光纖測(cè)溫系統(tǒng)在選煤廠中的應(yīng)用

韓子彬

(神東煤炭集團(tuán)洗選中心，陜西 神木 719315)

0 引言

選煤廠的電纜一旦發(fā)生嚴(yán)重?zé)峁收蠈⑵茐恼麄€(gè)選煤系統(tǒng)。目前，神東選煤廠產(chǎn)量較大，自動(dòng)化水平越來越高，其電纜需求量也就越來越多。隨著電纜長度的增加，熱故障事故的發(fā)生概率相應(yīng)增加。造成電纜熱故障的原因很多。本質(zhì)原因都是電纜絕緣內(nèi)部受熱，造成絕緣炭化。外在原因是在電纜密集地區(qū)、電纜隧道等處的電纜，會(huì)因電纜過負(fù)荷或散熱不良造成絕緣加速受損。電纜的絕緣在運(yùn)行中要受到熱、化學(xué)、機(jī)械作用，容易使絕緣介質(zhì)發(fā)生物理、化學(xué)變化，導(dǎo)致絕緣水平下降。制造電纜包鉛時(shí)留下砂眼或裂紋等缺陷，也會(huì)使電纜受潮；電纜中間接頭、終端頭因密封或安裝工藝不好而造成絕緣受潮。

光纖測(cè)溫防滅火系統(tǒng)根據(jù)火災(zāi)發(fā)生發(fā)展時(shí)期產(chǎn)生的各種跡象，溫度、煙霧、氣體等，可實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的早期發(fā)現(xiàn)，及時(shí)撲救。選煤廠火災(zāi)的分布式監(jiān)測(cè)及早期識(shí)別，可將火災(zāi)危害和造成的損失減少到最低程度，是改變選煤廠火災(zāi)安全隱患，防止重大火災(zāi)事故的重要手段。

1 光纖測(cè)溫及設(shè)計(jì)原則

1.1 光纖測(cè)溫原理

光纖測(cè)溫技術(shù)使用光的拉曼時(shí)間域反射技術(shù)進(jìn)行測(cè)溫和定位。當(dāng)激光脈沖沿著光纖傳輸時(shí)，它的后向散射光將沿著光纖傳回發(fā)射端，通過采集、解析后向散射光，提取出拉曼-斯托克頓光與拉曼-反斯托克頓光的強(qiáng)度，從而得到了光纖沿路溫度；同時(shí)利用測(cè)量出的后向散射光到達(dá)發(fā)射端的時(shí)間，就可以計(jì)算出測(cè)量點(diǎn)在光線沿路的位置。技術(shù)原理如圖1、圖2所示。

圖1 溫度測(cè)量原理圖

圖2 位置測(cè)量原理圖

光纖測(cè)溫系統(tǒng)工作原理如圖3所示，嵌入式系統(tǒng)軟件通過控制光模塊采集測(cè)溫光纜沿線的原始信號(hào)，通過對(duì)應(yīng)的原始數(shù)據(jù)處理模塊將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成需要的數(shù)字信號(hào)，通過原始數(shù)字信號(hào)計(jì)算出光纜沿線的溫度數(shù)據(jù)，使用LCD模塊進(jìn)行溫度的顯示和實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，通過外部多種接口達(dá)到控制和數(shù)據(jù)上傳的目的。

圖3 主機(jī)系統(tǒng)工作原理框圖

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

實(shí)用性原則：本系統(tǒng)選用了“夠用、好用、實(shí)用”的相關(guān)設(shè)備。選用的設(shè)備符合ISO、IEC等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。采用成熟可靠的技術(shù)與設(shè)備，在性能和價(jià)格的矛盾處理中，盡量利用原有系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、實(shí)用和有效的結(jié)果。在進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和設(shè)備選型時(shí)多做比較分析，從而使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備選型、系統(tǒng)整體性能具有高性價(jià)比。在保證系統(tǒng)功能的前提下，充分利用現(xiàn)有設(shè)施和資源，以減少投資費(fèi)用，縮短施工周期。

可擴(kuò)展性原則：監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)軟件需將神東集團(tuán)11個(gè)洗煤廠火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)集成在一起，同時(shí)可擴(kuò)展連接擴(kuò)容多臺(tái)測(cè)溫主機(jī)。系統(tǒng)采用開放的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議技術(shù)，如TCP/IP協(xié)議。系統(tǒng)設(shè)備組成合理，具有良好的互換性和通用性，有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展與其他系統(tǒng)的互聯(lián)，易于系統(tǒng)的設(shè)備管理和維護(hù)。系統(tǒng)軟件和硬件配置及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有前瞻性。一方面，在考慮配置時(shí)，為系統(tǒng)今后的擴(kuò)容、提高留有充裕的擴(kuò)展容量；另一方面，系統(tǒng)必須具有靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。將來系統(tǒng)的擴(kuò)展在本期系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加部分設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)，無須變更本期系統(tǒng)的軟件、硬件，不影響系統(tǒng)的運(yùn)行。

高可靠性原則：對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的可靠性是安全、高效生產(chǎn)的重要保障。對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在可靠性方面作重點(diǎn)考慮。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備選型經(jīng)過了多方比較，選擇了性價(jià)比高的設(shè)備和元件，并充分考慮現(xiàn)場(chǎng)電源波動(dòng)適應(yīng)性、抗各種電磁干擾能力、感溫光纜抗拉伸能力等因素，系統(tǒng)自身具有通訊故障等自診斷功能與工業(yè)以太網(wǎng)相結(jié)合使本系統(tǒng)可準(zhǔn)確診斷系統(tǒng)的各種故障及排除情況，這些都為系統(tǒng)的可靠性、可用性提供了良好的技術(shù)與工程保障。

先進(jìn)性原則：系統(tǒng)采用業(yè)界領(lǐng)先技術(shù)的設(shè)備，系統(tǒng)的組網(wǎng)采用成熟而先進(jìn)的以太網(wǎng)與廣域網(wǎng)相結(jié)合的方式，一次設(shè)計(jì)、分布實(shí)施，系統(tǒng)容量易于逐步擴(kuò)展，符合技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)方向。

易用性原則：整個(gè)系統(tǒng)易于管理、安裝和使用，系統(tǒng)具有良好的可管理性，在充分滿足現(xiàn)在的自動(dòng)化監(jiān)控應(yīng)用需求，具有很高的資源利用率。一般設(shè)計(jì)安裝是在不影響平時(shí)運(yùn)行和維護(hù)的情況下根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況而定。

實(shí)時(shí)性原則：由于早期火災(zāi)預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)溫度變化趨勢(shì)實(shí)時(shí)性要求很高，因此，在設(shè)計(jì)上應(yīng)保證系統(tǒng)的處理能力。

標(biāo)準(zhǔn)化原則：系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)均采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)，以便于批量加工、現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試和維護(hù)。系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、加工到實(shí)施均嚴(yán)格按照ISO9001質(zhì)量管理體系和項(xiàng)目管理流程進(jìn)行，確保產(chǎn)品質(zhì)量和系統(tǒng)施工的規(guī)范。

2 設(shè)計(jì)方案及主要設(shè)備選型

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

動(dòng)力電纜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能：①運(yùn)行電纜溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；②準(zhǔn)確定位電纜事故位置，顯示事故時(shí)的溫度狀態(tài)；③將光纜敷設(shè)在被監(jiān)測(cè)的電纜表面，并對(duì)電纜接頭和電纜套管重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，測(cè)溫主機(jī)能夠?qū)崟r(shí)、連續(xù)地對(duì)電纜進(jìn)行溫度測(cè)量，監(jiān)測(cè)由于大電流負(fù)載引起的發(fā)熱。

電纜隧道(包括電纜溝)：這是專門用來鋪設(shè)各種電纜的集中通道。由于大量的各種電壓和電流的電纜鋪設(shè)在無人值守的長距離的通道中，一旦發(fā)生火災(zāi)，很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)和撲救，造成嚴(yán)重的損失。將感溫光纜沿著被監(jiān)測(cè)電纜鋪設(shè)在其表面，并對(duì)電纜中間頭重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，自動(dòng)測(cè)量電纜表面的溫度的變化，當(dāng)其溫度變化速率或溫度值滿足報(bào)警條件時(shí)，監(jiān)控室的主機(jī)部分將發(fā)出聲光報(bào)警和位置指示，通知值班人員采取措施。

電纜橋架：是通過專門加工的構(gòu)件來集中鋪設(shè)各種電纜的通道，與電纜隧道的特點(diǎn)很類似。一旦發(fā)生火災(zāi)，也將造成重大損失。將感溫光纜部分沿著電纜鋪設(shè)的橋架布設(shè)在被測(cè)電纜及中間頭的表面，通過測(cè)量其溫度的變化，確定出現(xiàn)異常電纜的位置，從而實(shí)現(xiàn)火災(zāi)早期報(bào)警。

2.2 測(cè)溫光纜布置工藝

隧道內(nèi)的測(cè)溫光纜布置：①隧道內(nèi)沿電纜橋架上方、電纜隧道頂部安裝一條測(cè)溫光纜(圖4)，監(jiān)測(cè)電纜隧道內(nèi)溫度，針對(duì)電纜隧道內(nèi)溫度的異常變化，設(shè)定火災(zāi)報(bào)警閾值，實(shí)現(xiàn)電纜隧道火災(zāi)的早期預(yù)警；②當(dāng)電纜隧道中電纜橋架數(shù)量較大時(shí)，增加測(cè)溫光纜的數(shù)量；每條測(cè)溫光纜監(jiān)測(cè)區(qū)域水平寬度為2 m；測(cè)溫光纜通過固定裝置懸掛于隧道頂部，每隔1 m設(shè)置一個(gè)固定裝置，測(cè)溫光纜距離隧道頂部10 cm；③測(cè)溫光纜安裝時(shí)在重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域加裝光纖盤或輻射感溫單元，提高測(cè)溫光纜對(duì)溫度變化的敏感度。

圖4 電纜隧道光纜安裝位置示意圖

電纜橋架測(cè)溫光纜布置：①槽式電纜橋架是用整張鋼板彎制而成的槽式部件，與托盤架的區(qū)別是高、寬比不同，托盤架淺而寬，槽式電纜橋架具有一定的深度和封閉性。因?yàn)椴凼诫娎|橋架封閉性的特點(diǎn)，在槽式電纜橋架內(nèi)部布置測(cè)溫光纜，具體布置位置為上部側(cè)壁(圖5(a))，每間隔1 m采用固定裝置固定，這樣能有效地監(jiān)測(cè)橋架內(nèi)溫度的變化，配合設(shè)定火災(zāi)報(bào)警閾值，實(shí)現(xiàn)電纜橋架火災(zāi)的早期預(yù)警；②托盤式電纜橋架淺而寬，將測(cè)溫光纜布置于電纜一側(cè)平行放置(圖5(b))，監(jiān)測(cè)金屬橋架傳導(dǎo)的溫度；③梯級(jí)式電纜橋架中部鏤空，將測(cè)溫光纜布置于橋架下方(圖5(c))，監(jiān)測(cè)電纜下方氣流傳導(dǎo)的溫度。

電纜接頭測(cè)溫光纜布置：電纜接頭的制作要求更高，數(shù)量大，存在事故隱患的可能性更大，電纜接頭是電纜安全運(yùn)行的薄弱環(huán)節(jié)，當(dāng)電纜接頭溫度超過電纜所能承受的臨界溫度時(shí)，就有可能引起電纜接頭著火，造成供電系統(tǒng)的大范圍停電。電纜接頭的溫度是反映其運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)。通過對(duì)電纜接頭溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以全面了解其絕緣老化情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患，對(duì)提高電纜接頭運(yùn)行可靠性具有重要意義。具體安裝工藝為制作光纖盤貼裝于電纜接頭表面。

2.3 主要設(shè)備選型

光纖測(cè)溫主機(jī)選型：選煤廠各車間屬于重點(diǎn)防火、防水、防爆和防雷區(qū)域，廠區(qū)、生產(chǎn)廠房及倉庫必須嚴(yán)格按照《選煤廠安全規(guī)程》要求選擇相應(yīng)防護(hù)等級(jí)的設(shè)備。光纖測(cè)溫主機(jī)主要有室內(nèi)一般型、戶外型和防爆型。選煤廠原煤車間、裝車車間屬于煤塵比較集中的地點(diǎn)，根據(jù)《選煤廠安全規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，安裝在廠區(qū)選擇KJ190-F型光纖測(cè)溫主機(jī)與系統(tǒng)進(jìn)行配套，為方便后續(xù)繼續(xù)擴(kuò)展使用主機(jī)選用4通道，單通道10 km設(shè)備。

a-槽式電纜橋架；b-托盤式電纜橋架；c-梯級(jí)式電纜橋架圖5 電纜橋架光纜安裝位置示意圖

感溫光纜選型：感溫光纜是本項(xiàng)目中一個(gè)重要組成部分，充當(dāng)了傳感器的作用，探測(cè)光纜的選擇主要考慮以下幾點(diǎn)：①導(dǎo)熱性能。能夠快速感受出外界溫度的變化；②傳輸性能。在傳輸很長距離后，衰減要低；③機(jī)械性能。由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境十分惡劣，要求光纜具有較高的抗拉、抗壓性能；④針對(duì)選煤廠設(shè)計(jì)適當(dāng)厚度的礦用阻燃材料為阻燃護(hù)套，不銹鋼松套管為外護(hù)套，添加芳綸紗增加光纖抗拉強(qiáng)度；應(yīng)用緊包光纖的套塑層和阻燃護(hù)套一起緩沖測(cè)壓力對(duì)光纖的沖擊，能承受高強(qiáng)度，高對(duì)抗擠壓，縱向及橫向均不漏水，卓越的防咬噬等性能；這種光纜配有無鹵素的阻燃護(hù)套；⑤選擇的金屬護(hù)套測(cè)溫光纖，感溫光纜部分應(yīng)具有安全標(biāo)志認(rèn)證。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及典型故障處理

3．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

主機(jī)在上電后可以獨(dú)立使用也可接入綜合監(jiān)控系統(tǒng)使用，主機(jī)接入系統(tǒng)使用的典型連接圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

監(jiān)控裝置包括監(jiān)控中心站、監(jiān)控分站、煙感系統(tǒng)主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等設(shè)備。感溫光纜連接時(shí)將帶有E2000跳線接頭的感溫光纜連接到主機(jī)通道的E2000法蘭盤，確保配合緊密。

將110～240 V外部電源接到主機(jī)側(cè)面的電源盒，使用開關(guān)鑰匙打開主機(jī)電源開關(guān)，此時(shí)主機(jī)處于上電加載狀態(tài)，等待主機(jī)加載完畢后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入溫度的測(cè)量與顯示。根據(jù)相應(yīng)的配置自動(dòng)進(jìn)入溫度測(cè)量工作，默認(rèn)的主功能界面為溫度曲線功能界面，如圖7所示。

圖7 默認(rèn)主功能界面

軟件界面主要分為5大功能區(qū)域，分別為標(biāo)題欄區(qū)域、主功能區(qū)域、功能按鈕區(qū)域、指示燈區(qū)域和信息顯示區(qū)域。

3.2 典型故障處理

按鍵失效：①原因分析。測(cè)溫主機(jī)內(nèi)部按鍵連接松動(dòng)； ②處理方法。檢查主板和按鍵電路板連接情況。

蜂鳴器失效：①原因分析。手動(dòng)設(shè)置了靜音；蜂鳴器內(nèi)部接線松動(dòng)；②處理方法。取消靜音；檢查蜂鳴器內(nèi)部接線。

指示燈失效：①原因分析。物理指示燈內(nèi)部按鍵連接松動(dòng)；②處理方法。檢查指示燈的內(nèi)部接線。

系統(tǒng)時(shí)鐘失效：①原因分析。紐扣電池卡座松動(dòng)；紐扣電池電量過低；②處理方法。檢查紐扣電池和卡座的接觸；更換紐扣電池。

溫度曲線出現(xiàn)異常：①原因分析。曲線異常處存在熔接點(diǎn)；接頭污染；光纖折彎角度過大；②處理方法。確認(rèn)曲線異常的地方是否為光纖熔接點(diǎn)；檢查光纖連接頭是否光污染或者受損；查看光纖是否彎折，光纖取直后，曲線仍異常，說明光纖已損壞。

光纖最后一部分沒有測(cè)量數(shù)據(jù)：①原因分析。光纖尾端的端面反射比較大，會(huì)影響前端的溫度測(cè)量，因此扣除尾端7 m左右的溫度測(cè)量數(shù)據(jù)；②處理方法。將光纖最后一部分不做實(shí)際測(cè)量使用。

光纖末段7 m加熱沒有報(bào)警：①原因分析。光纖尾端的端面反射比較大，會(huì)影響前端的溫度測(cè)量，因此扣除尾端7 m左右的溫度測(cè)量數(shù)據(jù)；②處理方法。將光纖最后一部分不做實(shí)際測(cè)量使用。

光纖頭部20 m溫度測(cè)量不準(zhǔn)確：①原因分析。光纖頭部的反射光比較大，影響頭部20 m范圍內(nèi)的溫度測(cè)量值，可能造成誤報(bào)；②處理方法。光纜布設(shè)時(shí)需扣除前段20 m不做實(shí)際測(cè)量及報(bào)警使用，推薦將頭部20 m盤繞在測(cè)溫主機(jī)內(nèi)部。

插拔光纖時(shí)出現(xiàn)誤報(bào)警：①原因分析。插拔光纖時(shí)由于長度發(fā)生變化，可能造成溫度測(cè)量異常以及誤報(bào)警；②處理方法。若需插拔光纖，請(qǐng)先停止測(cè)量或者斷電后插拔光纖。

光纖斷裂瞬間出現(xiàn)誤報(bào)警：①原因分析。由于光纖長度發(fā)生變化，其斷裂瞬間可能造成溫度測(cè)量異常，并造成誤報(bào)警；②處理方法。忽略光纖瞬間斷裂處的前后2個(gè)測(cè)量周期的溫度數(shù)據(jù)及溫度報(bào)警。

電源開關(guān)打開后，測(cè)溫主機(jī)不能工作：①原因分析。直流供電是否正常；開關(guān)損壞；②處理方法。檢查直流供電；檢查開關(guān)是否損壞。

4 結(jié)語

針對(duì)選煤廠發(fā)生火災(zāi)的重點(diǎn)隱患區(qū)域，給出了分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)在電纜溝、電纜橋架具體的實(shí)施方案和典型故障處理方法。分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)在于不怕電磁干擾、安全性高；走線靈活、美觀；材質(zhì)安全可靠，沒有引起火源等問題；長久耐用；施工周期短，價(jià)格便宜，便于推廣。應(yīng)用結(jié)果表明，該測(cè)溫系統(tǒng)能準(zhǔn)確、快速地對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警，系統(tǒng)的測(cè)溫誤差為±1 ℃，定位精度為1 m，響應(yīng)時(shí)間為20 s。分布式測(cè)溫系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)、連續(xù)、大范圍對(duì)礦井火災(zāi)隱患區(qū)域的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而達(dá)到選煤廠火災(zāi)預(yù)測(cè)預(yù)警的目的。