董欣欣 田逢時

摘要：文章主要研究了超大型油罐火災(zāi)定點(diǎn)報警的方法，分析了現(xiàn)階段存在的三種油罐火災(zāi)報警方式，明確了各自報警方式的優(yōu)缺點(diǎn)，隨后針對現(xiàn)有報警技術(shù)的不足，設(shè)計了基于光纖光柵技術(shù)的新型油罐火災(zāi)報警系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括：傳感探測器平臺、數(shù)據(jù)分析平臺和聯(lián)動控制平臺。通過實時探測分析，系統(tǒng)可實現(xiàn)初期火災(zāi)預(yù)警和定點(diǎn)報警的目的，從而提高石化罐區(qū)的監(jiān)測水平。因此，推廣基于光纖光柵的火災(zāi)報警方式及構(gòu)建相應(yīng)的分區(qū)動態(tài)火災(zāi)監(jiān)測平臺，對于超大型儲油罐區(qū)火災(zāi)防治具有重要意義。

關(guān)鍵詞：超大型油罐;火災(zāi)報警;光纖光柵

近年來，能源需求量不斷增長，石油已經(jīng)成為當(dāng)今世界的主要能源之一，世界各國都在穩(wěn)步推進(jìn)石油儲備戰(zhàn)略和國家原油戰(zhàn)略儲備庫建設(shè)。目前，大型油罐的數(shù)量逐年增加，容量逐漸增大，已經(jīng)成為發(fā)展的必然趨勢。超大型儲油罐區(qū)（一般認(rèn)為容積≥10×104 m3為超大型油罐）是國內(nèi)外均十分關(guān)注的重點(diǎn)火災(zāi)防范區(qū)域，一旦發(fā)生火災(zāi)，往往撲救十分困難，如果火勢發(fā)展，可能造成整個儲油罐區(qū)停工停產(chǎn)，以及重大財產(chǎn)損失和人員傷亡。若采用半固定式滅火系統(tǒng)，則需要配備較多消防車輛及裝備，增大滅火操作難度，因此，在火災(zāi)突然發(fā)生時，固定消防設(shè)施具有較為明顯的優(yōu)勢。

火災(zāi)報警與滅火應(yīng)是油罐火災(zāi)首要解決的問題。提高油罐火災(zāi)報警的準(zhǔn)確性、滅火設(shè)施的響應(yīng)時間和滅火效率，是預(yù)防火災(zāi)迅速蔓延的有效途徑之一。大型儲油罐消防系統(tǒng)是安全的最后一道防線，因此，設(shè)計和使用單位不惜投入大量物力、財力提升儲油罐區(qū)消防系統(tǒng)的可靠性。

利用火災(zāi)報警系統(tǒng)，可在火災(zāi)的初起階段判斷火災(zāi)的發(fā)生及其規(guī)模，第一時間啟動固定滅火設(shè)施進(jìn)行撲救。超大型油罐火災(zāi)定點(diǎn)報警技術(shù)的實現(xiàn)，就要選擇一種可以對超大型浮頂油罐環(huán)狀密封圈區(qū)域進(jìn)行實時監(jiān)測，而且可以第一時間對起火位置進(jìn)行準(zhǔn)確報警的技術(shù)與設(shè)備。只有報警系統(tǒng)以最快速度響應(yīng)，滅火系統(tǒng)才能根據(jù)報警信息動作滅火。如果報警設(shè)備反應(yīng)遲緩或定位不準(zhǔn)確，導(dǎo)致火勢發(fā)展，火災(zāi)一般已經(jīng)發(fā)展到穩(wěn)定燃燒階段，溫度達(dá)到最大值，此時消防隊到場也只能做好長時間作戰(zhàn)的準(zhǔn)備。

一般來說，火災(zāi)發(fā)生初期階段特征較為明顯。燃燒是一個化學(xué)反應(yīng)過程，這一階段最顯著的特征是釋放能量從而使環(huán)境溫度持續(xù)上升。因此，超大型油罐密封圈周圍的環(huán)境溫度可以作為火災(zāi)檢測的重要對象。石油庫普遍采用溫度檢測的方法進(jìn)行火災(zāi)預(yù)警，即一旦火災(zāi)探測器探頭的安裝位置達(dá)到溫度設(shè)定值，火災(zāi)探測器就會向控制系統(tǒng)發(fā)出信號，控制系統(tǒng)對火災(zāi)信號進(jìn)行處理后，發(fā)出聲光報警，經(jīng)過一定時間（一般為30 s，為了防止誤報），自動或經(jīng)過人工確認(rèn)后啟動泡沫滅火系統(tǒng)，對著火油罐進(jìn)行泡沫覆蓋。

一? 常見火災(zāi)報警系統(tǒng)的發(fā)展

（一）傳統(tǒng)的溫度傳感技術(shù)

以前大型儲油罐并沒有專門的火災(zāi)自動探測系統(tǒng)，一般只能選擇線性感溫電纜等電信號的傳感器，如果引入電信號，就需要采取嚴(yán)格的安全措施。為了能檢測到初期火災(zāi)發(fā)生，往往需要將線性感溫電纜安裝在密封圈附近，但是密封圈附近屬于爆炸危險性極高的區(qū)域，因此不可避免地會帶來一定的安全問題。

另外，在檢測的溫度值上，只能檢測傳感器設(shè)定的某一個值，而傳感器的這個值一旦設(shè)定就不能改，所以只能當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時才會報警，而在這之前溫度升高的信息是檢測不到的，因此只能等發(fā)生火災(zāi)的地方燒到這些裝有傳感器的點(diǎn)時才能被檢測到，所以用這種方式來檢測溫度只能是發(fā)生了火災(zāi)之后才能報警，而且報警時已經(jīng)造成了很大的損失。根據(jù)應(yīng)用情況，該類系統(tǒng)在投入實際使用后可靠性低，效果不太理想，且受環(huán)境影響較大，誤報率很高。

（二）光纖拉曼傳感技術(shù)

20世紀(jì)80 年代，隨著光纖拉曼溫度監(jiān)測系統(tǒng)的出現(xiàn)，溫度測量方式進(jìn)入了一個新的時代。使用分布式光纖進(jìn)行溫度測量的優(yōu)勢明顯。以光纖拉曼技術(shù)制作的分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)在技術(shù)比較成熟：可顯示溫度的傳播方向、速度和受熱面積;可實時顯示溫度報警或故障區(qū)域;計算機(jī)可提前錄入報警區(qū)域的平面結(jié)構(gòu)圖和光纜布線圖。

分布式光纖拉曼溫度在線監(jiān)控系統(tǒng)是利用光纖中傳輸光波，產(chǎn)生反向散射實現(xiàn)的：激光脈沖在光纖中傳輸時，會不斷產(chǎn)生反向散射光波，其中光纖散射點(diǎn)溫度的變化會影響反向散射光的狀態(tài)。通過技術(shù)手段處理后，將狀態(tài)改變后的反向散射光波送入信號系統(tǒng)便可實時顯示溫度信號。光波在光纖中傳輸?shù)乃俣群捅诚蚬饣夭ǖ臅r間可以對信息進(jìn)行具體定位。上述工作原理如圖1所示。

然而，隨著光纖拉曼溫度傳感系統(tǒng)的應(yīng)用，其劣勢逐漸暴露出來：由于系統(tǒng)測量的是微弱的反射模擬信號，當(dāng)光源起伏等情況出現(xiàn)時，容易受到干擾。另外，因其響應(yīng)時間和測量精度相互制約，不能同時達(dá)到響應(yīng)時間短和測量精度高的要求。同時，由于國外的技術(shù)壟斷等因素限制，導(dǎo)致系統(tǒng)價格偏高，應(yīng)用率較低。因此，光纖拉曼傳感技術(shù)傳感器并未在我國罐區(qū)獲得大規(guī)模應(yīng)用。

（三）光纖光柵傳感技術(shù)

光纖光柵傳感器可以通過某種裝置將被測量的物理量變化進(jìn)行有效轉(zhuǎn)化。光纖光柵上的溫度變化會引起布拉格中心波長的變化，通過建立并標(biāo)定光纖光柵中心波長的變化與被測量的關(guān)系，就可以計算出被測量的值，進(jìn)而可以判斷出被檢測物體的安全狀況。

光纖光柵傳感技術(shù)是20世紀(jì)90年代研發(fā)的新一代傳感技術(shù)，測量精度高、使用壽命長，使用光波信號進(jìn)行傳輸，連接傳輸損耗大大降低。當(dāng)光源功率起伏時，測量信號幾乎不受影響，即使環(huán)境溫度超過200 ℃，光纖光柵傳感器仍具有測溫能力，穩(wěn)定性優(yōu)異。因此，光纖光柵傳感技術(shù)在國內(nèi)外獲得了廣泛認(rèn)可，發(fā)展較為迅速。但是，當(dāng)多個光柵復(fù)用進(jìn)行分布式測量時，由于光源帶寬的限制，光纖光柵復(fù)用數(shù)量一般不能超過30個，而石油化工火災(zāi)需要數(shù)百個探測點(diǎn)。同時，由于國外技術(shù)壟斷，光纖光柵波長解調(diào)的核心技術(shù)始終無法突破。近年來，該傳感技術(shù)獲得突破，從而使其大量應(yīng)用于石油化工火災(zāi)預(yù)警（如圖2所示）。

要進(jìn)行超大型油罐火災(zāi)的定點(diǎn)報警，需要有配套的設(shè)備將報警信號進(jìn)行處理后反應(yīng)出來，這就是光纖光柵感溫火災(zāi)探測系統(tǒng)。它的報警溫度是在控制軟件里設(shè)定的，可利用設(shè)置溫度報警來進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，可實時準(zhǔn)確顯示任何點(diǎn)溫度的狀態(tài)，在火災(zāi)發(fā)生初期進(jìn)行早期預(yù)警。一旦有事故發(fā)生，控制軟件就可以準(zhǔn)確及時判斷溫度變化的類型，顯示事故點(diǎn)溫度讀數(shù)及位置。結(jié)合光纖光柵報警器的特征，本文設(shè)計了一種基于光柵光纖技術(shù)的大型罐區(qū)報警系統(tǒng)，報警系統(tǒng)的整個系統(tǒng)框架如圖3所示。

整個光纖光柵火災(zāi)報警系統(tǒng)可分為三個層面：單體光纖光柵火災(zāi)報警器、綜合信號處理系統(tǒng)和報警系統(tǒng)。在正常工作下，大型儲罐上光纖光柵火災(zāi)報警器會向綜合處理系統(tǒng)傳回電壓信號，處理系統(tǒng)實時分析，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生后，處理系統(tǒng)根據(jù)電壓信號的異常即可進(jìn)行判定，同時結(jié)合視頻數(shù)據(jù)，進(jìn)行確認(rèn)。確認(rèn)火災(zāi)發(fā)生后，系統(tǒng)可控制儲罐上的消防設(shè)施，進(jìn)行相應(yīng)滅火。整個平臺系統(tǒng)能耗較低，可靠性高，可實現(xiàn)實時動態(tài)對罐區(qū)內(nèi)儲罐進(jìn)行探測。在實際應(yīng)用中，可與視頻系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)用，最終人員確定災(zāi)情后，啟動相應(yīng)滅火設(shè)施，可有效避免誤報。

在《石油化工企業(yè)設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50160-2018）中規(guī)定，大于或等于3×104 m3的浮頂罐應(yīng)采用火災(zāi)自動報警系統(tǒng)。這是因為浮頂罐初期火災(zāi)規(guī)模往往較小，尤其是浮盤處于較低液面時，發(fā)生火災(zāi)一般難以在第一時間發(fā)現(xiàn)，因此要求設(shè)置火災(zāi)自動探測報警系統(tǒng)。對于超大型油罐，若火災(zāi)不能及時被發(fā)現(xiàn)和撲滅，則火災(zāi)蔓延將造成巨大損失，所以使用先進(jìn)技術(shù)盡早探知火災(zāi)并在初期將火撲滅是防災(zāi)減災(zāi)的有效方法。因此近年來光纖光柵火災(zāi)探測系統(tǒng)已逐步取代傳統(tǒng)方式在大型儲油罐上得到大量推廣應(yīng)用。

二? 光纖光柵傳感技術(shù)在超大型油罐火災(zāi)探測中的優(yōu)勢

光纖光柵傳感技術(shù)同其他傳感技術(shù)相比，具有明顯優(yōu)勢：

（1）在一根光纖上，可以串接復(fù)用多個相同或不同類型的傳感器，系統(tǒng)集成化程度較高;

（2）傳感參量檢測及傳輸均為光信號，不受電磁干擾及核輻射的影響;

（3）不受光強(qiáng)波動及傳輸光纖彎曲損耗等因素的影響;

（4）測量精度和分辨率高于其他光纖傳感技術(shù);

（5）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可長期在惡劣環(huán)境中使用;

（6）體積小，重量輕，安裝和使用便捷;

（7）傳感器工作穩(wěn)定性優(yōu)于其他同類產(chǎn)品。

同時，光纖光柵傳感器具有自愈合功能。在正常工作時，只需將傳感串接鏈的一端接入信號處理系統(tǒng)，即可實現(xiàn)所有信號的同時檢測。一旦意外情況損壞了傳感器串接鏈，則可以將傳感鏈的兩端同時接入信號處理系統(tǒng)。此時，左右兩側(cè)分布的傳感器以斷點(diǎn)為界，分別通過串接鏈的首端和尾端連接到信號處理系統(tǒng)進(jìn)行檢測，實現(xiàn)了自愈合。

在石化行業(yè)，浮頂油罐的浮盤上方存在大量的揮發(fā)性油蒸氣，屬于易燃易爆性氣體環(huán)境區(qū)，對電氣火花等明火非常敏感。因此，測量元件的本質(zhì)安全性十分重要。大型油罐初期火災(zāi)規(guī)模較小，在低液面時更不易及時發(fā)現(xiàn)，使用先進(jìn)技術(shù)盡早探知火災(zāi)并在初期將火撲滅是防災(zāi)減災(zāi)的有效方法。

光纖光柵感溫火災(zāi)報警系統(tǒng)基于新一代傳感技術(shù)，與其他技術(shù)相比，具有本質(zhì)安全、運(yùn)行穩(wěn)定等諸多特性，能夠勝任石化危險環(huán)境的火災(zāi)探測任務(wù)。傳統(tǒng)測溫系統(tǒng)和光纖溫度在線監(jiān)控系統(tǒng)的比較見表1。

由表1可以看出，光纖光柵感溫火災(zāi)探測系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)使用電信號進(jìn)行火災(zāi)探測的弊端，具有本質(zhì)防爆、抗電磁干擾、測量精度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合在儲油罐區(qū)等復(fù)雜惡劣環(huán)境中的應(yīng)用。

三? 結(jié)語

綜上所述，相比于其他兩類傳感探測器，光纖光柵感溫火災(zāi)探測系統(tǒng)具有本質(zhì)防爆、抗電磁干擾、測量精度高、抗腐蝕、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)電信號火災(zāi)探測系統(tǒng)的弊端，非常適合于石油化工企業(yè)中油罐區(qū)等惡劣環(huán)境中的應(yīng)用。同時本文提出了基于光纖光柵感溫技術(shù)的罐區(qū)火災(zāi)報警系統(tǒng)，可對儲罐進(jìn)行實時動態(tài)監(jiān)測。因此，本文建議在未來儲罐區(qū)探測器布置方面，優(yōu)先使用光纖光柵感溫火災(zāi)探測技術(shù)，保障我國油品的儲運(yùn)安全。應(yīng)用光纖光柵傳感技術(shù)作為超大型油罐火災(zāi)定點(diǎn)報警和實時監(jiān)測的工具，該技術(shù)所采用的分區(qū)監(jiān)測預(yù)警方式，適合與罐區(qū)內(nèi)視頻系統(tǒng)、分區(qū)滅火消防系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動控制，及時發(fā)現(xiàn)和撲救超大型油罐初期火災(zāi)。

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基金項目：

中國人民警察大學(xué)校級科研重點(diǎn)專項課題（ZDZX202005）