新型光柵陣列感溫火災報警系統(tǒng)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(tǒng)光纖光柵感溫火災報警系統(tǒng)出現(xiàn)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(shù)，提升儲油罐火災報警系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性與準確率，對儲油罐火災監(jiān)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(jiān)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(zhàn)略物資，各類油品的儲運安全是能源生產(chǎn)和銷售的重要保障。為避免儲油罐發(fā)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(shù)的不斷發(fā)展與完善，其在儲油罐火災自動報警系統(tǒng)中的應用中也越來越多，如何使光纖光柵探測技術(shù)在各工業(yè)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(tǒng)式光纖光柵感溫火災報警系統(tǒng)在王家溝油庫應用中出現(xiàn)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(tǒng)對其進行替換，以期提升應用效果。

1 傳統(tǒng)式光纖光柵感溫火災報警系統(tǒng)在應用過程中存在的問題分析

《石油庫設計規(guī)范》GB 50074—2014規(guī)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(tǒng)式光纖光柵火災報警系統(tǒng)。

傳統(tǒng)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(lián)連接，光柵分布距離為每3 m一個。此套系統(tǒng)在應用過程中誤報率和故障率不斷增加，給庫區(qū)安全生產(chǎn)運行帶來諸多問題與不便。表1為該套系統(tǒng)在2019年3月至2021年2月共計36個月內(nèi)的誤報及故障的累積統(tǒng)計次數(shù)。

此套系統(tǒng)在應用過程中存在問題的分析如下：

a. 由于傳統(tǒng)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(xiàn)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(jié)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(jié)冰，接頭長時間處于潮濕甚至有水的環(huán)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(tǒng)式光纖光柵系統(tǒng)由于受其物理結(jié)構(gòu)本身的局限性，工程現(xiàn)場進水、結(jié)冰、光照、浮盤起降、老化等各種因素的影響都容易導致其穩(wěn)定性較低、故障率及誤報率較高，以至系統(tǒng)最后基本處于停用狀態(tài)。王家溝油庫原油儲油罐火災報警系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)

傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)（圖2），即在光纖拉制過程中采用拉絲光刻技術(shù)［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(tǒng)還采用波分/時分混合復用技術(shù)，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(shù)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(shù)，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(tài)運動過程中實現(xiàn)光柵的在線寫入，可以實現(xiàn)在一根光纖中連續(xù)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(nèi)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?shù)幕緱l件。光棒成品的質(zhì)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(chǎn)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(zhì)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(huán)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(xiàn)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(yōu)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(diào)技術(shù)

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(jiān)測。因此可以采用復用技術(shù)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(tǒng)搭建成本。過去最常見復用技術(shù)是波分復用（WDM）或時分復用（TDM）。

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

時分復用的優(yōu)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(shù)參量。

光纖光柵波分+時分傳感信號解調(diào)技術(shù)是一種先進的光纖傳感方法，結(jié)合了波分復用（WDM）和時分復用（TDM）兩種技術(shù)，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(shù)實現(xiàn)了高精度、多點的監(jiān)測，其技術(shù)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(jiān)測中具有廣泛的應用前景。其優(yōu)勢包括高精度測量、有效避免信號干擾和適應惡劣環(huán)境。

2.3 性能對比

與傳統(tǒng)式光纖光柵火災報警系統(tǒng)相比，光柵陣列感溫火災報警系統(tǒng)具有以下特點：

a. 采用獨有的拉絲光刻技術(shù)，每100 mm刻寫一個光柵，可對100 mm范圍的溫升產(chǎn)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(lián)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(tǒng)在國內(nèi)率先采用了先進的拉絲塔連續(xù)在線刻寫光柵生產(chǎn)工藝和感溫光纜整體無接頭封裝成纜生產(chǎn)工藝，即采用光纖拉制與光柵在線刻寫合二為一、實現(xiàn)感溫光柵整體封裝成纜技術(shù)，此技術(shù)可連續(xù)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(xiàn)場出現(xiàn)進水、結(jié)冰導致光纜斷裂的現(xiàn)象出現(xiàn)，可靠性高；

d. 響應速度快，傳感元件為光柵，信號質(zhì)量好，強度高，不需要進行累加。

傳統(tǒng)式光纖光柵和新型光柵陣列感溫火災報警系統(tǒng)性能對比見表2。

綜上所述，光柵陣列技術(shù)是一種可靈活配置的大規(guī)模、無接續(xù)、高精度、快速響應的光纖傳感新技術(shù)，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(qū)火災探測中的應用

3.1.1 陣列式光纖光柵感溫探測系統(tǒng)構(gòu)成

本工程將王家溝油庫原油罐區(qū)3#罐、4#罐、7#～15#罐共計11座儲罐的傳統(tǒng)式光纖光柵火災報警系統(tǒng)更換為光柵陣列感溫火災報警系統(tǒng)。光柵陣列感溫火災報警系統(tǒng)主要由光柵陣列感溫光纜、火災報警監(jiān)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(zhì)安全防爆、防雷，因此可安裝在石油儲罐現(xiàn)場，感知現(xiàn)場的溫度信息；系統(tǒng)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(jiān)測主機安裝在控制室，通過RS485/RJ45通信端口向監(jiān)控計算機輸出油罐上各監(jiān)測區(qū)溫度和位置信息、火災報警信號、故障報警信號等，并存儲數(shù)據(jù)。同時報警開關信號通過輸入模塊接入控制室內(nèi)的火災報警控制器，與火災自動報警系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，并與消防設施聯(lián)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(guī)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(tǒng)后，此11座儲罐在2022年8月至2024年1月18個月內(nèi)系統(tǒng)誤報及故障的累積統(tǒng)計次數(shù)。

通過對比分析，說明光纖光柵火災報警系統(tǒng)技術(shù)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(tǒng)的整體穩(wěn)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(jié)束語

光纖光柵傳感器已經(jīng)廣泛應用于石油化工、電力系統(tǒng)、公共交通的各個領域中，逐漸形成了產(chǎn)學研緊密結(jié)合的格局。新型光柵光纖陣列傳感技術(shù)的出現(xiàn)，能夠為我國各個領域的工程、重要基礎設施的狀態(tài)監(jiān)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(jiān)測能力與安全管理水平。同時，伴隨著光纖光柵傳感技術(shù)的飛速發(fā)展與應用，其許多技術(shù)難點還需要克服，希望光纖光柵探測系統(tǒng)的技術(shù)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(yōu)勢，更好地為國家經(jīng)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(shù)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(shù)的發(fā)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）