分布式光纤测温系统试验研究及在原油储罐中的应用

马开良，汤 剑，管孝瑞，张玉平

(1.中国石化青岛安全工程研究院化学品安全控制国家重点实验室,山东青岛 2660712.徐州实华管道特种作业有限公司，江苏徐州 221008)

0 前言

密封圈火灾作为原油储罐最常见事故，若不能在源头遏制，易引发更大的危险事故。国内大型原油储罐已发生了多起因雷击造成的密封圈燃爆事故[1]。GB50160-2018《石油化工企业设计防火规范》规定：单罐容积大于或等于30 000 m3的浮顶罐密封圈处应设置火灾自动报警系统；单罐容积大于或等于10 000 m3并小于30 000 m3的浮顶罐密封圈处宜设置火灾自动报警系统。

目前在浮顶罐的密封圈处推荐设置光纤光栅感温火灾探测器，该类型的线型感温火灾探测器目前在石油化工企业已大面积应用[2，3]，但存在以下不足。

a)温度传感器串接而成，熔接点受热胀冷缩以及浸水影响，可靠性差，容易造成传感器断纤故障，甚至全部监测区域缺失。

b)受传感器设计和封装工艺限制，温度传感器会出现漂移，需要定期重新标定传感器，运行维护工作量大。

c)点式准分布测量，只能测量传感器安装位置及附近的温度，存在测量盲区。

本文基于分布式光纤传感技术，研发了一种新型的密封圈火灾探测装置，具有不受电磁干扰、耐腐蚀、系统铺设简单方便等优势，并进行现场应用。

1 分布式测温系统开发

1.1 光纤分布式测温原理

光在光纤中传输时，产生辐射散射现象，主要有瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射[4]，如图1所示。具体差异如下[5]。

图1 光传输产生的辐射散射类型

a)布里渊散射的分布式光纤测温系统的优势为阈值功率低，使得测温系统测温距离明显提升，但其频移较小，对脉冲激光器的稳定性要求极高，而且需利用高工艺的波分复用器来减小瑞利散射的干扰，所以其在成本和技术方面存在一定的劣势。

b)瑞利散射的分布式光纤测温系统分辨率低。瑞利的散射系数对温度的敏感度较低，使得很难得到准确的温度值，后处理需要进行大量优化方式去噪，增加了系统的响应时间[6]。

c)拉曼散射产生的斯托克斯光和反斯托克斯光对温度相当敏感；拉曼型测温系统对各部件工艺要求低；施工量与布里渊散射系统差异较小，其成本较低，适合大规模、远距离的温度监控。

基于以上分析，结合外浮顶储罐实际运行工况，选择拉曼散射的分布式光纤测温系统进行密封圈火灾监测。利用光纤中拉曼散射光信号对温度的敏感特性，实现对温度变化的精确测量。

1.2 分布式测温系统组成

拉曼散射的分布式光纤测温系统主要包含激光器(Laser)、光电转换器(APD)及放大电路、波分复用器(WDM)、AD高速采集卡、X86主板、电源等组成，系统框图如图2所示。

图2 系统框架

本系统采用经典的拉曼散射原理进行设计，采用传统的X86架构系统集成。选用中心波长为1 550 nm脉冲激光，62.5/125 μm的多模光纤作为传感单元。

1.3 系统参数确定

系统参数目标见表1。

表1 拉曼散射分布式光纤测温系统参数

1.4 分布式测温系统选型

a)电源模块。激光器和光开关、采集卡、LCD需要5 V供电，独立5V模块，X86主板控制器需要12 V供电，APD需要5 V、-5 V，采用两路模块独立提供，且这些电源模块均带有缓启动功能，抑制冲击电流。

b)X86主板。满足接口、性能、功耗、尺寸等要求，主板整体进行不锈钢外壳包裹，增加主板的散热效果。

c)APD。采用温控APD模块，固定偏压。

d)脉冲激光器。选用中心波长为1 550 nm脉冲激光，激光功率为210。

1.5 系统功能

本系统具有用户权限、采集、实时数据显示、通道切换、通道参数设置、原始曲线显示、原始数据抓取、数据存储、数据上传、系统标定、光缆断裂判断、系统受激自动判断、系统自检、可远程控制等功能。

2 分布式测温系统试验研究

2.1 发热性测试

2.1.1测试步骤

测试样机在正常工作下，是否会产生发热现象，分别对机箱内部和APD光电探测器进行温度测试，测试方案如下。

a)在APD壳体和机箱内部贴上温度传感器(电子式温度记录仪)，用于记录温度变化。

b)整机放在恒温试验内，外接两通道的光纤，长度约为4 km，首尾两端各有一卷放在高温水槽内，其它光纤放在水箱内，以保持光纤温度尽可能的稳定。

c)设置环境温度为25 ℃，光纤标定后运行时间至少1 h，直到仪器内部环境温度及壳体温度相对稳定。

d)加热到40 ℃，连续运行，至少12 h。温度记录仪记录环境温度和APD壳体温度变化。得到结果如图3、图4所示。

图3 25～40 ℃时内部环境温度、APD壳体温度变化曲线

图4 25～40 ℃下壳体温度与机箱内部环境温度之差变化趋势

2.1.2测试分析及结论

通过以上数据分析可以得到以下结论。

a)当机箱环境温度为25 ℃时，运行3 h稳定后，机箱内部环境温度为27.3 ℃，壳体约30 ℃。

b)当机箱温度为40 ℃时，运行17 h稳定后机箱内部环境温度大约为44.7 ℃，APD壳体温度最高在50.7 ℃，两者温度之差稳定在6 ℃左右。

c)得到的最高温度在设备允许的范围内，因此该设备发热性测试通过。

2.2 测温精度及可靠性测试

2.2.1测试步骤

测试分布式光纤主机在环境温度变化下的测温精度及可靠性，在发热性的测试的同时，进行测温精度及可靠性测试。

a)25 ℃时，采用80 ℃水槽光纤标定，记录前端测温区T1、尾端测温区T2及中间平坦区光纤温度。

b)环境温度升高到40℃，在不同时间记录以上3个参数的变化。

2.2.2测试分析及结论

从表2中看出，前后端的温度有约5 ℃的误差，但随着环境温度从25～40 ℃变化，T1-T2之差变化了1.3 ℃。其中40 ℃环境大概运行20 h左右的时间。测量的稳定性良好，未出现较大的变化。

表2 整机25～40 ℃变化时测量温度的稳定性 ℃

分析前后端的温度有约5 ℃的误差，主要原因为激光功率稍高，产生自激，调整后，再一次进行标定，测量的稳定性良好，得到结果如图5所示。

图5 整机温度测试

a)T1为79.41 ℃，T2为78.57 ℃，T1与T2之差为0.85 ℃，平坦区方差为0.524 ℃，满足设计要求。

b)常温下，4 km光纤在标定良好的条件，前后可以做到±1 ℃的误差。在25～40 ℃变化时，温度变化不超过2 ℃。

c)随着环境温度的改变，APD增益，该种增益的变化，对于测量影响不大。

3 工程应用

3.1 感温光缆的安装及保护

感温光缆铺设是火灾监测系统的重点。光缆的铺设位置、铺设方式决定了该系统的使用寿命和后期的维护成本。为节省施工周期及费用，在埋地段选用铠装光缆，进行直埋铺设，埋地深度400 mm，光纤上下采用软土掩埋，过路过墙进行穿管保护。

光缆铺设到储罐底部后，采用镀锌钢管保护。下罐时采用金属防爆软管保护，在储罐顶部浮盘，测温光缆沿着罐顶密封圈线型布设，用U型卡将光缆固定于罐顶密封圈处，如图6所示。

图6 测温光缆现场安装

3.2 系统运行状况分析

分布式光纤火灾测温系统进行实时监测密封圈的温度变化情况。系统主界面将整个密封圈分为4个区域，平均温度分别为26.2，24.3，13.5，13.2 ℃，经过现场勘查，温度差异原因为阳光照射所引起，点开每个区域可观察每1 m的温度值。若存在火灾隐患，系统会根据预设的报警规则进行报警动作。此时油库管理人员应当引起重视，及时消除隐患。

4 结论

a)基于拉曼散射原理，开发了储罐密封圈分布式测温装置，以光纤作为传感和传输载体，能够对密封圈火灾进行实时监测。

b)进行了发热性、稳定性、准确性测试，得到在40 ℃运行17 h，壳体温度为50.7 ℃，精度可达±1 ℃，首端与末端的温度差不超过2 ℃，满足运行要求。

c)在现场进行了试点应用，效果良好。