑工业大学的研究员一起，共同从事从信息技术安全到自动化系统方面的研究。2016年，西门子将在中国成立一个新的研发创新中心。该中心将实现跨业务集团合作，超过300名员工将从事针对中国和国际市场的全新数字化解决方案的研究。

西门子不仅与高校展开合作，还将进一步加强与初创企业的合作。例如，公司将在以色列的特拉维夫市设立新的联络处，以建立与以色列初创企业的紧密联系。西门子已经在全球设立了三个此类办公室，分别位于伯克利、上海和慕尼黑。为了找到最创新的点子，西门子“星探”每年会联系超过1,000个年轻的公司。

Engineering Application of Fiber Fixed Temperature Fire Detection and Alarm System

Aiming to composition and defects of the fire alarm system for the chemical raw materials warehouse, this article analyzes the working principle of linear fiber optic fixed temperature fire detector, parameters and network configuration of the alarm system, and summarizes the engineering design and construction scheme of the detector according to the real project.

Fire alarm; Optical fiber detector; Fiber optic cable laying; System

张靖宇（1972-），男，山东济南人，工程师，硕士研究生，研究方向为工业自动化仪表的应用。

刘华（1984-），女，山东济南人，助理工程师，本科学历，研究方向为工业自动化仪表的产品开发及应用。

师虎（1969-），男，黑龙江双城人，助理工程师，现任杭州和利时自动化系统工程有限公司华东区仪表业务负责人，主要负责电气、仪表的后期实施。