光纤光栅感温火灾探测技术在油库的应用研究

文/谢飞 陈雁 何少炜

前言

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[1～3]。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[4～5]。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。

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：

其中，λB是反射光波的布拉格波长，neff是光纤芯的有效折射率，Λ是光栅周期。neff和Λ对外界环境的变化非常敏感，当光栅受到热负荷、外界力等外界激励的时候，neff和Λ随之发生变化，从而导致λB的变化。因此通过检测受外界激励后光栅的反射光谱的布拉格波长的变化，即可以测定光栅受激励影响的程度[6]。

当外界环境的温度变化时，布拉格波长的变化为：

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[7]。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。

1.2 光纤光栅火灾探测原理

光纤光栅火灾探测原理如图1所示。宽带光源通过Y型分路器入射到光纤光栅感温探测器中，光纤光栅选择性地反射回一窄带光波，窄带光波经Y型分路器进入可调滤波器。可调滤波器采用光纤F-P可调滤波技术解调反射光波，得到窄带光波的布拉格波长[8]。

图1

根据火灾探测报警温度的需求，可调滤波器可设置报警滤波波长。当环境温度低于报警温度时，反射光的布拉格波长小于可调滤波器设置的报警滤波波长，可调滤波器的输出端口无光输出；当发生火灾，环境温度达到报警温度时，反射光的布拉格波长与可调滤波器设置的报警滤波波长重合，可调滤波器的输出端口有光输出，探测器探测到光信号，则触发火灾报警。

2.光纤光栅感温火灾报警系统

2.1 系统组成

光纤光栅感温火灾报警系统主体由感温探测器、感温火灾信号处理器、火灾监控报警系统组成，还包括起串联作用的连接光缆、光缆接续盒、传输光缆等结构，见图2。

图2

感温探测器是火灾报警系统的核心测量组件，其结构简图如图3所示，主要由测量光栅、导热感温材料等部分组成，光栅两端通过不锈钢管连接光缆。

图3

感温火灾信号处理器包括光纤光栅解调器、信号处理器和外接端子分配器三部分组合。解调器为感温探测器提供宽带光源，并对反射光进行调制解调，将解调数据输送到信号处理器进行处理。信号处理器接收来自解调器解调后的数据，经过分析和计算得到每个感温探测器检测到的实时温度，指挥报警系统的控制与输出信号，当现场温度发生异常时发出预警、报警。外接端子分配器是外接多路输出设备，可连接至火灾监控报警系统。

图4

2.2 系统特性

光纤光栅感温火灾报警系统应用于油库具有显著优势：

（1）电绝缘性能好。现场安装时，可以不动火不用电，带油安装，不影响油罐的正常生产运行；系统运行时，传感器利用光波传输信息，储油罐区可实现无电检测，本质安全。

（2）抗干扰能力强。光强起伏、电磁辐射、雷击等因素不会影响传感信号的波长特性，系统具有很高的可靠性和稳定性。

（3）系统可靠性好。系统可实时显示现场温度，报警温度可以根据现场需要进行设置或变更，且具有可靠的故障自检功能

（4）监测区域广。采用波分复用技术的光纤光栅便于构成分布式传感阵列，非常适合在储油区进行大面积的多点测量。

3.火灾报警系统在油库的应用

某部队后方油库地处西北地区，夏季高温干燥，易发生火灾，油库原有的油气浓度火灾报警器敏感度不高、稳定性差，无法满足火灾监测和报警要求，因此采用光纤光栅火灾感温报警系统。

油库储油罐区内26座立式内浮顶储油罐、6座卧式埋地回空罐安装光纤光栅感温探测器，消防值班室安装感温火灾信号处理器对系统进行管理和设置，并通过网络将系统信息传送至办公楼火灾监控报警系统。

以2万方储油罐区为例，8座2万方储罐配置一台24通道光纤光栅感温火灾信号处理器，每座2万方储油罐安装42只光纤光栅感温探测器。感温探测器采用分布式结构单回路连接，按3串铺设，每串13只。感温探测器用固定卡固定在储罐罐顶护栏底板，固定间距不大于1米，采用圆周铺设。

火灾监控报警系统可以实时跟踪和探测储油罐区32座油罐的现场温度，系统运行界面如图4所示。当现场温度达到65℃或升温速度超过5℃/min时，系统将发出报警信号。

安装完成后的光纤光栅火灾报警系统主要有以下技术指标：

（1）感温探测器

测温范围：－30℃～120℃

测量精度：±2℃

温度分辨率：0.1℃

响应时间：＜ 2s

（2）感温火灾信号处理器

报警温度设定范围：65℃～105℃

每通道最大传感器点数：20个/通道

信号处理器每一通道响应时间：＜ 0.38s

该光栅光纤火灾报警系统2017年在油库建成并投入使用，通过实测证明，报警系统运行状况良好。

4.结束语

光纤光栅感温火灾探测技术具有众多天然的优势，是目前应用于油库火灾报警的最佳技术之一。基于该技术的油库火灾报警系统在储油罐区内的成功应用证明该技术能够很好地解决油库火灾监测和预警的难题。根据它的技术特点及实际应用情况，该系统可以进一步在油库其他易燃易爆等高危场所推广应用，比如变电站、泵站等场所。