基于无线传感器网络的油罐区火灾监测

张雷

摘要：为有效的监测油罐区的状态和防止油罐区火灾发生，设计了基于无线传感器网络的油罐区火灾监测系统。严格执行相关国家标准， 根据原油的物理特性和燃烧特性，结合油罐区布局特点，选择了温度、湿度、烟雾、一氧化碳、二氧化碳、可燃气体这六种物理量作为监测对象，采集油罐区各个油罐的相关参数，利用无线传感器网络实时将数据传输到服务器和客户端，监测油罐区温度、湿度、烟雾、一氧化碳、二氧化碳、可燃气体数据变化，实现对油罐区的火灾监测。

关键词：无线传感器；火灾监测；网络；油罐区

1. 引言

石油化工生产过程中，油罐区的防火监控非常重要，如果油罐区某个地方一旦发生火灾，将会造成严重的生产事故，带来巨大破坏和人员生命伤害。2010 年 1 月，中石油兰州石化公司 303 厂出现了严重生產事故，316 罐区油罐发生爆炸和火灾，造成 6 人死亡和近 900 万元经济损失[1]。因此，对油罐区进行实时监控，实现油罐区的火灾预 防和报警系统，防止油罐区发生安全事故，降低损失，是石油化工生产过程中非常重要的问题。

现有的油罐区安全监测系统主要利用传感器采集储油罐相关参数，通过集散控制系统，将储油罐数据传到监控室，这些数据包括利用热电偶测量储油罐内部温度，利用雷达液位计测量油料液位，利用各种气体探测器检测输油管与储油罐接口处的甲焼、乙院、丙焼等可燃气体的浓度[2]。而监控室监控人员将对数据进行观察，如果发现数 据异常，则派人到现场巡查，查找异常原因。如果油罐区发生火情， 则按下火灾报警器并打开消防集散控制系统。现有的油罐区监测和火灾预警系统存在着较大缺陷，主要依靠人工巡查发现异常，人工手动处理异常并进行报警，自动化程度低。

随着无线传感器技术（WSN）的发展，可以更加方便、快捷的在油罐区按照布置数据采集设备，无需复杂的线路设计，既减少安装成本，又提高油罐区安全性，减少设备维护巡查时间。因此，将无线传感器技术应用于油罐区的火灾监测，将具有重要的意义。

2. 系统总体设计

根据历年统计结果，油罐区火灾发生年平均率仅为 0.448%，火灾发生原因主要有明火、静电、雷击、设备故障等，而大部分火灾是由于未严格执行操作规程而导致。目前，油罐区的设计建造是依据 GB 50074-2002《石油库设计规范》的规定，在油罐区，同一个油罐组内，最多只允许有 6 个容积为 10×104 m3 的油罐，每个油罐区油罐布局不允许超过两排。根据 GB50183-2004《石油天然气工程设计防火规范》的规定，油罐区消防系统主要包括固定式冷却水系统和固定式低倍数泡沫灭火系统，消防系统需要可以实现手动和自动的控制。油罐区消防系统还包括消火栓、泡沫栓、固定式消防水泡和灭火器等进行辅助消防灭火。

以某国家石油储备基地为例，基地内建有 30 座 10×104 m3 钢制双盘式外浮储罐，和配套的消防、通信、设备等。该基地分为 5 个罐区，每个罐区内建有 6 座 10×104 m3 储罐。整个基地的火灾危险性为甲类， 基地内火灾危险性较大的区域包括油罐区、输油泵棚、进出站阀组区等。

根据油罐区的布局特点和现状，基于无线传感器网络的油罐区的火灾监测将主要包括：1）油罐区数据采集系统，包括设计安装多种传感器，采集油罐区每个储油罐的状态参数，包括温度、压力、可燃气体检测等[3]；2）无线数据传输系统，根据油罐区无线传感器节点 网络拓扑结构，设计各传感器节点数据传输协议、路由算法等；3） 数据存储、查询、和实时处理、异常报警，包括初步处理采集的油罐区状态数据，实现利用客户端和移动设备实时查看油罐区状态，同时对油罐区数据进行监测，有效预报油罐区的异常。

根据 GB50183-2004《石油天然气工程设计防火规范》的规定， 在设计无线传感器网络和火灾预警系统时，严格按照规定，选择相关传感器部件、设计软硬件、网络布置、电气设计等，并符合国家消防安全资格认证（CCCF 认证）。图 2.1 所示为基于无线传感器网络的油罐区火灾监测系统总体设计。

该基于无线传感器网络的油罐区的火灾监测系统，所使用的传感器、芯片、配件、设备等价格便宜、可靠性高，系统所需成本低，而且系统维护、更新方便、快捷，非常适用于油罐区的火灾监测。

2.1 油罐区火灾探测传感器选择

油罐区内油罐主要储存的是原油，原油的闪点低于 28℃，火灾危险性很大，因此油罐内温度的变化，对油罐区火灾监测非常重要，因此需要选用合适的温度传感器。同时，根据对原油燃烧过程的研究， 可以得出油罐区着火后，将会经历四个阶段：着火早期、阴燃阶段、油罐原油全燃阶段和原油燃尽熄灭阶段。每个阶段所产生释放的物质存在又较大的区别。在着火早期阶段，原油将发生慢慢的热解，此时一般会产生一氧化碳、二氧化碳、细小不可见微粒等，燃烧释放的能量也很少。随着燃烧的继续，将进入原油阴燃阶段，此时原油发生了进一步热解，释放更多的一氧化碳、二氧化碳，也会产生人眼可见的微粒，燃烧释放的热量也很大，油罐区温度显著升高。在原油全燃阶段，出现大量火焰，一氧化碳、二氧化碳和烟雾进一步增多，同时产生大量的可燃气体，油罐区温度直线上升。最后，在原油耗尽熄灭阶段，原油被慢慢燃尽，油罐区温度也开始慢慢下降，燃烧所产生的气体、烟雾也慢慢消散[4]。

在油罐区火灾监测时，需要严格执行相关国家标准，因此需要执行《GB4717-2005 火灾报警控制器》、《GB4716_2005 点型感温火灾探测器》、《GB4715-2005 点型感烟火灾探测器》、《GB15322.1-2003 可燃气体探测器》等国标的要求。

根据油罐区原油的物理性质和燃烧特性，油罐区的温度变化非常敏感，同时当原油燃烧时，将会产生大量的一氧化碳、二氧化碳、可燃气体，同时湿度也将会显著性变化，因此我们选择温度、湿度、烟雾、一氧化碳、二氧化碳、可燃气体这六种物理量作为监测对象。国标中对火灾监测传感器要求为：温度精度为0.01℃，湿度精度为 1%RH，气体浓度精度为 1ppm，同时要求火灾响应时间小于 10s。考虑目前的相关传感器的性价比和已有的火灾监测技术，表 1 所示为我们所选择的传感器种类和性能参数。

2.2 传感器节点模块设计

油罐区面积较大，范围较广，单个油罐发生火灾，将会引起连锁反应，因此需要对每个油罐进行监测。因此，传感器节点设计时，需要将选用的 6 种传感器集成在一起，统一布置在油罐区每个油罐周围。

图 2.2 所示为传感器节点模块的设计。传感器节点模块设计完成后， 将模块安置于油罐区每个油罐顶部，监测油罐内原油状态。

2.3 节点控制模块

传感器节点模块主要负责采集油罐区状态数据，但是需要设计控制模块，实现传感器节点的有规律的数据采集、处理、传输。图2.3所示为各传感器节点控制模块。节点控制模块主要功能是：1）各傳感器数据采集的管理；2）监测数据的处理、本地存储、传输、转发； 3）无线传输网络的构建、管理、维护；4）电源的管理，增加无线传感器网络使用寿命。微处理器选用 ARM 的 LPC1225 芯片，射频模块选用 CC2530 芯片。

2.4 网关节点

网关节点主要实现油罐区无线传感器网络和服务器端外部网络的通信和数据传输。我们选用芯片为 RT5350 的 Zig Bee 网关，实现： 1）接受服务器和客户端指令，传输到协调器，发送到无线传感器网络；2）接受无线传感器网络传送的油罐区状态监测数据，上送到服务器端。

3. 系统软件设计

3.1 传感器节点软件设计

图 3.1 所示为传感器节点的程序设计结构图。当油罐区无线传感器节点布置完成后，每个传感器节点将按照图中所示流程，完成油罐区数据的采集、传输。

3.2 节点控制模块软件设计

图 3.2 所示为节点控制模块的程序设计结构图。油罐区无线传感器节点布置完成后，根据图中的控制程序，构建油罐区各个传感器节点的通信、数据传输网络。构建网络时，需要设计路由算法和网络拓扑结构，常用的是平衡能量使用率和网络寿命的分簇自组网结构。

3.3 数据库系统设计

油罐区无线传感器网络运行后，将持续不间断的采集油罐区状态数据，随着时间的推移，将产生大量的油罐区状态数据。因此需要对采集的数据进行有效的存储、查询、监测、管理。首先，需要建立油罐区状态实时数据库，管理、存储油罐区无线传感器采集到的实时油罐区状态数据。其次，设计用户界面和客户端，实现方便、快捷、准确、及时的数据查询、观测、分析。最后，需要根据油罐区原油着火后，温度、湿度、烟雾、一氧化碳、二氧化碳、可燃气体这六种物理量的变化趋势，分析数据的变化趋势，建立油罐区火灾监测和预警专家系统，实现在线、实时的油罐区火灾预警。

4. 结果与分析

为了验证无线传感器网络的有效性和实用性，我们模拟油罐区火灾环境，利用构建的无线传感器网络进行监测。首先，在标准燃烧室布置传感器节点和控制模块，搭建无线传感器网络，调试网络。我们一共布置了 4 个无线传感器节点。在每个节点处，点燃准备好的原油样本，利用无线传感器网络，观察采集到的数据变化。

根据实验的结果，4 个传感器节点均能有效的采集到节点附近的温度、湿度、烟雾、一氧化碳、二氧化碳、可燃气体这六种物理量的变化。当原油被点燃后，温度呈现逐渐上升趋势，二氧化碳浓度有着明显的上升，湿度缓慢下降，一氧化碳浓度变化较小。由于传感器精度限制和原油燃烧量较小，湿度和一氧化碳浓度的变化不易变化。鉴于文章篇幅，图 4.1 和图 4.2 所示为实验前后传感器节点采集的温度、二氧化碳浓度变化。

本实验结果说明无线传感器网络各节点工作正常，可以有效的采集节点附近的相关物理量数据，可以实现对油罐区温度、湿度、烟雾、一氧化碳、二氧化碳、可燃气体的变化进行实时观察，从而实现油罐区的火灾监测。

5. 结语

为了有效的监测油罐区的日常状态和实现油罐区火灾监测，设计了无线传感器网络。根据相关国家标准，分析原油的物理特性和燃烧特性，选择温度、湿度、烟雾、一氧化碳、二氧化碳、可燃气体这六种物理量作为监测对象，选用了相关的传感器，采集油罐区附近的状态参数，并利用无线网络，传输到服务器和客户端。无线传感器网络， 变有线为无线，使得油罐区的日常监测更加方便、快捷、安全、准确， 可以降低监测成本，提高了油罐区的安全性。

参考文献：

[1] 刘甜，张少轩. 基于无线传感器网络的油井监控系统[J]. 油气田地面工程，2014，33（3），69-70.

[2] 张乃禄，姚萱萱，李选锋，盛小洋，刘翔周. 基于无线网络的远程注水监控系统[J]，油气田地面工程，2011，30（12），61-63.

[3] 吴洪贵. 无线传感器声幅变密度测井技术[J]，油气田地面工程，2014，33（12），57-58.

[4] 缪晓龙. 基于无线传感器网络的油罐区火灾监测节点研究[D]， 南京理工大学，2014.

作者简介：

王熙康. 基于传感网络的油罐区火蔓延与火反演技术研究[D]，南京理工大学，2014.