新型光柵陣列感溫火災報警系統在油庫工程的研究及應用

摘 要 針對王家溝油庫儲油罐已建傳統光纖光柵感溫火災報警系統出現的各類故障及誤報率高等問題，提出運用新型光柵陣列感溫火災探測器將其進行替換，利用先進的拉絲光刻、一次成纜工藝、波分/時分混合復用等技術，提升儲油罐火災報警系統的整體穩定性與準確率，對儲油罐火災監測及安全運作起到了舉足輕重的效果。

關鍵詞 儲油罐火災監測 光柵陣列 波分/時分混合復用 拉絲光刻 一次成纜

中圖分類號 TH862+.7"" 文獻標志碼 B"" 文章編號 1000 3932（2025）01 0138 06

石油是國家重要的戰略物資，各類油品的儲運安全是能源生產和銷售的重要保障。為避免儲油罐發生火災事故，設置火災自動探測裝置顯得尤為重要。隨著光纖光柵制造技術的不斷發展與完善，其在儲油罐火災自動報警系統中的應用中也越來越多，如何使光纖光柵探測技術在各工業領域更實用化、準確率更高也是研究人員重點考慮的問題。筆者主要對傳統式光纖光柵感溫火災報警系統在王家溝油庫應用中出現的各類故障及問題進行分析，并提出運用新型光柵陣列感溫火災報警系統對其進行替換，以期提升應用效果。

1 傳統式光纖光柵感溫火災報警系統在應用過程中存在的問題分析

《石油庫設計規范》GB 50074—2014規定：儲存甲B類和乙A類液體且容量大于或等于50 000 m3的外浮頂罐，應在儲罐上設置火災自動探測裝置。2011～2012年期間，王家溝油庫在11座原油外浮頂儲罐上設置了傳統式光纖光柵火災報警系統。

傳統式光纖光柵探測器的光纖和光柵是兩個獨立部件，各個光柵需要通過光纖熔接進行串聯連接，光柵分布距離為每3 m一個。此套系統在應用過程中誤報率和故障率不斷增加，給庫區安全生產運行帶來諸多問題與不便。表1為該套系統在2019年3月至2021年2月共計36個月內的誤報及故障的累積統計次數。

此套系統在應用過程中存在問題的分析如下：

a. 由于傳統式光纖光柵中探頭為預制焊接型式，因此在浮盤起降過程中受力能力較低，卡扣脫落后容易導致浮盤卡阻；

b. 光纖光柵探測纜熔接點較多，如一座油罐上布置50個光柵，就對應100個熔點，熔點損耗大，造成誤報率高；

c. 光柵受溫對光源反射及衍射影響程度較高，運行過程中會不斷受陽光照射角度的影響而出現高報預警（誤報，探測值達85 ℃及以上）和低低報預警（誤報，探測值達-50 ℃及以下）；

d. 光纖光柵接頭由光纖材料與光柵材料結合而成，其連接頭中還存在金屬部件和電子元器件，在工作過程中，接頭容易進水，尤其冬天還容易結冰，接頭長時間處于潮濕甚至有水的環境下，就會導致氧化、腐蝕，輕則影響亮度和分辨率，嚴重時會直接損壞設備。

可見，傳統式光纖光柵系統由于受其物理結構本身的局限性，工程現場進水、結冰、光照、浮盤起降、老化等各種因素的影響都容易導致其穩定性較低、故障率及誤報率較高，以至系統最后基本處于停用狀態。王家溝油庫原油儲油罐火災報警系統亟需進行升級更換以解決故障和誤報率，因此筆者提出用新型光柵陣列感溫火災探測器替換傳統式光纖光柵火災探測器的方式進行改造。

2 新型光柵陣列感溫探測技術

傳統式光纖光柵探測纜（多段熔接）如圖1所示，新型光柵陣列感溫探測器的光纖和光柵采用一體成型的結構（圖2），即在光纖拉制過程中采用拉絲光刻技術［1，2］實時在光纖上刻寫光柵，光纖和光柵一體成型，具有100 mm的感溫單元間距，1 s的溫度測量周期以及10 km的探測距離，整條光纜無任何熔接點，布設簡單，可靠性高。系統還采用波分/時分混合復用技術，使用脈沖光替代原有掃頻光進行測量，可大幅增加相同波長傳感器的復用數量。

2.1 拉絲光刻工藝簡介

目前，光柵陣列的制備方法中最具應用能力的方式為拉絲塔在線制備技術，將光纖拉制和光柵刻寫（圖3）兩個步驟同步完成，在光纖動態運動過程中實現光柵的在線寫入，可以實現在一根光纖中連續刻寫大量的布拉格光柵。

光纖拉制。光纖拉制首先要制備預制棒，光纖預制棒是控制光纖性能的原始棒體材料，其內層為高折射率纖芯層，外層為低折射率的包層，以滿足光波在芯層傳輸的基本條件。光棒成品的質量和特性（如純度、強度、有效折射率、衰減程度）對光纖有重大影響。光纖預制棒芯棒有多種生產方式，主要原理是基于氣相沉積法，當前主要采用改進的化學氣相沉積法（MCVD）、軸向氣相沉積法（VAD）、棒外化學氣相沉積法（OVD）和等離子化學氣相沉積法（PCVD）四大主流工藝。光棒外部包層制造一般采用套管法（早期是RIT，后來演進為RIC）和全合成法（OVD、VAD）。之后進行光纖拉絲，即由高溫拉絲爐將光纖預制棒高溫融熔并拉制成細長的光纖。在拉絲的過程中，需控制拉絲速度和力度，以保證光纖的質量和直徑精度。

光柵刻寫。用準分子激光的單個脈沖在光纖上刻寫光柵，由于準分子激光屬于輸出功率大的脈沖激光，單個脈沖能量集中、加熱時間短、加熱效率高，因此成柵時間非常短，這樣就使得周圍環境在成柵的過程中影響幾乎可忽略不計。另外，在拉絲的同步實現用單脈沖刻寫光柵，然后光纖進入涂層容器進行涂覆，保護了光纖不受其他因素造成損傷，因此提供了光柵的優良的光學性能和機械強度。

2.2 光纖光柵波分（WDM）+時分（TDM）混合復用解調技術

為增強光纖光柵的適用性，改善光纖光柵的分布，且往往需要對多點進行監測。因此可以采用復用技術進行光纖光柵分布，提高光源利用效率，增加光纖傳輸容量，在過程應用中降低系統搭建成本。過去最常見復用技術是波分復用（WDM）或時分復用（TDM）。

波分復用的優點是信號強，響應快，精度高；可多參量組網。缺點就是測量點數少（一般少于50個點）；單個制備光柵，焊接成網；組網時，損耗大、可靠性差。

時分復用的優點包括多點分布式測量，普通光纖，無需制作傳感器。缺點就是信號弱，響應時間慢，精度低，只能測量溫度及應力等少數參量。

光纖光柵波分+時分傳感信號解調技術是一種先進的光纖傳感方法，結合了波分復用（WDM）和時分復用（TDM）兩種技術，通過在同一根光纖中利用不同波長和時間間隔進行傳感信號的傳輸，該技術實現了高精度、多點的監測，其技術原理示意圖如圖4所示。這使得它在石油石化、電力和交通等領域的安全監測中具有廣泛的應用前景。其優勢包括高精度測量、有效避免信號干擾和適應惡劣環境。

2.3 性能對比

與傳統式光纖光柵火災報警系統相比，光柵陣列感溫火災報警系統具有以下特點：

a. 采用獨有的拉絲光刻技術，每100 mm刻寫一個光柵，可對100 mm范圍的溫升產生感應，具有非常高的空間分辨率；

b. 采用萬分之一反射率的光柵進行感溫，每通道可串聯上萬個光柵傳感器，單通道測量距離可達5 km，儀表檢測距離可達10 km；

c. 光柵陣列感溫火災報警系統在國內率先采用了先進的拉絲塔連續在線刻寫光柵生產工藝和感溫光纜整體無接頭封裝成纜生產工藝，即采用光纖拉制與光柵在線刻寫合二為一、實現感溫光柵整體封裝成纜技術，此技術可連續多點寫入傳感光柵，光柵間無需焊接，無接點損耗。無任何熔接點，可完美解決工程現場出現進水、結冰導致光纜斷裂的現象出現，可靠性高；

d. 響應速度快，傳感元件為光柵，信號質量好，強度高，不需要進行累加。

傳統式光纖光柵和新型光柵陣列感溫火災報警系統性能對比見表2。

綜上所述，光柵陣列技術是一種可靈活配置的大規模、無接續、高精度、快速響應的光纖傳感新技術，尤其是適合油庫工程火災報警探測。

3 油庫工程中的應用及效果

3.1 在王家溝油庫原油罐區火災探測中的應用

3.1.1 陣列式光纖光柵感溫探測系統構成

本工程將王家溝油庫原油罐區3#罐、4#罐、7#～15#罐共計11座儲罐的傳統式光纖光柵火災報警系統更換為光柵陣列感溫火災報警系統。光柵陣列感溫火災報警系統主要由光柵陣列感溫光纜、火災報警監測主機及火災報警控制器組成（圖5）。

由于光柵陣列感溫光纜本質安全防爆、防雷，因此可安裝在石油儲罐現場，感知現場的溫度信息；系統直接采用光柵陣列感溫光纜進行光信號傳輸；光柵陣列火災報警監測主機安裝在控制室，通過RS485/RJ45通信端口向監控計算機輸出油罐上各監測區溫度和位置信息、火災報警信號、故障報警信號等，并存儲數據。同時報警開關信號通過輸入模塊接入控制室內的火災報警控制器，與火災自動報警系統實現數據共享，并與消防設施聯動。

3.1.2 光柵陣列感溫光纜安裝

如圖6所示，光柵陣列感溫光纜安裝于浮頂儲罐邊緣的二次密封金屬板上沿，呈圓周形分布，光纜采用固定卡進行機械固定，固定卡間距約1 m。

光柵陣列感溫光纜從油罐頂部到罐底部沿油罐外壁垂直敷設，使用DN 25鍍鋅管進行保護，DN 25鍍鋅管安裝于罐外壁角鋼上，角鋼規格為∠40×40×4，角鋼間隔2 m。

3.2 應用效果

表3為使用光柵陣列感溫火災報警系統后，此11座儲罐在2022年8月至2024年1月18個月內系統誤報及故障的累積統計次數。

通過對比分析，說明光纖光柵火災報警系統技術更新后，故障率和誤報率都極大程度地降低，提升了測溫系統的整體穩定性，也明顯減少了人工維護及維修的成本，應用效果良好。

4 結束語

光纖光柵傳感器已經廣泛應用于石油化工、電力系統、公共交通的各個領域中，逐漸形成了產學研緊密結合的格局。新型光柵光纖陣列傳感技術的出現，能夠為我國各個領域的工程、重要基礎設施的狀態監測與安全管理提供完整先進的解決方案，對潛在事故隱患及時地進行預警和報警，顯著提升我國大型基礎設施的實時監測能力與安全管理水平。同時，伴隨著光纖光柵傳感技術的飛速發展與應用，其許多技術難點還需要克服，希望光纖光柵探測系統的技術及性能更趨于完善，誤報及故障等問題可以得到更好地解決，使光纖光柵具備更大的應用優勢，更好地為國家經濟服務。

參 考 文 獻

［1］ 龔健文，王建，劉俊伯，等.基于投影光刻技術的微透鏡陣列加工方法［J］.光電工程，2023，50（12）：89-99.

［2］ 陳林森，黃文彬，浦東林，等.激光直寫光刻技術的發展與應用（特邀）［J］.中國激光，2024，51（12）：286-299.

（收稿日期：2024-05-27，修回日期：2024-07-03）