分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)在LNG儲(chǔ)罐泄漏和冷卻溫度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

劉 冰 王 潔 吳健宏 高 放

(中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100007)

天然氣液化、LNG運(yùn)輸、大型接收終端、小型中轉(zhuǎn)站及衛(wèi)星站等各個(gè)環(huán)節(jié)，都設(shè)有一定數(shù)量和不同規(guī)模的LNG儲(chǔ)罐。儲(chǔ)罐泄漏是一種隱性風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)引起火災(zāi)與爆炸，影響LNG產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展與延伸，不僅造成巨大的資產(chǎn)損失，也會(huì)造成惡劣的社會(huì)影響。LNG儲(chǔ)罐作為低溫液體的大型儲(chǔ)存裝置，在過(guò)量充注、內(nèi)罐破裂或地震時(shí)可能會(huì)發(fā)生泄漏，LNG從內(nèi)罐泄漏至環(huán)形空間，與罐底、熱保護(hù)邊角和罐壁直接接觸，如果不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)將可能造成大量泄漏，進(jìn)而影響儲(chǔ)罐上部混凝土外壁的傳熱特性。

傳統(tǒng)的LNG儲(chǔ)罐泄漏監(jiān)測(cè)是通過(guò)點(diǎn)式溫度傳感器實(shí)現(xiàn)的。只有當(dāng)泄漏量覆蓋到檢測(cè)點(diǎn)時(shí)泄漏才能被監(jiān)測(cè)到，具有一定的延遲性，而且也無(wú)法確定泄漏點(diǎn)的具體位置。由于溫度傳感器的使用壽命較短(約3～5年)，一旦損壞，儲(chǔ)罐將失去泄漏報(bào)警功能。隨著儲(chǔ)罐數(shù)量和規(guī)模的增加，溫度傳感器的布線長(zhǎng)度和難度都有所增加，導(dǎo)致系統(tǒng)投資成本增加。

為了實(shí)現(xiàn)LNG儲(chǔ)罐泄漏的提早檢測(cè)、定位與報(bào)警功能，同時(shí)降低泄漏監(jiān)測(cè)成本，有研究者提出并設(shè)計(jì)了分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)(DTS)。目前國(guó)際上在分布式光纖測(cè)溫技術(shù)方面處于領(lǐng)先的系統(tǒng)供應(yīng)商主要有德國(guó)AP Sensing、德國(guó)LIOS Technology及美國(guó)Sensor Tran等公司，其產(chǎn)品已在多個(gè)LNG接收終端和LNG運(yùn)輸船上應(yīng)用，主要用于監(jiān)控LNG儲(chǔ)罐泄漏、天然氣管道泄漏和關(guān)鍵設(shè)備的溫度變化特性。在此，筆者以國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用項(xiàng)目(中海油天津浮式LNG項(xiàng)目)為例，介紹采用分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行LNG儲(chǔ)罐的在線泄漏和冷卻溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 分布式光纖測(cè)溫技術(shù)原理①

激光光源向光纖中注入激光脈沖，大部分光能夠傳到光纖末端并消失，小部分后向散射光會(huì)沿著光纖返回。分布式光纖測(cè)溫技術(shù)基于對(duì)溫度最為敏感的光纖背向拉曼(Raman)散射效應(yīng)，光纖中的每一點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生拉曼散射，一部分光能轉(zhuǎn)換成熱振動(dòng)，生成比光源波長(zhǎng)更長(zhǎng)的光，稱為斯托克斯光(Stokes)；一部分熱振動(dòng)轉(zhuǎn)換成光能，生成比光源波長(zhǎng)更短的光，稱為反斯托克斯光(Anti-Stokes)[1]。Anti-Stokes光的強(qiáng)度隨溫度變化而變化，Anti-Stokes光與Stokes光的強(qiáng)度之比提供了一個(gè)關(guān)于溫度的函數(shù)關(guān)系：

式中a——溫度相關(guān)系數(shù)，與已知的起始溫度T0有關(guān)；

c——真空中的光速；

h——普朗克常量；

Ia——Anti-Stokes光光強(qiáng)；

Is——Stokes光光強(qiáng)[2]；

k——玻爾茲曼常數(shù)；

T——溫度絕對(duì)值；

v——拉曼平移量。

在光纖的一端對(duì)攜帶溫度信號(hào)的背向散射光進(jìn)行光解調(diào)，可解調(diào)出溫度信號(hào)。光解調(diào)技術(shù)主要包括光時(shí)域反射技術(shù)(OTDR)和光頻域反射技術(shù)(OFDR)，無(wú)論時(shí)域還是頻域，信號(hào)的解調(diào)都采用參比光與攜溫信號(hào)光對(duì)比進(jìn)行溫度解調(diào)。OTDR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)之一是可直接對(duì)散射光位置進(jìn)行定位[3]，當(dāng)后向散射光返回至光纖入射端時(shí)，可測(cè)量到入射光和反射光之間的時(shí)間差t，則發(fā)生散射的位置距入射端的距離X可表示為：

式中n——光纖的折射率。

2 工程應(yīng)用實(shí)例

中海油天津浮式LNG項(xiàng)目一期工程建設(shè)規(guī)模為220萬(wàn)t/a，采用帶汽化設(shè)施的LNG浮式裝置(FSRU)進(jìn)行汽化外輸，采用陸上小型儲(chǔ)罐通過(guò)LNG槽車進(jìn)行液態(tài)外輸。一期陸上儲(chǔ)罐工程包括兩座3萬(wàn)m3混凝土全容罐及其配套設(shè)施。在此介紹分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試方案，以及對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵性能指標(biāo)的選型要求。

2.1 總體方案

本方案為兩座LNG儲(chǔ)罐配置了一套分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)，用于LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐泄漏監(jiān)測(cè)，同時(shí)也用于內(nèi)罐罐壁冷卻溫度的在線測(cè)量，被檢測(cè)介質(zhì)LNG的設(shè)計(jì)溫度-168℃，內(nèi)罐高度23m。分布式光纖測(cè)溫主機(jī)的第一個(gè)通道由連接光纜接入第一個(gè)儲(chǔ)罐的接線箱，與測(cè)溫光纜相連。測(cè)溫光纜從罐頂管嘴進(jìn)入，然后沿著內(nèi)罐的外壁向下敷設(shè)，到罐底后光纜沿LNG罐底部環(huán)形空間敷設(shè)一周，然后沿著罐壁往上返回敷設(shè)，最后從罐頂管嘴出去。光纜從第一個(gè)儲(chǔ)罐出來(lái)后繼續(xù)進(jìn)入第二個(gè)儲(chǔ)罐的管嘴，以相同的方式從第二個(gè)儲(chǔ)罐的管嘴引出光纜，然后連接至罐頂?shù)慕泳€箱，再由連接光纜接入測(cè)溫主機(jī)的第二通道。本方案選擇最為經(jīng)濟(jì)且合理的敷設(shè)區(qū)域進(jìn)行布線，在內(nèi)罐外壁采用豎向布置方式更加符合罐壁的溫度傳熱特性。整套系統(tǒng)的平面布置如圖1a所示，單個(gè)儲(chǔ)罐的布置方案如圖1b所示。

a. 系統(tǒng)整體布置

b. 單根光纖在單個(gè)LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的布置圖1 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)布置示意圖

2.2 光纜

測(cè)溫光纜一般采用50/125m的多模光纖，層絞松套管結(jié)構(gòu)，套管材料為316不銹鋼。溫度測(cè)量范圍-180～+70℃。衰減不大于3.00dB/km(λ=850nm)，不大于0.74dB/km(λ=1300nm)。連接光纜采用普通的50/125m多模通信光纜。盡管光纖發(fā)生斷裂的可能性很小，但實(shí)際的測(cè)溫光纜也要采取冗余配置。

2.3 測(cè)溫主機(jī)

測(cè)溫主機(jī)由微處理器、光器件及激光源等組成，它們被集成在機(jī)箱內(nèi)，主要用于整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)配置、信號(hào)采集、信號(hào)分析及分析結(jié)果輸出等功能，設(shè)置在控制室內(nèi)。主機(jī)配備兩個(gè)通道，每個(gè)通道可以連接4km以上的測(cè)溫光纖。為了保證泄漏監(jiān)測(cè)的可靠性，系統(tǒng)采用雙端測(cè)量模式，兩個(gè)通道分別從兩個(gè)方向?qū)ν桓饫w進(jìn)行測(cè)量并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校正，確保溫度測(cè)量值的可靠性。系統(tǒng)的核心測(cè)量指標(biāo)和技術(shù)要求如下：

采樣間隔 0.15～1.00m(在不增加系統(tǒng)投資的前提下，采樣間隔越小越好)

空間分辨率 0.5m

測(cè)溫精度 ±1℃

溫度分辨率 0.1℃

單通道掃描時(shí)間 不大于60s(取決于測(cè)量精度和距離)

主機(jī)電源 220V(AC)，50Hz

通信接口 TCP/IP、USB、串行RS232及RS485等接口

激光源 安全級(jí)別要符合IEC60825-1M：2001中的1M等級(jí)

激光輸出功率 小于35mW(IEC60079-28)

為了確保產(chǎn)品選型的合理性和可靠性，在實(shí)際選型中也要分析系統(tǒng)其他設(shè)計(jì)指標(biāo)能否滿足上述要求，如：系統(tǒng)的空間分辨率與光脈沖寬度、探測(cè)器響應(yīng)速度和探測(cè)器數(shù)據(jù)處理時(shí)間有關(guān)，整套系統(tǒng)的分辨率取決于這3種影響因素的最大值。本系統(tǒng)的空間分辨率要求為0.5m，經(jīng)計(jì)算，探測(cè)光的脈沖寬度應(yīng)不大于5ns，APD和數(shù)據(jù)采集的響應(yīng)速率不小于200MHz。在選擇較高空間分辨率的同時(shí)，要確保關(guān)鍵設(shè)備的性能參數(shù)能夠滿足設(shè)計(jì)需要。

2.4 可視化軟件

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的監(jiān)控畫(huà)面至少要實(shí)現(xiàn)以下基本功能：

a. 實(shí)時(shí)顯示所有監(jiān)測(cè)回路的布局圖和溫度值，并以顏色進(jìn)行表征。顯示各回路報(bào)警指標(biāo)的當(dāng)前量。

b. 泄漏報(bào)警。根據(jù)用戶要求設(shè)置泄漏報(bào)警值，并對(duì)被監(jiān)控的空間按段設(shè)置不同分區(qū)，對(duì)不同的部位進(jìn)行不同標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)控?？稍O(shè)置多級(jí)絕對(duì)溫度報(bào)警和多級(jí)溫差報(bào)警，或是兩者的結(jié)合，基本消除誤報(bào)。此外，還可以定位報(bào)警位置，并記錄報(bào)警數(shù)據(jù)。

c. 光纖斷裂報(bào)警。當(dāng)出現(xiàn)光纖斷裂時(shí)報(bào)警，并顯示斷裂位置。

2.5 監(jiān)控主機(jī)硬件要求

系統(tǒng)的監(jiān)控主機(jī)采用研強(qiáng)工業(yè)計(jì)算機(jī)，具有Intel雙核處理器、320GByte硬盤(pán)和2GByte內(nèi)存的配置。顯示器采用戴爾17英寸液晶彩色顯示器，Windows XP操作系統(tǒng)。

2.6 檢驗(yàn)和測(cè)試

檢驗(yàn)和測(cè)試的主要目的是保證分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的精度滿足設(shè)計(jì)要求，一般采用溫度校正和關(guān)鍵檢測(cè)點(diǎn)定位方式。溫度校正通過(guò)使用恒溫水槽，將一段光纖放入均勻、穩(wěn)定的溫度環(huán)境中，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溫度探測(cè)器獲取的水溫信息校準(zhǔn)溫度斜率和溫度零點(diǎn)。為降低光纜米標(biāo)的誤差，對(duì)測(cè)溫區(qū)域的關(guān)鍵位置(如區(qū)域交界點(diǎn)、測(cè)量起始點(diǎn)、測(cè)量結(jié)束點(diǎn)和用戶關(guān)注的重點(diǎn)區(qū)域)進(jìn)行系統(tǒng)定位。系統(tǒng)的工廠測(cè)試還應(yīng)包括系統(tǒng)溫度精度測(cè)試、溫度重復(fù)性測(cè)試和環(huán)境溫度變化時(shí)所進(jìn)行的系統(tǒng)精度測(cè)試。

3 光纖安裝及其注意事項(xiàng)

目前，光纖敷設(shè)主要有卡槽焊接和耐低溫磁鐵固定兩種方式。考慮到后者對(duì)低溫磁鐵的性能要求較高，本方案采用了卡槽焊接方式，焊接方式已在儲(chǔ)罐表面溫度傳感器安裝中被普遍采用，因此相對(duì)成熟可靠。通過(guò)卡槽將光纖扣在罐壁和罐底，再通過(guò)螺釘進(jìn)行焊接固定。由于LNG儲(chǔ)罐的特殊要求，不銹鋼螺釘不能直接焊接到罐壁上，因此卡槽應(yīng)焊接到預(yù)先固定在罐壁上的9Ni鋼板上。為確保安全，焊接過(guò)程中應(yīng)確保距離儲(chǔ)罐上任意的垂直焊縫300mm以上，距離任意的水平焊縫150mm以上。

在工程實(shí)施中應(yīng)考慮的注意事項(xiàng)：在將尾纖連接到測(cè)溫主機(jī)端口之前，必須確保尾纖端子潔凈且無(wú)雜質(zhì)，并且要確保激光器是處于關(guān)閉狀態(tài)以保證連接可靠；每次拔下尾纖后，在連接前需要對(duì)尾纖進(jìn)行清理；在施工過(guò)程中需填寫(xiě)光纜敷設(shè)主光纜接續(xù)盒和記錄；在進(jìn)行分區(qū)主區(qū)域報(bào)警參數(shù)設(shè)定過(guò)程中要做好相應(yīng)的配置記錄；在系統(tǒng)施工過(guò)程中，需做好相應(yīng)的實(shí)施進(jìn)度記錄，包括固定件安裝、光纜安裝、主機(jī)安裝及系統(tǒng)調(diào)試的具體日期等。

4 結(jié)束語(yǔ)

在中海油天津浮式LNG項(xiàng)目中，在兩個(gè)LNG儲(chǔ)罐的環(huán)形空間和罐壁上安裝了測(cè)溫光纖。光纖測(cè)溫系統(tǒng)可提供光纖回路上每一點(diǎn)的溫度信息，兩個(gè)儲(chǔ)罐的溫度檢測(cè)點(diǎn)數(shù)達(dá)到了1 600個(gè)，是常規(guī)測(cè)量方法的二十多倍，單點(diǎn)的信息監(jiān)控成本僅約400元人民幣(常規(guī)方法約2萬(wàn)元人民幣)。此外，報(bào)警參數(shù)值設(shè)置靈活，包括最低溫報(bào)警、溫降

速率報(bào)警及低溫尖峰值報(bào)警等。光纖測(cè)溫主機(jī)可以把這些溫度信息和報(bào)警信息通過(guò)Modbus協(xié)議實(shí)時(shí)傳輸?shù)街锌叵到y(tǒng)，在中控系統(tǒng)的操作界面上直觀地看到溫度信息、泄漏報(bào)警信息和光纖斷裂信息，豐富的數(shù)據(jù)信息和控制點(diǎn)設(shè)定種類為操作員及時(shí)掌控罐內(nèi)溫度情況提供方便，為操作員及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏風(fēng)險(xiǎn)爭(zhēng)取時(shí)間。