火力發(fā)電廠中基于光纖傳感技術的火災報警系統(tǒng)設計

【摘要】針對國內(nèi)外電廠對纜式線型感溫的設計要求，突出了線型感溫探測的重要性。從光纖感溫探測的原理開始，對整套系統(tǒng)進行了結構性研究。主要研究了系統(tǒng)結構、探測光纜、控制器等組件。結合拉曼散射原理，剖析溫度變化引起探測光纜的吸收和反吸收效應；強調(diào)了光學感溫探測系統(tǒng)的應用優(yōu)勢和安裝條件等。最后結合實體項目，分析對比了傳統(tǒng)感溫電纜和光學感溫探測系統(tǒng)在實際工程應用中的優(yōu)缺點，并提出了優(yōu)化方案，以提高火災報警系統(tǒng)的工作效率。

【關鍵詞】火力發(fā)電廠；分布式光纖測溫；光纖感溫探測系統(tǒng)；工程應用

1、前言

火災自動報警系統(tǒng)的設計目的就是要保護人民群眾的生命和財產(chǎn)安全，系統(tǒng)能否及時、準確的告知火警部位、編號、分布地，對搶險工作至關重要。目前我國火力發(fā)電廠內(nèi)，大多采用感溫電纜的模式，利用微機調(diào)制器與一定長度的感溫電纜連接使用。微機調(diào)制器內(nèi)設信號處理電路，包括信號采集、信號放大轉換電路、顯示電路等，是通過監(jiān)視電纜的電流變化來報警的，如電流增大，微機調(diào)制器就認為有火警。但這種模式，有很大的局限性，而分布式光纖測溫裝置能很好的解決傳統(tǒng)感溫電纜模式的缺陷，但其自身也有一些弊端。本文通過對這兩種測溫方式的比較，從性能和經(jīng)濟上提出火力發(fā)電廠中配置的優(yōu)化方案。

2、電廠工程設計依據(jù)

根據(jù)《火力發(fā)電廠與變電所設計防火規(guī)范》（GB50229）和《火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范》（GB50116）的規(guī)程要求，一般國內(nèi)電廠的火災報警系統(tǒng)設計，普遍采用集中報警和控制中心報警兩種方式。這兩種方式的火災報警系統(tǒng)中探測報警設備包括點型探測器和線型感溫探測器以及手動報警按鈕等報警裝置。

3、線型感溫設計分析

按自1960年以來全國電力系統(tǒng)統(tǒng)計到的發(fā)生電纜火災的事故分析，由外界火源引起電纜著火延燃的占總數(shù)70%以上。外界因素大致可分以下幾類：（1）汽輪機油系統(tǒng)漏油，噴到高溫熱管道上起火，而將其附近的電纜引燃。（2）制粉系統(tǒng)防爆門爆破，噴出火焰，沖到附近電纜層上，而使電纜著火。（3）電纜上積煤粉，靠近高溫管道引起煤粉自燃而使電纜著火。（4）油浸電氣設備故障噴油起火，油流入電纜隧道內(nèi)而引起電纜著火。（5）電纜溝蓋板不嚴，電焊渣火花落入溝道內(nèi)而使電纜著火。（6）鍋爐的熱灰渣噴出，遇到附近電纜引燃著火。

因此，在電廠主廠房內(nèi)易受外部著火影響區(qū)段，應重點防護，對電纜實施防火或阻止延燃、及早預警等措施。在電廠企業(yè)中動力、配電、控制、通信等方面的電纜遍布全廠，尤其是電纜橋架、電纜溝等區(qū)域電纜密度高，火災具有發(fā)展速度快、撲滅困難的特點，另外由于這些電纜往往貫穿全廠，火災易于蔓延，危害性很大，因此這些場所應設置有效、可靠的火災探測器。傳統(tǒng)的點式火災探測器在以上場所不容易安裝，而線型感溫探測器是以上電纜架設場所的一種適宜的、可靠的報警系統(tǒng)，且安裝方便。較早使用的纜式開關量感溫探測器，其內(nèi)部是兩根彈性鋼絲，每根鋼絲外面包有一層感溫且絕緣的材料，在正常監(jiān)視狀態(tài)下，兩根鋼絲處于絕緣狀態(tài)，當周邊環(huán)境溫度上升到預定動作溫度時，溫度敏感材料破裂，兩根鋼絲產(chǎn)生短路，輸入模塊檢查到短路信號后產(chǎn)生報警。一般出廠就是固定報警溫度的，而且是不可恢復的，也就是說只要報警了，開關量感溫電纜就廢掉了?，F(xiàn)今主流的纜式模擬量感溫探測器是一種全數(shù)字式智能型可恢復使用的產(chǎn)品。該產(chǎn)品的報警溫度可調(diào)整設定、可溫度補償、可重復使用、可多級報警、可進行實時溫度變化趨勢監(jiān)視，有反應溫升速率、早期發(fā)現(xiàn)火災等特點，在反應速度上要優(yōu)于纜式開關量感溫探測器。雖然模擬量感溫探測器是可恢復式的，但每次都需要根據(jù)環(huán)境變化情況，做現(xiàn)場標定，如果現(xiàn)場標定的不恰當，很容易引起誤報。不管是開關量還是模擬量的感溫電纜都是帶電測溫的電纜，在危險區(qū)域使用時需謹慎。從這個角度考慮，光纖感溫探測則比較安全，是不帶電測溫的，屬本安類產(chǎn)品，可在危險區(qū)域內(nèi)使用。但在電廠設計中，需設置纜式線型感溫的危險區(qū)域并不多，僅點火油罐等局部區(qū)域。

4、光纖感溫探測系統(tǒng)的介紹

光纖感溫探測系統(tǒng)有能力測量在最長達4km（常規(guī)產(chǎn)品數(shù)據(jù)）的光導中兩種散射效應（散射瑞利和拉曼散射）。通過優(yōu)化內(nèi)部測量和當?shù)氐慕馕龆龋煽刻街糠昼妿讉€攝氏度的溫度變化并不受干擾。與傳統(tǒng)的纜式感溫探測器相比，光纖傳感電纜 （與光學感溫測量系統(tǒng)控制器相連）有以下優(yōu)勢：（1）光纖火災探測系統(tǒng)的組成部分可以探測熱氣體和輻射出來的熱量是否合適單個對象。（2）它與電氣無關，因此不會受任何電磁干擾，是具有電磁污染環(huán)境下的溫度測量的理想方式。（3）探測光纜（有效周期為30年）的設計是非常強勁的，因而不受環(huán)境影響，例如溫度，壓力和濕氣變化，同時也免疫于會產(chǎn)生包含大量腐蝕性材料的污染和廢氣。（4）探測光纜安裝和維護簡單。損壞部分可以修補（可再熔接的）。（5）探測光纜可以根據(jù)需要的長度任意切割。（6）控制中心可獲益的：準確的火災發(fā)熱源的定位，并根據(jù)控制中心的位置和安裝的區(qū)域呈現(xiàn)局部大和小的圖形布局。（7）火災發(fā)熱源蔓延方向的信息說明。這同樣根據(jù)控制中心的設備可見配置來決定。

5、光纖感溫探測系統(tǒng)的設計要素

設置探測光纜時需要對頂部的升降物，障礙物，測試可伸展性進行特別的考慮，同時也要考慮通風管以及探測光纜裝置旁的照明設施對數(shù)據(jù)的影響。探測光纜一般為單根放置。因為每一個熔接點會產(chǎn)生信號衰減，因此除了熔接尾纖，系統(tǒng)允許最多4根探測光纜熔接起來，前提是探測光纜的信號衰減不能超過最大值。

6、設計實例

現(xiàn)選取已投運的整體布局較為接近的A、B兩個2x600MW燃煤機組工程作為使用感溫電纜和光纖測溫的設計實例，提供數(shù)據(jù)比對。A、B工程的線型測溫元件分別選用傳統(tǒng)感溫電纜和分布式測溫光纖。B工程在施工圖設計中，除常規(guī)的敷設長度外，還需考慮該系統(tǒng)的特殊要求，增加總的光纖走向和探測點分布數(shù)據(jù)。A工程施工圖中（不包含脫硫區(qū)域）線型感溫電纜最終使用量為--70℃測溫的15280m、85℃測溫的11030m、105℃測溫的1600m，總計使用量為27910m，配置調(diào)制解調(diào)器196套。根據(jù)感溫電纜15元/m，調(diào)制解調(diào)器1500元/套的價格估算，該線型探測器部分約花費712650元。B工程施工圖中（不包含脫硫區(qū)域）光纖感溫探測系統(tǒng)最終使用量為光纖分布式溫度監(jiān)測主機5套，配光纖48100m。根據(jù)感溫光纖10元/m、主機20萬/套的價格估算，該線型探測部分約花費1481000萬元。考慮到無論是線型感溫電纜還是光纖感溫探測都需要通過輸入模塊將信號傳輸給火災報警系統(tǒng)主機，作者也對兩個工程最終消耗的輸入模塊進行了統(tǒng)計。A工程為196套，B工程為97套，兩個工程間使用數(shù)量差距大約在100套，估值為20000元。在工程施工階段的經(jīng)濟數(shù)據(jù)對比中，B工程該項費用要多出70萬左右（數(shù)據(jù)中未比對人工費）。

7、優(yōu)化方案

從光纖感溫探測系統(tǒng)本身的特點可以看出，其整體設備的先進性和靈敏性是傳統(tǒng)感溫電纜無法比擬的。從火災報警系統(tǒng)監(jiān)控掌握的角度出發(fā)，光纖感溫探測系統(tǒng)測點靈活、區(qū)域設定簡潔明了，更有利于值班人員對報警狀態(tài)的及早發(fā)現(xiàn)。但該系統(tǒng)應用在電廠中也存在明顯的缺陷。由于電廠布局（尤其是燃煤機組）具有整體分散，局部集中的特點，光纖感溫探測系統(tǒng)在全廠應用時測溫距離大大增加，導致測溫光纖浪費嚴重、昂貴的主機利用率不高。結合多個工程的設計經(jīng)驗，作者提出以下優(yōu)化方案。充分利用輸煤系統(tǒng)這個局部單一，總體跨度大的特點，采用光纖測溫進行報警，并根據(jù)規(guī)模選配主機。在回路數(shù)或單根光纖長度富裕時，可涵蓋保護橋架單一的區(qū)域。針對主廠房區(qū)域等橋架密集區(qū)，可按工程機組劃分探測點（太過密集增加標識難度，容易串分區(qū)）也可以根據(jù)實際情況酌情選用。其余偏遠的輔助廠房建筑、廠區(qū)橋架等均考慮采用感溫電纜的模式。

8、結論

分布式光纖測溫系統(tǒng)，是基于拉曼散射原理和光時域反射技術，以光纖測溫主機和測溫光纖為核心部件，能準確探測光纖沿線任意測量點的溫度，分別配套針對不同應用場合而開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)過多年的努力，光纖感溫探測系統(tǒng)作為一項新型的測溫手段，在實質(zhì)性應用階段，已經(jīng)形成了一定的應用規(guī)模。目前，國內(nèi)有多家設備廠已不局限于進口銷售商的身份，走上了自主研發(fā)的道路。光纖感溫探測系統(tǒng)的主機也隨著國產(chǎn)化的到來，價格全面下調(diào)，更具競爭優(yōu)勢。