超大型油罐火灾定点报警技术应用研究

董欣欣 田逢时

摘要：文章主要研究了超大型油罐火灾定点报警的方法，分析了现阶段存在的三种油罐火灾报警方式，明确了各自报警方式的优缺点，随后针对现有报警技术的不足，设计了基于光纤光栅技术的新型油罐火灾报警系统。系统主要包括：传感探测器平台、数据分析平台和联动控制平台。通过实时探测分析，系统可实现初期火灾预警和定点报警的目的，从而提高石化罐区的监测水平。因此，推广基于光纤光栅的火灾报警方式及构建相应的分区动态火灾监测平台，对于超大型储油罐区火灾防治具有重要意义。

关键词：超大型油罐;火灾报警;光纤光栅

近年来，能源需求量不断增长，石油已经成为当今世界的主要能源之一，世界各国都在稳步推进石油储备战略和国家原油战略储备库建设。目前，大型油罐的数量逐年增加，容量逐渐增大，已经成为发展的必然趋势。超大型储油罐区（一般认为容积≥10×104 m3为超大型油罐）是国内外均十分关注的重点火灾防范区域，一旦发生火灾，往往扑救十分困难，如果火势发展，可能造成整个储油罐区停工停产，以及重大财产损失和人员伤亡。若采用半固定式灭火系统，则需要配备较多消防车辆及装备，增大灭火操作难度，因此，在火灾突然发生时，固定消防设施具有较为明显的优势。

火灾报警与灭火应是油罐火灾首要解决的问题。提高油罐火灾报警的准确性、灭火设施的响应时间和灭火效率，是预防火灾迅速蔓延的有效途径之一。大型储油罐消防系统是安全的最后一道防线，因此，设计和使用单位不惜投入大量物力、财力提升储油罐区消防系统的可靠性。

利用火灾报警系统，可在火灾的初起阶段判断火灾的发生及其规模，第一时间启动固定灭火设施进行扑救。超大型油罐火灾定点报警技术的实现，就要选择一种可以对超大型浮顶油罐环状密封圈区域进行实时监测，而且可以第一时间对起火位置进行准确报警的技术与设备。只有报警系统以最快速度响应，灭火系统才能根据报警信息动作灭火。如果报警设备反应迟缓或定位不准确，导致火势发展，火灾一般已经发展到稳定燃烧阶段，温度达到最大值，此时消防队到场也只能做好长时间作战的准备。

一般来说，火灾发生初期阶段特征较为明显。燃烧是一个化学反应过程，这一阶段最显著的特征是释放能量从而使环境温度持续上升。因此，超大型油罐密封圈周围的环境温度可以作为火灾检测的重要对象。石油库普遍采用温度检测的方法进行火灾预警，即一旦火灾探测器探头的安装位置达到温度设定值，火灾探测器就会向控制系统发出信号，控制系统对火灾信号进行处理后，发出声光报警，经过一定时间（一般为30 s，为了防止误报），自动或经过人工确认后启动泡沫灭火系统，对着火油罐进行泡沫覆盖。

一  常见火灾报警系统的发展

（一）传统的温度传感技术

以前大型储油罐并没有专门的火灾自动探测系统，一般只能选择线性感温电缆等电信号的传感器，如果引入电信号，就需要采取严格的安全措施。为了能检测到初期火灾发生，往往需要将线性感温电缆安装在密封圈附近，但是密封圈附近属于爆炸危险性极高的区域，因此不可避免地会带来一定的安全问题。

另外，在检测的温度值上，只能检测传感器设定的某一个值，而传感器的这个值一旦设定就不能改，所以只能当温度达到设定值时才会报警，而在这之前温度升高的信息是检测不到的，因此只能等发生火灾的地方烧到这些装有传感器的点时才能被检测到，所以用这种方式来检测温度只能是发生了火灾之后才能报警，而且报警时已经造成了很大的损失。根据应用情况，该类系统在投入实际使用后可靠性低，效果不太理想，且受环境影响较大，误报率很高。

（二）光纤拉曼传感技术

20世纪80 年代，随着光纤拉曼温度监测系统的出现，温度测量方式进入了一个新的时代。使用分布式光纤进行温度测量的优势明显。以光纤拉曼技术制作的分布式光纤温度传感系统在技术比较成熟：可显示温度的传播方向、速度和受热面积;可实时显示温度报警或故障区域;计算机可提前录入报警区域的平面结构图和光缆布线图。

分布式光纤拉曼温度在线监控系统是利用光纤中传输光波，产生反向散射实现的：激光脉冲在光纤中传输时，会不断产生反向散射光波，其中光纤散射点温度的变化会影响反向散射光的状态。通过技术手段处理后，将状态改变后的反向散射光波送入信号系统便可实时显示温度信号。光波在光纤中传输的速度和背向光回波的时间可以对信息进行具体定位。上述工作原理如图1所示。

然而，随着光纤拉曼温度传感系统的应用，其劣势逐渐暴露出来：由于系统测量的是微弱的反射模拟信号，当光源起伏等情况出现时，容易受到干扰。另外，因其响应时间和测量精度相互制约，不能同时达到响应时间短和测量精度高的要求。同时，由于国外的技术垄断等因素限制，导致系统价格偏高，应用率较低。因此，光纤拉曼传感技术传感器并未在我国罐区获得大规模应用。

（三）光纤光栅传感技术

光纤光栅传感器可以通过某种装置将被测量的物理量变化进行有效转化。光纤光栅上的温度变化会引起布拉格中心波长的变化，通过建立并标定光纤光栅中心波长的变化与被测量的关系，就可以计算出被测量的值，进而可以判断出被检测物体的安全状况。

光纤光栅传感技术是20世纪90年代研发的新一代传感技术，测量精度高、使用壽命长，使用光波信号进行传输，连接传输损耗大大降低。当光源功率起伏时，测量信号几乎不受影响，即使环境温度超过200 ℃，光纤光栅传感器仍具有测温能力，稳定性优异。因此，光纤光栅传感技术在国内外获得了广泛认可，发展较为迅速。但是，当多个光栅复用进行分布式测量时，由于光源带宽的限制，光纤光栅复用数量一般不能超过30个，而石油化工火灾需要数百个探测点。同时，由于国外技术垄断，光纤光栅波长解调的核心技术始终无法突破。近年来，该传感技术获得突破，从而使其大量应用于石油化工火灾预警（如图2所示）。

要进行超大型油罐火灾的定点报警，需要有配套的设备将报警信号进行处理后反应出来，这就是光纤光栅感温火灾探测系统。它的报警温度是在控制软件里设定的，可利用设置温度报警来进行连续监测，可实时准确显示任何点温度的状态，在火灾发生初期进行早期预警。一旦有事故发生，控制软件就可以准确及时判断温度变化的类型，显示事故点温度读数及位置。结合光纤光栅报警器的特征，本文设计了一种基于光栅光纤技术的大型罐区报警系统，报警系统的整个系统框架如图3所示。

整个光纤光栅火灾报警系统可分为三个层面：单体光纤光栅火灾报警器、综合信号处理系统和报警系统。在正常工作下，大型储罐上光纤光栅火灾报警器会向综合处理系统传回电压信号，处理系统实时分析，当火灾发生后，处理系统根据电压信号的异常即可进行判定，同时结合视频数据，进行确认。确认火灾发生后，系统可控制储罐上的消防设施，进行相应灭火。整个平台系统能耗较低，可靠性高，可实现实时动态对罐区内储罐进行探测。在实际应用中，可与视频系统进行联用，最终人员确定灾情后，启动相应灭火设施，可有效避免误报。

在《石油化工企业设计防火标准》（GB 50160-2018）中规定，大于或等于3×104 m3的浮顶罐应采用火灾自动报警系统。这是因为浮顶罐初期火灾规模往往较小，尤其是浮盘处于较低液面时，发生火灾一般难以在第一时间发现，因此要求设置火灾自动探测报警系统。对于超大型油罐，若火灾不能及时被发现和扑灭，则火灾蔓延将造成巨大损失，所以使用先进技术尽早探知火灾并在初期将火扑灭是防灾减灾的有效方法。因此近年来光纤光栅火灾探测系统已逐步取代传统方式在大型储油罐上得到大量推广应用。

二  光纤光栅传感技术在超大型油罐火灾探测中的优势

光纤光栅传感技术同其他传感技术相比，具有明显优势：

（1）在一根光纤上，可以串接复用多个相同或不同类型的传感器，系统集成化程度较高;

（2）传感参量检测及传输均为光信号，不受电磁干扰及核辐射的影响;

（3）不受光强波动及传输光纤弯曲损耗等因素的影响;

（4）测量精度和分辨率高于其他光纤传感技术;

（5）环境适应性强，可长期在恶劣环境中使用;

（6）体积小，重量轻，安装和使用便捷;

（7）传感器工作稳定性优于其他同类产品。

同时，光纤光栅传感器具有自愈合功能。在正常工作时，只需将传感串接链的一端接入信号处理系统，即可实现所有信号的同时检测。一旦意外情况损坏了传感器串接链，则可以将传感链的两端同时接入信号处理系统。此时，左右两侧分布的传感器以断点为界，分别通过串接链的首端和尾端连接到信号处理系统进行检测，实现了自愈合。

在石化行业，浮顶油罐的浮盘上方存在大量的挥发性油蒸气，属于易燃易爆性气体环境区，对电气火花等明火非常敏感。因此，测量元件的本质安全性十分重要。大型油罐初期火灾规模较小，在低液面时更不易及时发现，使用先进技术尽早探知火灾并在初期将火扑灭是防灾减灾的有效方法。

光纤光栅感温火灾报警系统基于新一代传感技术，与其他技术相比，具有本质安全、运行稳定等诸多特性，能够胜任石化危险环境的火灾探测任务。传统测温系统和光纤温度在线监控系统的比较见表1。

由表1可以看出，光纖光栅感温火灾探测系统突破了传统使用电信号进行火灾探测的弊端，具有本质防爆、抗电磁干扰、测量精度高、环境适应性强等优点，非常适合在储油罐区等复杂恶劣环境中的应用。

三  结语

综上所述，相比于其他两类传感探测器，光纤光栅感温火灾探测系统具有本质防爆、抗电磁干扰、测量精度高、抗腐蚀、环境适应性强等优点，克服了传统电信号火灾探测系统的弊端，非常适合于石油化工企业中油罐区等恶劣环境中的应用。同时本文提出了基于光纤光栅感温技术的罐区火灾报警系统，可对储罐进行实时动态监测。因此，本文建议在未来储罐区探测器布置方面，优先使用光纤光栅感温火灾探测技术，保障我国油品的储运安全。应用光纤光栅传感技术作为超大型油罐火灾定点报警和实时监测的工具，该技术所采用的分区监测预警方式，适合与罐区内视频系统、分区灭火消防系统进行联动控制，及时发现和扑救超大型油罐初期火灾。

参考文献：

[1]武铜柱.大型立式油罐发展综述[J].石油化工设备技术， 2004， 25 （3） ： 56-59.

[2]王振国.浮顶式原油储罐泡沫储备量的计算[J].油气储运， 2008（01）： 5，51-54，63.

[3]谷平，葛晓霞.火灾自动报警与PLC自动控制相结合在油库消防系统中的应用[J].石油工程建设， 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.光纤光栅感温火灾探测方法的研究[D].武汉：武汉理工大学，2007.

[6]冯王碧，周次明.光纤光栅感温火灾探测技术研究和应用[J].消防科学与技术，2007， 26（2）：174-177.

[7]张虎城.光纤Bragg光栅调谐特性的研究[J].军事通信技术， 2004（3）：33-35.

[8]祁耀斌.基于光纤传感的危险环境安全监测方法和关键技术的研究[D].武汉： 武汉理工大学，2009.

[9]汤健.浅谈分布式光纤感温线预警系统新技术在变电站中的应用[J].内蒙古石油化工， 2005（7）：10-12.

[10]彭金城.分布式光纤感温故障监测系统在封闭式开关柜的应用[J].大众用电， 2011（2）： 5-6.

[11]褚佩华.光纤光栅火灾自动探测系统在石油化工企业中的应用[J].石油化工自动化， 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.

基金项目：

中国人民警察大学校级科研重点专项课题（ZDZX202005）