分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)試驗(yàn)研究及在原油儲(chǔ)罐中的應(yīng)用

馬開(kāi)良，湯 劍，管孝瑞，張玉平

(1.中國(guó)石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 2660712.徐州實(shí)華管道特種作業(yè)有限公司，江蘇徐州 221008)

0 前言

密封圈火災(zāi)作為原油儲(chǔ)罐最常見(jiàn)事故，若不能在源頭遏制，易引發(fā)更大的危險(xiǎn)事故。國(guó)內(nèi)大型原油儲(chǔ)罐已發(fā)生了多起因雷擊造成的密封圈燃爆事故[1]。GB50160-2018《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》規(guī)定：?jiǎn)喂奕莘e大于或等于30 000 m3的浮頂罐密封圈處應(yīng)設(shè)置火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)；單罐容積大于或等于10 000 m3并小于30 000 m3的浮頂罐密封圈處宜設(shè)置火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。

目前在浮頂罐的密封圈處推薦設(shè)置光纖光柵感溫火災(zāi)探測(cè)器，該類型的線型感溫火災(zāi)探測(cè)器目前在石油化工企業(yè)已大面積應(yīng)用[2，3]，但存在以下不足。

a)溫度傳感器串接而成，熔接點(diǎn)受熱脹冷縮以及浸水影響，可靠性差，容易造成傳感器斷纖故障，甚至全部監(jiān)測(cè)區(qū)域缺失。

b)受傳感器設(shè)計(jì)和封裝工藝限制，溫度傳感器會(huì)出現(xiàn)漂移，需要定期重新標(biāo)定傳感器，運(yùn)行維護(hù)工作量大。

c)點(diǎn)式準(zhǔn)分布測(cè)量，只能測(cè)量傳感器安裝位置及附近的溫度，存在測(cè)量盲區(qū)。

本文基于分布式光纖傳感技術(shù)，研發(fā)了一種新型的密封圈火災(zāi)探測(cè)裝置，具有不受電磁干擾、耐腐蝕、系統(tǒng)鋪設(shè)簡(jiǎn)單方便等優(yōu)勢(shì)，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1 分布式測(cè)溫系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

1.1 光纖分布式測(cè)溫原理

光在光纖中傳輸時(shí)，產(chǎn)生輻射散射現(xiàn)象，主要有瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射[4]，如圖1所示。具體差異如下[5]。

圖1 光傳輸產(chǎn)生的輻射散射類型

a)布里淵散射的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)為閾值功率低，使得測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)溫距離明顯提升，但其頻移較小，對(duì)脈沖激光器的穩(wěn)定性要求極高，而且需利用高工藝的波分復(fù)用器來(lái)減小瑞利散射的干擾，所以其在成本和技術(shù)方面存在一定的劣勢(shì)。

b)瑞利散射的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)分辨率低。瑞利的散射系數(shù)對(duì)溫度的敏感度較低，使得很難得到準(zhǔn)確的溫度值，后處理需要進(jìn)行大量?jī)?yōu)化方式去噪，增加了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間[6]。

c)拉曼散射產(chǎn)生的斯托克斯光和反斯托克斯光對(duì)溫度相當(dāng)敏感；拉曼型測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)各部件工藝要求低；施工量與布里淵散射系統(tǒng)差異較小，其成本較低，適合大規(guī)模、遠(yuǎn)距離的溫度監(jiān)控。

基于以上分析，結(jié)合外浮頂儲(chǔ)罐實(shí)際運(yùn)行工況，選擇拉曼散射的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行密封圈火災(zāi)監(jiān)測(cè)。利用光纖中拉曼散射光信號(hào)對(duì)溫度的敏感特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度變化的精確測(cè)量。

1.2 分布式測(cè)溫系統(tǒng)組成

拉曼散射的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)主要包含激光器(Laser)、光電轉(zhuǎn)換器(APD)及放大電路、波分復(fù)用器(WDM)、AD高速采集卡、X86主板、電源等組成，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)采用經(jīng)典的拉曼散射原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用傳統(tǒng)的X86架構(gòu)系統(tǒng)集成。選用中心波長(zhǎng)為1 550 nm脈沖激光，62.5/125 μm的多模光纖作為傳感單元。

1.3 系統(tǒng)參數(shù)確定

系統(tǒng)參數(shù)目標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 拉曼散射分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)參數(shù)

1.4 分布式測(cè)溫系統(tǒng)選型

a)電源模塊。激光器和光開(kāi)關(guān)、采集卡、LCD需要5 V供電，獨(dú)立5V模塊，X86主板控制器需要12 V供電，APD需要5 V、-5 V，采用兩路模塊獨(dú)立提供，且這些電源模塊均帶有緩啟動(dòng)功能，抑制沖擊電流。

b)X86主板。滿足接口、性能、功耗、尺寸等要求，主板整體進(jìn)行不銹鋼外殼包裹，增加主板的散熱效果。

c)APD。采用溫控APD模塊，固定偏壓。

d)脈沖激光器。選用中心波長(zhǎng)為1 550 nm脈沖激光，激光功率為210。

1.5 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)具有用戶權(quán)限、采集、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、通道切換、通道參數(shù)設(shè)置、原始曲線顯示、原始數(shù)據(jù)抓取、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)上傳、系統(tǒng)標(biāo)定、光纜斷裂判斷、系統(tǒng)受激自動(dòng)判斷、系統(tǒng)自檢、可遠(yuǎn)程控制等功能。

2 分布式測(cè)溫系統(tǒng)試驗(yàn)研究

2.1 發(fā)熱性測(cè)試

2.1.1測(cè)試步驟

測(cè)試樣機(jī)在正常工作下，是否會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象，分別對(duì)機(jī)箱內(nèi)部和APD光電探測(cè)器進(jìn)行溫度測(cè)試，測(cè)試方案如下。

a)在APD殼體和機(jī)箱內(nèi)部貼上溫度傳感器(電子式溫度記錄儀)，用于記錄溫度變化。

b)整機(jī)放在恒溫試驗(yàn)內(nèi)，外接兩通道的光纖，長(zhǎng)度約為4 km，首尾兩端各有一卷放在高溫水槽內(nèi)，其它光纖放在水箱內(nèi)，以保持光纖溫度盡可能的穩(wěn)定。

c)設(shè)置環(huán)境溫度為25 ℃，光纖標(biāo)定后運(yùn)行時(shí)間至少1 h，直到儀器內(nèi)部環(huán)境溫度及殼體溫度相對(duì)穩(wěn)定。

d)加熱到40 ℃，連續(xù)運(yùn)行，至少12 h。溫度記錄儀記錄環(huán)境溫度和APD殼體溫度變化。得到結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 25～40 ℃時(shí)內(nèi)部環(huán)境溫度、APD殼體溫度變化曲線

圖4 25～40 ℃下殼體溫度與機(jī)箱內(nèi)部環(huán)境溫度之差變化趨勢(shì)

2.1.2測(cè)試分析及結(jié)論

通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析可以得到以下結(jié)論。

a)當(dāng)機(jī)箱環(huán)境溫度為25 ℃時(shí)，運(yùn)行3 h穩(wěn)定后，機(jī)箱內(nèi)部環(huán)境溫度為27.3 ℃，殼體約30 ℃。

b)當(dāng)機(jī)箱溫度為40 ℃時(shí)，運(yùn)行17 h穩(wěn)定后機(jī)箱內(nèi)部環(huán)境溫度大約為44.7 ℃，APD殼體溫度最高在50.7 ℃，兩者溫度之差穩(wěn)定在6 ℃左右。

c)得到的最高溫度在設(shè)備允許的范圍內(nèi)，因此該設(shè)備發(fā)熱性測(cè)試通過(guò)。

2.2 測(cè)溫精度及可靠性測(cè)試

2.2.1測(cè)試步驟

測(cè)試分布式光纖主機(jī)在環(huán)境溫度變化下的測(cè)溫精度及可靠性，在發(fā)熱性的測(cè)試的同時(shí)，進(jìn)行測(cè)溫精度及可靠性測(cè)試。

a)25 ℃時(shí)，采用80 ℃水槽光纖標(biāo)定，記錄前端測(cè)溫區(qū)T1、尾端測(cè)溫區(qū)T2及中間平坦區(qū)光纖溫度。

b)環(huán)境溫度升高到40℃，在不同時(shí)間記錄以上3個(gè)參數(shù)的變化。

2.2.2測(cè)試分析及結(jié)論

從表2中看出，前后端的溫度有約5 ℃的誤差，但隨著環(huán)境溫度從25～40 ℃變化，T1-T2之差變化了1.3 ℃。其中40 ℃環(huán)境大概運(yùn)行20 h左右的時(shí)間。測(cè)量的穩(wěn)定性良好，未出現(xiàn)較大的變化。

表2 整機(jī)25～40 ℃變化時(shí)測(cè)量溫度的穩(wěn)定性 ℃

分析前后端的溫度有約5 ℃的誤差，主要原因?yàn)榧す夤β噬愿?，產(chǎn)生自激，調(diào)整后，再一次進(jìn)行標(biāo)定，測(cè)量的穩(wěn)定性良好，得到結(jié)果如圖5所示。

圖5 整機(jī)溫度測(cè)試

a)T1為79.41 ℃，T2為78.57 ℃，T1與T2之差為0.85 ℃，平坦區(qū)方差為0.524 ℃，滿足設(shè)計(jì)要求。

b)常溫下，4 km光纖在標(biāo)定良好的條件，前后可以做到±1 ℃的誤差。在25～40 ℃變化時(shí)，溫度變化不超過(guò)2 ℃。

c)隨著環(huán)境溫度的改變，APD增益，該種增益的變化，對(duì)于測(cè)量影響不大。

3 工程應(yīng)用

3.1 感溫光纜的安裝及保護(hù)

感溫光纜鋪設(shè)是火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重點(diǎn)。光纜的鋪設(shè)位置、鋪設(shè)方式?jīng)Q定了該系統(tǒng)的使用壽命和后期的維護(hù)成本。為節(jié)省施工周期及費(fèi)用，在埋地段選用鎧裝光纜，進(jìn)行直埋鋪設(shè)，埋地深度400 mm，光纖上下采用軟土掩埋，過(guò)路過(guò)墻進(jìn)行穿管保護(hù)。

光纜鋪設(shè)到儲(chǔ)罐底部后，采用鍍鋅鋼管保護(hù)。下罐時(shí)采用金屬防爆軟管保護(hù)，在儲(chǔ)罐頂部浮盤，測(cè)溫光纜沿著罐頂密封圈線型布設(shè)，用U型卡將光纜固定于罐頂密封圈處，如圖6所示。

圖6 測(cè)溫光纜現(xiàn)場(chǎng)安裝

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行狀況分析

分布式光纖火災(zāi)測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)密封圈的溫度變化情況。系統(tǒng)主界面將整個(gè)密封圈分為4個(gè)區(qū)域，平均溫度分別為26.2，24.3，13.5，13.2 ℃，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查，溫度差異原因?yàn)殛?yáng)光照射所引起，點(diǎn)開(kāi)每個(gè)區(qū)域可觀察每1 m的溫度值。若存在火災(zāi)隱患，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)的報(bào)警規(guī)則進(jìn)行報(bào)警動(dòng)作。此時(shí)油庫(kù)管理人員應(yīng)當(dāng)引起重視，及時(shí)消除隱患。

4 結(jié)論

a)基于拉曼散射原理，開(kāi)發(fā)了儲(chǔ)罐密封圈分布式測(cè)溫裝置，以光纖作為傳感和傳輸載體，能夠?qū)γ芊馊馂?zāi)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

b)進(jìn)行了發(fā)熱性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性測(cè)試，得到在40 ℃運(yùn)行17 h，殼體溫度為50.7 ℃，精度可達(dá)±1 ℃，首端與末端的溫度差不超過(guò)2 ℃，滿足運(yùn)行要求。

c)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用，效果良好。