基于無線傳感器網絡的油罐區火災監測

張雷

摘要：為有效的監測油罐區的狀態和防止油罐區火災發生，設計了基于無線傳感器網絡的油罐區火災監測系統。嚴格執行相關國家標準， 根據原油的物理特性和燃燒特性，結合油罐區布局特點，選擇了溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、二氧化碳、可燃氣體這六種物理量作為監測對象，采集油罐區各個油罐的相關參數，利用無線傳感器網絡實時將數據傳輸到服務器和客戶端，監測油罐區溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、二氧化碳、可燃氣體數據變化，實現對油罐區的火災監測。

關鍵詞：無線傳感器；火災監測；網絡；油罐區

1. 引言

石油化工生產過程中，油罐區的防火監控非常重要，如果油罐區某個地方一旦發生火災，將會造成嚴重的生產事故，帶來巨大破壞和人員生命傷害。2010 年 1 月，中石油蘭州石化公司 303 廠出現了嚴重生產事故，316 罐區油罐發生爆炸和火災，造成 6 人死亡和近 900 萬元經濟損失[1]。因此，對油罐區進行實時監控，實現油罐區的火災預 防和報警系統，防止油罐區發生安全事故，降低損失，是石油化工生產過程中非常重要的問題。

現有的油罐區安全監測系統主要利用傳感器采集儲油罐相關參數，通過集散控制系統，將儲油罐數據傳到監控室，這些數據包括利用熱電偶測量儲油罐內部溫度，利用雷達液位計測量油料液位，利用各種氣體探測器檢測輸油管與儲油罐接口處的甲焼、乙院、丙焼等可燃氣體的濃度[2]。而監控室監控人員將對數據進行觀察，如果發現數 據異常，則派人到現場巡查，查找異常原因。如果油罐區發生火情， 則按下火災報警器并打開消防集散控制系統。現有的油罐區監測和火災預警系統存在著較大缺陷，主要依靠人工巡查發現異常，人工手動處理異常并進行報警，自動化程度低。

隨著無線傳感器技術（WSN）的發展，可以更加方便、快捷的在油罐區按照布置數據采集設備，無需復雜的線路設計，既減少安裝成本，又提高油罐區安全性，減少設備維護巡查時間。因此，將無線傳感器技術應用于油罐區的火災監測，將具有重要的意義。

2. 系統總體設計

根據歷年統計結果，油罐區火災發生年平均率僅為 0.448%，火災發生原因主要有明火、靜電、雷擊、設備故障等，而大部分火災是由于未嚴格執行操作規程而導致。目前，油罐區的設計建造是依據 GB 50074-2002《石油庫設計規范》的規定，在油罐區，同一個油罐組內，最多只允許有 6 個容積為 10×104 m3 的油罐，每個油罐區油罐布局不允許超過兩排。根據 GB50183-2004《石油天然氣工程設計防火規范》的規定，油罐區消防系統主要包括固定式冷卻水系統和固定式低倍數泡沫滅火系統，消防系統需要可以實現手動和自動的控制。油罐區消防系統還包括消火栓、泡沫栓、固定式消防水泡和滅火器等進行輔助消防滅火。

以某國家石油儲備基地為例，基地內建有 30 座 10×104 m3 鋼制雙盤式外浮儲罐，和配套的消防、通信、設備等。該基地分為 5 個罐區，每個罐區內建有 6 座 10×104 m3 儲罐。整個基地的火災危險性為甲類， 基地內火災危險性較大的區域包括油罐區、輸油泵棚、進出站閥組區等。

根據油罐區的布局特點和現狀，基于無線傳感器網絡的油罐區的火災監測將主要包括：1）油罐區數據采集系統，包括設計安裝多種傳感器，采集油罐區每個儲油罐的狀態參數，包括溫度、壓力、可燃氣體檢測等[3]；2）無線數據傳輸系統，根據油罐區無線傳感器節點 網絡拓撲結構，設計各傳感器節點數據傳輸協議、路由算法等；3） 數據存儲、查詢、和實時處理、異常報警，包括初步處理采集的油罐區狀態數據，實現利用客戶端和移動設備實時查看油罐區狀態，同時對油罐區數據進行監測，有效預報油罐區的異常。

根據 GB50183-2004《石油天然氣工程設計防火規范》的規定， 在設計無線傳感器網絡和火災預警系統時，嚴格按照規定，選擇相關傳感器部件、設計軟硬件、網絡布置、電氣設計等，并符合國家消防安全資格認證（CCCF 認證）。圖 2.1 所示為基于無線傳感器網絡的油罐區火災監測系統總體設計。

該基于無線傳感器網絡的油罐區的火災監測系統，所使用的傳感器、芯片、配件、設備等價格便宜、可靠性高，系統所需成本低，而且系統維護、更新方便、快捷，非常適用于油罐區的火災監測。

2.1 油罐區火災探測傳感器選擇

油罐區內油罐主要儲存的是原油，原油的閃點低于 28℃，火災危險性很大，因此油罐內溫度的變化，對油罐區火災監測非常重要，因此需要選用合適的溫度傳感器。同時，根據對原油燃燒過程的研究， 可以得出油罐區著火后，將會經歷四個階段：著火早期、陰燃階段、油罐原油全燃階段和原油燃盡熄滅階段。每個階段所產生釋放的物質存在又較大的區別。在著火早期階段，原油將發生慢慢的熱解，此時一般會產生一氧化碳、二氧化碳、細小不可見微粒等，燃燒釋放的能量也很少。隨著燃燒的繼續，將進入原油陰燃階段，此時原油發生了進一步熱解，釋放更多的一氧化碳、二氧化碳，也會產生人眼可見的微粒，燃燒釋放的熱量也很大，油罐區溫度顯著升高。在原油全燃階段，出現大量火焰，一氧化碳、二氧化碳和煙霧進一步增多，同時產生大量的可燃氣體，油罐區溫度直線上升。最后，在原油耗盡熄滅階段，原油被慢慢燃盡，油罐區溫度也開始慢慢下降，燃燒所產生的氣體、煙霧也慢慢消散[4]。

在油罐區火災監測時，需要嚴格執行相關國家標準，因此需要執行《GB4717-2005 火災報警控制器》、《GB4716_2005 點型感溫火災探測器》、《GB4715-2005 點型感煙火災探測器》、《GB15322.1-2003 可燃氣體探測器》等國標的要求。

根據油罐區原油的物理性質和燃燒特性，油罐區的溫度變化非常敏感，同時當原油燃燒時，將會產生大量的一氧化碳、二氧化碳、可燃氣體，同時濕度也將會顯著性變化，因此我們選擇溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、二氧化碳、可燃氣體這六種物理量作為監測對象。國標中對火災監測傳感器要求為：溫度精度為0.01℃，濕度精度為 1%RH，氣體濃度精度為 1ppm，同時要求火災響應時間小于 10s。考慮目前的相關傳感器的性價比和已有的火災監測技術，表 1 所示為我們所選擇的傳感器種類和性能參數。

2.2 傳感器節點模塊設計

油罐區面積較大，范圍較廣，單個油罐發生火災，將會引起連鎖反應，因此需要對每個油罐進行監測。因此，傳感器節點設計時，需要將選用的 6 種傳感器集成在一起，統一布置在油罐區每個油罐周圍。

圖 2.2 所示為傳感器節點模塊的設計。傳感器節點模塊設計完成后， 將模塊安置于油罐區每個油罐頂部，監測油罐內原油狀態。

2.3 節點控制模塊

傳感器節點模塊主要負責采集油罐區狀態數據，但是需要設計控制模塊，實現傳感器節點的有規律的數據采集、處理、傳輸。圖2.3所示為各傳感器節點控制模塊。節點控制模塊主要功能是：1）各傳感器數據采集的管理；2）監測數據的處理、本地存儲、傳輸、轉發； 3）無線傳輸網絡的構建、管理、維護；4）電源的管理，增加無線傳感器網絡使用壽命。微處理器選用 ARM 的 LPC1225 芯片，射頻模塊選用 CC2530 芯片。

2.4 網關節點

網關節點主要實現油罐區無線傳感器網絡和服務器端外部網絡的通信和數據傳輸。我們選用芯片為 RT5350 的 Zig Bee 網關，實現： 1）接受服務器和客戶端指令，傳輸到協調器，發送到無線傳感器網絡；2）接受無線傳感器網絡傳送的油罐區狀態監測數據，上送到服務器端。

3. 系統軟件設計

3.1 傳感器節點軟件設計

圖 3.1 所示為傳感器節點的程序設計結構圖。當油罐區無線傳感器節點布置完成后，每個傳感器節點將按照圖中所示流程，完成油罐區數據的采集、傳輸。

3.2 節點控制模塊軟件設計

圖 3.2 所示為節點控制模塊的程序設計結構圖。油罐區無線傳感器節點布置完成后，根據圖中的控制程序，構建油罐區各個傳感器節點的通信、數據傳輸網絡。構建網絡時，需要設計路由算法和網絡拓撲結構，常用的是平衡能量使用率和網絡壽命的分簇自組網結構。

3.3 數據庫系統設計

油罐區無線傳感器網絡運行后，將持續不間斷的采集油罐區狀態數據，隨著時間的推移，將產生大量的油罐區狀態數據。因此需要對采集的數據進行有效的存儲、查詢、監測、管理。首先，需要建立油罐區狀態實時數據庫，管理、存儲油罐區無線傳感器采集到的實時油罐區狀態數據。其次，設計用戶界面和客戶端，實現方便、快捷、準確、及時的數據查詢、觀測、分析。最后，需要根據油罐區原油著火后，溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、二氧化碳、可燃氣體這六種物理量的變化趨勢，分析數據的變化趨勢，建立油罐區火災監測和預警專家系統，實現在線、實時的油罐區火災預警。

4. 結果與分析

為了驗證無線傳感器網絡的有效性和實用性，我們模擬油罐區火災環境，利用構建的無線傳感器網絡進行監測。首先，在標準燃燒室布置傳感器節點和控制模塊，搭建無線傳感器網絡，調試網絡。我們一共布置了 4 個無線傳感器節點。在每個節點處，點燃準備好的原油樣本，利用無線傳感器網絡，觀察采集到的數據變化。

根據實驗的結果，4 個傳感器節點均能有效的采集到節點附近的溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、二氧化碳、可燃氣體這六種物理量的變化。當原油被點燃后，溫度呈現逐漸上升趨勢，二氧化碳濃度有著明顯的上升，濕度緩慢下降，一氧化碳濃度變化較小。由于傳感器精度限制和原油燃燒量較小，濕度和一氧化碳濃度的變化不易變化。鑒于文章篇幅，圖 4.1 和圖 4.2 所示為實驗前后傳感器節點采集的溫度、二氧化碳濃度變化。

本實驗結果說明無線傳感器網絡各節點工作正常，可以有效的采集節點附近的相關物理量數據，可以實現對油罐區溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、二氧化碳、可燃氣體的變化進行實時觀察，從而實現油罐區的火災監測。

5. 結語

為了有效的監測油罐區的日常狀態和實現油罐區火災監測，設計了無線傳感器網絡。根據相關國家標準，分析原油的物理特性和燃燒特性，選擇溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、二氧化碳、可燃氣體這六種物理量作為監測對象，選用了相關的傳感器，采集油罐區附近的狀態參數，并利用無線網絡，傳輸到服務器和客戶端。無線傳感器網絡， 變有線為無線，使得油罐區的日常監測更加方便、快捷、安全、準確， 可以降低監測成本，提高了油罐區的安全性。

參考文獻：

[1] 劉甜，張少軒. 基于無線傳感器網絡的油井監控系統[J]. 油氣田地面工程，2014，33（3），69-70.

[2] 張乃祿，姚萱萱，李選鋒，盛小洋，劉翔周. 基于無線網絡的遠程注水監控系統[J]，油氣田地面工程，2011，30（12），61-63.

[3] 吳洪貴. 無線傳感器聲幅變密度測井技術[J]，油氣田地面工程，2014，33（12），57-58.

[4] 繆曉龍. 基于無線傳感器網絡的油罐區火災監測節點研究[D]， 南京理工大學，2014.

作者簡介：

王熙康. 基于傳感網絡的油罐區火蔓延與火反演技術研究[D]，南京理工大學，2014.