超大型油罐火災定點報警技術應用研究

董欣欣 田逢時

摘要：文章主要研究了超大型油罐火災定點報警的方法，分析了現階段存在的三種油罐火災報警方式，明確了各自報警方式的優缺點，隨后針對現有報警技術的不足，設計了基于光纖光柵技術的新型油罐火災報警系統。系統主要包括：傳感探測器平臺、數據分析平臺和聯動控制平臺。通過實時探測分析，系統可實現初期火災預警和定點報警的目的，從而提高石化罐區的監測水平。因此，推廣基于光纖光柵的火災報警方式及構建相應的分區動態火災監測平臺，對于超大型儲油罐區火災防治具有重要意義。

關鍵詞：超大型油罐;火災報警;光纖光柵

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

火災報警與滅火應是油罐火災首要解決的問題。提高油罐火災報警的準確性、滅火設施的響應時間和滅火效率，是預防火災迅速蔓延的有效途徑之一。大型儲油罐消防系統是安全的最后一道防線，因此，設計和使用單位不惜投入大量物力、財力提升儲油罐區消防系統的可靠性。

利用火災報警系統，可在火災的初起階段判斷火災的發生及其規模，第一時間啟動固定滅火設施進行撲救。超大型油罐火災定點報警技術的實現，就要選擇一種可以對超大型浮頂油罐環狀密封圈區域進行實時監測，而且可以第一時間對起火位置進行準確報警的技術與設備。只有報警系統以最快速度響應，滅火系統才能根據報警信息動作滅火。如果報警設備反應遲緩或定位不準確，導致火勢發展，火災一般已經發展到穩定燃燒階段，溫度達到最大值，此時消防隊到場也只能做好長時間作戰的準備。

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

一? 常見火災報警系統的發展

（一）傳統的溫度傳感技術

以前大型儲油罐并沒有專門的火災自動探測系統，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，就需要采取嚴格的安全措施。為了能檢測到初期火災發生，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，只能檢測傳感器設定的某一個值，而傳感器的這個值一旦設定就不能改，所以只能當溫度達到設定值時才會報警，而在這之前溫度升高的信息是檢測不到的，因此只能等發生火災的地方燒到這些裝有傳感器的點時才能被檢測到，所以用這種方式來檢測溫度只能是發生了火災之后才能報警，而且報警時已經造成了很大的損失。根據應用情況，該類系統在投入實際使用后可靠性低，效果不太理想，且受環境影響較大，誤報率很高。

（二）光纖拉曼傳感技術

20世紀80 年代，隨著光纖拉曼溫度監測系統的出現，溫度測量方式進入了一個新的時代。使用分布式光纖進行溫度測量的優勢明顯。以光纖拉曼技術制作的分布式光纖溫度傳感系統在技術比較成熟：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域;計算機可提前錄入報警區域的平面結構圖和光纜布線圖。

分布式光纖拉曼溫度在線監控系統是利用光纖中傳輸光波，產生反向散射實現的：激光脈沖在光纖中傳輸時，會不斷產生反向散射光波，其中光纖散射點溫度的變化會影響反向散射光的狀態。通過技術手段處理后，將狀態改變后的反向散射光波送入信號系統便可實時顯示溫度信號。光波在光纖中傳輸的速度和背向光回波的時間可以對信息進行具體定位。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的應用，其劣勢逐漸暴露出來：由于系統測量的是微弱的反射模擬信號，當光源起伏等情況出現時，容易受到干擾。另外，因其響應時間和測量精度相互制約，不能同時達到響應時間短和測量精度高的要求。同時，由于國外的技術壟斷等因素限制，導致系統價格偏高，應用率較低。因此，光纖拉曼傳感技術傳感器并未在我國罐區獲得大規模應用。

（三）光纖光柵傳感技術

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行有效轉化。光纖光柵上的溫度變化會引起布拉格中心波長的變化，通過建立并標定光纖光柵中心波長的變化與被測量的關系，就可以計算出被測量的值，進而可以判斷出被檢測物體的安全狀況。

光纖光柵傳感技術是20世紀90年代研發的新一代傳感技術，測量精度高、使用壽命長，使用光波信號進行傳輸，連接傳輸損耗大大降低。當光源功率起伏時，測量信號幾乎不受影響，即使環境溫度超過200 ℃，光纖光柵傳感器仍具有測溫能力，穩定性優異。因此，光纖光柵傳感技術在國內外獲得了廣泛認可，發展較為迅速。但是，當多個光柵復用進行分布式測量時，由于光源帶寬的限制，光纖光柵復用數量一般不能超過30個，而石油化工火災需要數百個探測點。同時，由于國外技術壟斷，光纖光柵波長解調的核心技術始終無法突破。近年來，該傳感技術獲得突破，從而使其大量應用于石油化工火災預警（如圖2所示）。

要進行超大型油罐火災的定點報警，需要有配套的設備將報警信號進行處理后反應出來，這就是光纖光柵感溫火災探測系統。它的報警溫度是在控制軟件里設定的，可利用設置溫度報警來進行連續監測，可實時準確顯示任何點溫度的狀態，在火災發生初期進行早期預警。一旦有事故發生，控制軟件就可以準確及時判斷溫度變化的類型，顯示事故點溫度讀數及位置。結合光纖光柵報警器的特征，本文設計了一種基于光柵光纖技術的大型罐區報警系統，報警系統的整個系統框架如圖3所示。

整個光纖光柵火災報警系統可分為三個層面：單體光纖光柵火災報警器、綜合信號處理系統和報警系統。在正常工作下，大型儲罐上光纖光柵火災報警器會向綜合處理系統傳回電壓信號，處理系統實時分析，當火災發生后，處理系統根據電壓信號的異常即可進行判定，同時結合視頻數據，進行確認。確認火災發生后，系統可控制儲罐上的消防設施，進行相應滅火。整個平臺系統能耗較低，可靠性高，可實現實時動態對罐區內儲罐進行探測。在實際應用中，可與視頻系統進行聯用，最終人員確定災情后，啟動相應滅火設施，可有效避免誤報。

在《石油化工企業設計防火標準》（GB 50160-2018）中規定，大于或等于3×104 m3的浮頂罐應采用火災自動報警系統。這是因為浮頂罐初期火災規模往往較小，尤其是浮盤處于較低液面時，發生火災一般難以在第一時間發現，因此要求設置火災自動探測報警系統。對于超大型油罐，若火災不能及時被發現和撲滅，則火災蔓延將造成巨大損失，所以使用先進技術盡早探知火災并在初期將火撲滅是防災減災的有效方法。因此近年來光纖光柵火災探測系統已逐步取代傳統方式在大型儲油罐上得到大量推廣應用。

二? 光纖光柵傳感技術在超大型油罐火災探測中的優勢

光纖光柵傳感技術同其他傳感技術相比，具有明顯優勢：

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

（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;

（5）環境適應性強，可長期在惡劣環境中使用;

（6）體積小，重量輕，安裝和使用便捷;

（7）傳感器工作穩定性優于其他同類產品。

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，即可實現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。此時，左右兩側分布的傳感器以斷點為界，分別通過串接鏈的首端和尾端連接到信號處理系統進行檢測，實現了自愈合。

在石化行業，浮頂油罐的浮盤上方存在大量的揮發性油蒸氣，屬于易燃易爆性氣體環境區，對電氣火花等明火非常敏感。因此，測量元件的本質安全性十分重要。大型油罐初期火災規模較小，在低液面時更不易及時發現，使用先進技術盡早探知火災并在初期將火撲滅是防災減災的有效方法。

光纖光柵感溫火災報警系統基于新一代傳感技術，與其他技術相比，具有本質安全、運行穩定等諸多特性，能夠勝任石化危險環境的火災探測任務。傳統測溫系統和光纖溫度在線監控系統的比較見表1。

由表1可以看出，光纖光柵感溫火災探測系統突破了傳統使用電信號進行火災探測的弊端，具有本質防爆、抗電磁干擾、測量精度高、環境適應性強等優點，非常適合在儲油罐區等復雜惡劣環境中的應用。

三? 結語

綜上所述，相比于其他兩類傳感探測器，光纖光柵感溫火災探測系統具有本質防爆、抗電磁干擾、測量精度高、抗腐蝕、環境適應性強等優點，克服了傳統電信號火災探測系統的弊端，非常適合于石油化工企業中油罐區等惡劣環境中的應用。同時本文提出了基于光纖光柵感溫技術的罐區火災報警系統，可對儲罐進行實時動態監測。因此，本文建議在未來儲罐區探測器布置方面，優先使用光纖光柵感溫火災探測技術，保障我國油品的儲運安全。應用光纖光柵傳感技術作為超大型油罐火災定點報警和實時監測的工具，該技術所采用的分區監測預警方式，適合與罐區內視頻系統、分區滅火消防系統進行聯動控制，及時發現和撲救超大型油罐初期火災。

參考文獻：

[1]武銅柱.大型立式油罐發展綜述[J].石油化工設備技術， 2004， 25 （3） ： 56-59.

[2]王振國.浮頂式原油儲罐泡沫儲備量的計算[J].油氣儲運， 2008（01）： 5，51-54，63.

[3]谷平，葛曉霞.火災自動報警與PLC自動控制相結合在油庫消防系統中的應用[J].石油工程建設， 2007（04）： 1-4.

[4] A Morgan. New fire detection concepts with fiber optics technology[J].Fire Safety Engineering，2000（04）.

[5]高雪清.光纖光柵感溫火災探測方法的研究[D].武漢：武漢理工大學，2007.

[6]馮王碧，周次明.光纖光柵感溫火災探測技術研究和應用[J].消防科學與技術，2007， 26（2）：174-177.

[7]張虎城.光纖Bragg光柵調諧特性的研究[J].軍事通信技術， 2004（3）：33-35.

[8]祁耀斌.基于光纖傳感的危險環境安全監測方法和關鍵技術的研究[D].武漢： 武漢理工大學，2009.

[9]湯健.淺談分布式光纖感溫線預警系統新技術在變電站中的應用[J].內蒙古石油化工， 2005（7）：10-12.

[10]彭金城.分布式光纖感溫故障監測系統在封閉式開關柜的應用[J].大眾用電， 2011（2）： 5-6.

[11]褚佩華.光纖光柵火災自動探測系統在石油化工企業中的應用[J].石油化工自動化， 2006（06）：21-22.

[12]Explosion of solvent vapor in a ring partition of the floating roof[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2008（21）：642-645.

基金項目：

中國人民警察大學校級科研重點專項課題（ZDZX202005）