分布式光纤测温系统在LNG储罐泄漏和冷却温度监测中的应用

刘 冰 王 洁 吴健宏 高 放

(中海石油气电集团有限责任公司，北京 100007)

天然气液化、LNG运输、大型接收终端、小型中转站及卫星站等各个环节，都设有一定数量和不同规模的LNG储罐。储罐泄漏是一种隐性风险，会引起火灾与爆炸，影响LNG产业链的发展与延伸，不仅造成巨大的资产损失，也会造成恶劣的社会影响。LNG储罐作为低温液体的大型储存装置，在过量充注、内罐破裂或地震时可能会发生泄漏，LNG从内罐泄漏至环形空间，与罐底、热保护边角和罐壁直接接触，如果不能被及时发现将可能造成大量泄漏，进而影响储罐上部混凝土外壁的传热特性。

传统的LNG储罐泄漏监测是通过点式温度传感器实现的。只有当泄漏量覆盖到检测点时泄漏才能被监测到，具有一定的延迟性，而且也无法确定泄漏点的具体位置。由于温度传感器的使用寿命较短(约3～5年)，一旦损坏，储罐将失去泄漏报警功能。随着储罐数量和规模的增加，温度传感器的布线长度和难度都有所增加，导致系统投资成本增加。

为了实现LNG储罐泄漏的提早检测、定位与报警功能，同时降低泄漏监测成本，有研究者提出并设计了分布式光纤测温系统(DTS)。目前国际上在分布式光纤测温技术方面处于领先的系统供应商主要有德国AP Sensing、德国LIOS Technology及美国Sensor Tran等公司，其产品已在多个LNG接收终端和LNG运输船上应用，主要用于监控LNG储罐泄漏、天然气管道泄漏和关键设备的温度变化特性。在此，笔者以国内首次应用项目(中海油天津浮式LNG项目)为例，介绍采用分布式光纤测温系统进行LNG储罐的在线泄漏和冷却温度的实时监测。

1 分布式光纤测温技术原理①

激光光源向光纤中注入激光脉冲，大部分光能够传到光纤末端并消失，小部分后向散射光会沿着光纤返回。分布式光纤测温技术基于对温度最为敏感的光纤背向拉曼(Raman)散射效应，光纤中的每一点都会产生拉曼散射，一部分光能转换成热振动，生成比光源波长更长的光，称为斯托克斯光(Stokes)；一部分热振动转换成光能，生成比光源波长更短的光，称为反斯托克斯光(Anti-Stokes)[1]。Anti-Stokes光的强度随温度变化而变化，Anti-Stokes光与Stokes光的强度之比提供了一个关于温度的函数关系：

式中a——温度相关系数，与已知的起始温度T0有关；

c——真空中的光速；

h——普朗克常量；

Ia——Anti-Stokes光光强；

Is——Stokes光光强[2]；

k——玻尔兹曼常数；

T——温度绝对值；

v——拉曼平移量。

在光纤的一端对携带温度信号的背向散射光进行光解调，可解调出温度信号。光解调技术主要包括光时域反射技术(OTDR)和光频域反射技术(OFDR)，无论时域还是频域，信号的解调都采用参比光与携温信号光对比进行温度解调。OTDR技术的优势之一是可直接对散射光位置进行定位[3]，当后向散射光返回至光纤入射端时，可测量到入射光和反射光之间的时间差t，则发生散射的位置距入射端的距离X可表示为：

式中n——光纤的折射率。

2 工程应用实例

中海油天津浮式LNG项目一期工程建设规模为220万t/a，采用带汽化设施的LNG浮式装置(FSRU)进行汽化外输，采用陆上小型储罐通过LNG槽车进行液态外输。一期陆上储罐工程包括两座3万m3混凝土全容罐及其配套设施。在此介绍分布式光纤测温系统的设计、安装和调试方案，以及对系统关键性能指标的选型要求。

2.1 总体方案

本方案为两座LNG储罐配置了一套分布式光纤测温系统，用于LNG储罐内罐泄漏监测，同时也用于内罐罐壁冷却温度的在线测量，被检测介质LNG的设计温度-168℃，内罐高度23m。分布式光纤测温主机的第一个通道由连接光缆接入第一个储罐的接线箱，与测温光缆相连。测温光缆从罐顶管嘴进入，然后沿着内罐的外壁向下敷设，到罐底后光缆沿LNG罐底部环形空间敷设一周，然后沿着罐壁往上返回敷设，最后从罐顶管嘴出去。光缆从第一个储罐出来后继续进入第二个储罐的管嘴，以相同的方式从第二个储罐的管嘴引出光缆，然后连接至罐顶的接线箱，再由连接光缆接入测温主机的第二通道。本方案选择最为经济且合理的敷设区域进行布线，在内罐外壁采用竖向布置方式更加符合罐壁的温度传热特性。整套系统的平面布置如图1a所示，单个储罐的布置方案如图1b所示。

a. 系统整体布置

b. 单根光纤在单个LNG储罐内的布置图1 分布式光纤测温系统布置示意图

2.2 光缆

测温光缆一般采用50/125m的多模光纤，层绞松套管结构，套管材料为316不锈钢。温度测量范围-180～+70℃。衰减不大于3.00dB/km(λ=850nm)，不大于0.74dB/km(λ=1300nm)。连接光缆采用普通的50/125m多模通信光缆。尽管光纤发生断裂的可能性很小，但实际的测温光缆也要采取冗余配置。

2.3 测温主机

测温主机由微处理器、光器件及激光源等组成，它们被集成在机箱内，主要用于整个系统的参数配置、信号采集、信号分析及分析结果输出等功能，设置在控制室内。主机配备两个通道，每个通道可以连接4km以上的测温光纤。为了保证泄漏监测的可靠性，系统采用双端测量模式，两个通道分别从两个方向对同一根光纤进行测量并对测量结果进行校正，确保温度测量值的可靠性。系统的核心测量指标和技术要求如下：

采样间隔 0.15～1.00m(在不增加系统投资的前提下，采样间隔越小越好)

空间分辨率 0.5m

测温精度 ±1℃

温度分辨率 0.1℃

单通道扫描时间 不大于60s(取决于测量精度和距离)

主机电源 220V(AC)，50Hz

通信接口 TCP/IP、USB、串行RS232及RS485等接口

激光源 安全级别要符合IEC60825-1M：2001中的1M等级

激光输出功率 小于35mW(IEC60079-28)

为了确保产品选型的合理性和可靠性，在实际选型中也要分析系统其他设计指标能否满足上述要求，如：系统的空间分辨率与光脉冲宽度、探测器响应速度和探测器数据处理时间有关，整套系统的分辨率取决于这3种影响因素的最大值。本系统的空间分辨率要求为0.5m，经计算，探测光的脉冲宽度应不大于5ns，APD和数据采集的响应速率不小于200MHz。在选择较高空间分辨率的同时，要确保关键设备的性能参数能够满足设计需要。

2.4 可视化软件

分布式光纤测温系统的监控画面至少要实现以下基本功能：

a. 实时显示所有监测回路的布局图和温度值，并以颜色进行表征。显示各回路报警指标的当前量。

b. 泄漏报警。根据用户要求设置泄漏报警值，并对被监控的空间按段设置不同分区，对不同的部位进行不同标准的监控。可设置多级绝对温度报警和多级温差报警，或是两者的结合，基本消除误报。此外，还可以定位报警位置，并记录报警数据。

c. 光纤断裂报警。当出现光纤断裂时报警，并显示断裂位置。

2.5 监控主机硬件要求

系统的监控主机采用研强工业计算机，具有Intel双核处理器、320GByte硬盘和2GByte内存的配置。显示器采用戴尔17英寸液晶彩色显示器，Windows XP操作系统。

2.6 检验和测试

检验和测试的主要目的是保证分布式光纤测温系统的精度满足设计要求，一般采用温度校正和关键检测点定位方式。温度校正通过使用恒温水槽，将一段光纤放入均匀、稳定的温度环境中，根据标准温度探测器获取的水温信息校准温度斜率和温度零点。为降低光缆米标的误差，对测温区域的关键位置(如区域交界点、测量起始点、测量结束点和用户关注的重点区域)进行系统定位。系统的工厂测试还应包括系统温度精度测试、温度重复性测试和环境温度变化时所进行的系统精度测试。

3 光纤安装及其注意事项

目前，光纤敷设主要有卡槽焊接和耐低温磁铁固定两种方式。考虑到后者对低温磁铁的性能要求较高，本方案采用了卡槽焊接方式，焊接方式已在储罐表面温度传感器安装中被普遍采用，因此相对成熟可靠。通过卡槽将光纤扣在罐壁和罐底，再通过螺钉进行焊接固定。由于LNG储罐的特殊要求，不锈钢螺钉不能直接焊接到罐壁上，因此卡槽应焊接到预先固定在罐壁上的9Ni钢板上。为确保安全，焊接过程中应确保距离储罐上任意的垂直焊缝300mm以上，距离任意的水平焊缝150mm以上。

在工程实施中应考虑的注意事项：在将尾纤连接到测温主机端口之前，必须确保尾纤端子洁净且无杂质，并且要确保激光器是处于关闭状态以保证连接可靠；每次拔下尾纤后，在连接前需要对尾纤进行清理；在施工过程中需填写光缆敷设主光缆接续盒和记录；在进行分区主区域报警参数设定过程中要做好相应的配置记录；在系统施工过程中，需做好相应的实施进度记录，包括固定件安装、光缆安装、主机安装及系统调试的具体日期等。

4 结束语

在中海油天津浮式LNG项目中，在两个LNG储罐的环形空间和罐壁上安装了测温光纤。光纤测温系统可提供光纤回路上每一点的温度信息，两个储罐的温度检测点数达到了1 600个，是常规测量方法的二十多倍，单点的信息监控成本仅约400元人民币(常规方法约2万元人民币)。此外，报警参数值设置灵活，包括最低温报警、温降

速率报警及低温尖峰值报警等。光纤测温主机可以把这些温度信息和报警信息通过Modbus协议实时传输到中控系统，在中控系统的操作界面上直观地看到温度信息、泄漏报警信息和光纤断裂信息，丰富的数据信息和控制点设定种类为操作员及时掌控罐内温度情况提供方便，为操作员及时发现泄漏风险争取时间。