油罐火灾报警系统方案

中石油项目

油罐光纤光栅感温火灾探测系统

技

术

方

案

武汉理工光科股份有限公司

二00八年八月

一、企业简介

武汉理工光科股份有限公司（简称“理工光科”）是由武汉理工大学产业集团、北新集团建材股份公司（上市公司）、湖北省投资公司、武汉钢铁（集团）公司、湖北双环科技股份公司（上市公司）、湖北省仪器仪表总公司、深圳市新产业创业投资公司等股东共同投资发起设立的股份制公司。公司成立于2000年8月，注册资本3142.854万元，净资产6000多万元，是研究、开发、生产、销售光纤光栅传感系列产品的高新技术企业。公司是湖北省科技厅、武汉东湖高新技术开发区核准的省市两级高新技术企业，2002年度被评为全国二十一家最具成长性企业之一。

公司坐落在中国武汉·光谷科技园，建设投资规模1亿多元。公司是国家计委《光纤传感国家产业化示范工程项目》的承担单位，拥有一万余平方米的现代化厂房，是我国目前最大的光纤传感技术研发和生产基地。公司拥有涉及十多个学科领域的光纤传感研究室和一批具有国际先进水平的研发仪器设备，开发了30多项具有国际先进水平的技术成果和拥有多项专利技术。目前公司已申报专利30多项，其中发明专利9项，授权2项，光纤光栅产业化技术在2004年获得国家科技进步二等奖和2007年公安部科技进步一等奖，并作为国家《光纤感温火灾探测器国家标准》主要起草单位之一承担了国家《光纤感温火灾探测器国家标准》的起草。

公司成立以来，严格按照现代企业制度和股份制企业经营管理模式规范运营。建立了一整套健全的企业经营管理体系，包括质量保证体系、售后服务体系、财务管理体系、人才资源管理体系，市场策划与营销网络体系、物资管理体系、新产品开发体系、知识产权管理制度以及产品进出口管理制度。并于2002年通过了ISO 9001：2000质量体系国际机构认证。

公司拥有一支高素质的员工队伍，现有员工223人，平均年龄34岁，本专科以上学历人员占80%，其中正高10人，副高（含高工）22人，博士19人，硕士34人。公司研发技术人员66人，由光电子、材料、信息、机电一体化、机械、交通工程、现代测试技术与仪器、计算机等多学科组成，是一支具有多学科交叉与较强工程实践能力的高素质研发队伍。

公司在全国建立了较完善的营销网络体系，设有14个销售区域。公司产品

广泛应用于石油、化工、冶金、交通、水电、国防等行业，年实现销售收入1.5亿元，利税4500多万元，产品在国内的市场占有率达到70%以上，为提高这些行业的安全技术水平发挥着重要作用，创造了良好的社会效益和经济效益。

二、 油罐火灾报警技术概述

光纤光栅感温火灾探测系统是我公司应用光纤光栅感温工作原理率先在国内研制开发的新型火灾探测系统，是集计算机、光纤传感、光纤传输、光电控制等高新技术于一体的系统工程。本系统近几年在石油化工行业的大量应用实践表明，我们能够为业主提供一套本质安全、无电检测、实时在线的自动火灾监控系统，以确保大型储油罐安全生产。

TGW 光纤光栅感温火灾探测系统是以光纤作为信号的传输与传感媒体、利用布喇格光栅的温度敏感性和光的反射原理，通过对反射光的波长进行解调确定测量温度的数字测量技术。系统能够实时测量沿光纤的温度分布，同时能显示报警。该产品输出信号为数字信号，检测精度高；可进行分布测量，测量点可任意设置；可实现无电检测，本质安全防爆、抗电磁干扰、防雷击。与同类光纤传感产品相比，稳定性好、精确度高，特别适合石油、天燃气管道、化工、冶金、电力、消防、能源、仓储、军工、核工业等场所使用。

三、TGW 光纤光栅感温火灾报警系统的原理

光纤光栅是TGW 光纤光栅感温火灾报警系统中的核心部件之一，它是利用光纤芯层材料的光敏特性，通过紫外准分子激光器采用掩模曝光的方法使一段约8mm 的光纤纤芯的折射率发生永久性改变，折射率的改变呈周期性分布，形成布喇格光栅结构，如图1所示。

图1 光纤光栅原理示意图

当宽带入射光通过光纤光栅时，满足布喇格条件的波长被光栅反射回来，

其余波长的光被透射，

反射光波长随光栅栅距d 的改变而改变。由于光栅栅距d 对环境温度非常敏感，因此，通过检测反射波长的变化可以计算出环境温度的改变量。

反射光波长的改变量通过信号处理器来检测，它是TGW

系统中的另外一个核心部件。TGW 系统中的信号处理器采用可调法布里－珀罗腔技术进行波长检测。当信号处理器检测到光纤光栅的反射波长出现异常时，发出预警和报警信号。

在传统的光纤光栅系统中，由于光栅的反射光具有一定带宽（其3 dB 带宽一般为0.2 nm

），而光纤光栅的复用方式为波分复用，因此，在光源带宽的限制下，传感器探头的复用数量非常有限，一般每套只有15-20个左右，不能满足大型工程的应用需求，

遇到大型工程需要多套探测器上罐，增加了系统复杂性和不稳定性，并加大了系统的施工和维护难度。

武汉理工光科股份有限公司的TGW 光纤光栅感温火灾报警系统将传统波分复用技术和全同光纤光栅复用技术结合，使用波分复用与全同光纤光栅混合复用方法，解决了大型工程火灾报警的难题。

入射光

图2混合复用方法示意图

油罐的火灾监测和报警系统中，按照国家相关规范，要进行防火分区的划分，在某个区域某个监测点处发生火灾，整个区域的火警系统必须启动。波分复用与全同光纤光栅混合复用的方法如图2所示，系统将油罐分为多个防火分区，不同防火分区以全同光栅的波长λ1, λ2„λn 进行区分，等分每个区域的长度。λ1, λ2„λn 中每一个波长对应的防火分区内有多个监测点，同一防火分区的所有监测点采用全同光栅，这些监测点上的光纤光栅的反射波长都等于该区域的对应波长。如果

系统检测到λ1波长产生了移动，就表明它所监测的防火分区的温度发生了变化，

并监测罐上温度的变化情况，若温度变化超过了设定值，系统就会预警和报警。通过这种混合复用的方法，大大增加了系统的测量精度，使之能够应用到大型工程中去。

四、TGW 系统的特点和应用情况

TGW 光纤光栅感温火灾探测系统主要由光纤光栅感温火灾探测器（光纤光栅探头）、连接光缆、光连接器（光纤接续盒）、传输光缆、信号处理器等部分组成。加上火灾报警控制器、手动报警按钮等设施，以及相应的计算机系统（消防报警控制系统），就组成了一套完整的光纤光栅感温火灾报警系统（如下图3）。

（油罐区现场） （控制室）

1. 油罐浮顶；2. 光纤光栅感温探测器；3. 光纤保护盒；4罐内扶梯；5. 光缆保护管（镀锌管）；

6. 油罐；7. 传输光缆；8. 光纤光栅信号处理器；9. 通讯电缆；10. 火灾报警控制器；11. 计算机

图3 光纤光栅感温火灾探测系统结构示意图

（一）TGW 系统特点

TGW 光纤光栅感温火灾报警系统是武汉理工光科股份有限公司研制开发的一种温度监测报警系统，它采用先进的光纤光栅传感技术，适用于各种恶劣环境下长距离、高精度的温度监测。TGW 系统的以下特性使它尤其适合于大型油罐的火情监测。

✧ 对温度实时、分布监测

TGW 系统对所有分区的温度进行实时在线、全天候24小时监测，提供温度变化重要数据和火警预报警监控，大大降低了监控工作人员的劳动和工作强度。 ✧ 安全可靠性高

TGW 系统采用光信号检测，实现现场无电检测，本质防燃防爆；

采用光纤传输信号，抗腐蚀性强，使用寿命长，防雷击，并克服传输中的电磁干扰，准确可靠。

✧ 系统结构合理

TGW 系统采用分布式测量方式，解决了大型油罐工程中需多套探测器上罐的难题，减少了探测器套数，降低了系统复杂性和不稳定性，结构紧凑，安装维护方便。

各油罐实现一罐一台信号处理器，监测系统相对独立，避免了一台处理器出现故障所有系统停止工作的局面，造成无法实现对火灾的实时监测，并避免了各套设备间的相互影响；一罐一表的实现对于监控工作人员迅速、准确判定火情发生的油罐及区域提供了直观的显示。

✧ 灵活的报警控制

TGW 系统测量的是连续的温度信号，可设置多级定温报警，比如在70℃时预报警，90℃时报警并采取措施，并且可以根据环境不同进行修正。

在定温报警的同时，还可以设定多级差温报警，根据温度上升的快慢程度给出不同的报警信号，分别启动喷水降温装置或者灭火装置。两种报警方式结合可以基本消除误报。

用户可以根据实际情况设定各个区域的报警温度，以提供早期的报警警报。 ✧ 准确可靠性高

采用先进的波长数字式测量技术，不受光源波动、连接损耗、光缆的随机振动等因素的影响，检测精确度高，运行稳定性好。产品经国家消防电子产品质量监督检验中心检测合格，企业通过了ISO9001认证。

✧ 响应时间短

TGW 系统的响应时间不超过1秒，而且与监测油罐规模没有冲突，对温度变化做出及时的反应。

✧ 优良的兼容性

TGW 系统可以通过RS232/485标准端口或者继电器输出与外部其它控制设备进行通信；

信号可远距离传输，便于与计算机或消防报警控制系统联网，易于实现远程 监控。报警开关信号可以进入消防控制室的集中火灾报警控制设备，系统可以与火灾报警系统无缝连接，可有效实现启动喷水降温装置或者灭火装置。 ✧ 自检功能

TGW 系统具有自检功能，通过尾端的自检探头可实时监测自身运行情况并输出故障报警声光信号。

（二）TGW 系统的应用情况

武汉理工光科股份有限公司是中石油和中石化的供应网络成员单位，《光纤火灾探测系统国家标准》的主要起草单位之一，具有雄厚的研发、生产能力和丰富的工程施工经验。公司采用具有自主知识产权的技术研制、生产的TGW 光纤光栅感温火灾报警系统是目前国际国内火灾报警探测领域的最新成果。TGW 光纤光栅感温火灾报警系统以其先进性、实用性、可靠性、长期稳定性得到一致好评。近年来已在国内石化、交通、冶金、电力、水利等领域，以及大型厂矿和大型工程中得到广泛地应用，是国内目前光纤火灾探测系统应用最多的产品，对以前使用的其它技术具有明显的技术优势和替代性。最近几年由于国家在石油石化领域加大了安全生产投入，在油罐设计中制定了《石油化工企业设计防火规范》GB50160-1992 (1999年版) 的强制规范，公司借此契机在武汉石化、洛阳石化、中原油田、镇海炼化、茂名石化、大港油田、上海石化、中石化管道储运公司宁波大榭岛油库和黄岛油库、安庆石化、长岭石化、舟山册子岛油库、湛江3座12.5万方大型原油罐、仪征2座15万方超大型原油罐等大型企业和重点项目上得到的应用，已充分展现了其技术和性能优势。镇海国家石油储备项目（52座10万立方大型原油罐）也已采用本公司生产的光纤光栅感温火灾探测系统，一期工程已经投入正常运行，二、三期36座油罐在今年8月份全部投入运行，公司并已中标大连、黄岛、舟山其它三大国家战略石油储备基地项目。截止目前，在国家投资建设的四大国家石油战略储备油库中全部中标，充分展现了其技术和使用性能的优势。在国家有关大型储油罐设计规范中，也拟将光纤光栅火灾探测

报警系统列入优先采用技术。交通领域：已成功应用于目前世界第二长，国内最长的陕西秦岭终南山公路隧道，沪蓉西高速公路宜昌至重庆段共100多公里（含试验段）的多个隧道火灾报警系统中。另外在陕西的西汉高速、铜黄高速、湖北十曼高速、云南罗富高速、安徽铜汤高速以及武汉阅马场城市隧道、厦门路桥城市隧道等项目中得到广泛的应用，并与后期在建的中国第一条跨江隧道武汉跨江隧道、上海过江隧道、江西武吉高速等项目已展开广泛的合作。电力领域，在重庆某高压电缆安全监测等项目中得到成功的应用。

TGW 系统采用的所有设备的设计、制造、检查、试验及施工都遵守最新版IEC 标准和中国国家标准（GB ）等，主要标准如下：

● 《石油库设计规范》 GB50074-2002

● 《石油化工企业设计防火规范》 GB50160-1992 (1999年版) ● 《石油化工企业生产装置电信设计规范》 SHJ28-90

● 《火灾自动报警系统设计规范》 GB50116-98

● 《火灾自动报警系统施工及验收规范》 GB50100-92

● 《国家原油储备库设计规定》

● 《工业自动化仪表施工及验收规范》 GBJ93-86

● 《石油化工仪表施工技术规程》 SH3521-1999

● 《自动化仪表安装工程质量检验评定表》 GB131-90

五、 工程内容

（一）TGW 光纤光栅感温火灾报警系统组成

TGW 光纤光栅感温火灾探测系统主要由光纤光栅感温火灾探测器、信号处理器、连接光缆、传输光缆、仪表柜等部分组成，其主要作用分述如下：

1．光纤光栅感温火灾探测器

TGW 系统采用光纤光栅作为温度敏感元件，光纤光栅感温探测器由连接光缆和探头组成，其中探头部分由不锈钢连接管、导热感温管、

光纤光栅等部分组成，如图4所示。外界温度发生变化时，会导致光纤光栅的栅距发生变化，所以其反射回去的波长也相应产生偏移，这个偏移量被信号处理器获得，计算出温度的变化量。

1、连接光缆 2、不锈钢连接管 3、光纤光栅 4、导热感温管

图4(a) 探测器结构示意图

图4（b ）封装后的探测器

系统中光纤光栅探测器的探头分为检测探头、校准探头和自检探头：

1） 检测探头

其主要作用是检测现场环境温度，实时传递火灾报警信息给信号处理器。检测探头之间相互串接，形成线型结构。每套探测器按波长不同分为不同的监测分区，如图5所示。每个监测区域按一定的间隔布置全同光栅探头，这样，任一探

测器附近的温度发生变化，都会被信号处理器获得，并通过波长的不同确定温度变化发生的分区位置。

入射光

图5 检测探头连接示意图

检测探头的主要作用为：

① 探测油罐现场环境温度，实时传递温度信息给信号处理器；

② 探测探头布设在罐内浮盘上，位于二次密封档板附近。

2）校准探头

若是内浮顶油罐，由于内浮顶油罐的特殊性，系统投入使用后检测探头无法在线标定，因此在罐顶增设标准校准探头，进行系统标定，保证系统工作的准确性。

3） 自检探头

为提高安全可靠性，在每套探测器尾端增设自检探头，其主要作用是随时检测现场所有检测探头是否正常工作，有效防止断纤、系统出现误报警等现象，从而实现系统故障自诊断，保证设备可靠运行。自检探头串接于检测光缆的尾端。

2．光纤光栅信号处理器

光纤光栅信号处理器设计为盘装式，其主要作用为：（1）为现场检测光栅提供光源；（2）检测光栅返回的光信号进行调制解调；（3）实时显示罐顶被测现场温度值；（4）进行声光报警；（5）输出温度报警信号；（6）输出系统自诊断故障信号。

信号处理仪器内部有调制解调器、信号转换处理电路、报警参数设置模块、报警显示模块。

信号处理器为光纤光栅感温探测器提供稳定的宽带光源，同时对检测光栅返回的光信号进行解调。信号通过转换处理电路进行解调，处理成最终的实测温度值，温度值由信号处理器通过RS232/RS485通讯端口输出给上位机，并在上位机上显示。

信号处理器自身可进行声光报警，还可通过RS232/RS485端口和火灾报警

控制器连接，可实现分区温度显示、分区报警和故障报警。

3．单模跳线

用于连接现场光纤探测器和传输光缆，连接传输光缆和信号处理器。

4．光纤连接法兰

用于连接单模跳线。

5．固定卡

将光纤光栅探测器及连接光缆沿油罐圆周固定在罐内浮盘上。

6．传输光缆

传输光缆将控制室内信号处理器和油罐上光纤光栅探测器连接在一起，用来传输光信号。光缆采用标准G652型铠装光缆，与KSP －7N 型保护套的结合使用，使TGW 系统光缆线路的安装施工能够经受恶劣环境。

7．光纤接续盒

光缆接线盒用来保护光纤接头的熔合点和光纤连接法兰。光路上的这些连接点是比较脆弱的部分，一定要用合适的接线盒来保护，使之能在恶劣环境下正常工作。

8．光纤终端盒

用于控制室内，将传输光缆与信号处理器之间的光纤接点进行连接、保护。

9．仪表柜

为信号处理器提供安装位置。

10．直流不间断电源

为信号处理器（调制解调器）提供工作电源。

11．计算机监控系统

实时显示被检测油罐温度情况，具有数据记录、存储等功能。

（二）工程内容

光纤光栅感温火灾探测系统是集计算机、光纤通讯、光纤传输、光电控制等高新技术于一体的系统工程，旨在为业主提供一套本质安全、无电检测、实时在线的自动火灾监控系统，以确保大型储油罐安全储运。

本项目为中石油油库6台10万m3浮顶罐共安装6套油罐光纤光栅感温火灾探测系统以及火灾控制系统。

光纤光栅感温火灾探测系统具有实时显示检测点最高温度、温度超高两级报警、差温报警、分区域报警、标准信号输出和运行自检等功能，自检等功能可实时监测自身运行情况并输出故障报警声光信号。信号处理器输出的信号，与中控室计算机系统形成数据网络，显示现场油罐检测点最高温度，并实现声光报警。 1．所需组件数量汇总：

2. 主要生产工艺简介

光纤光栅感温火灾探测系统的制造对于技术、设备、工艺控制都有十分严格的要求。我公司作为国内最大的光纤传感器研发和制造基地，拥有设施先进的生产车间、检测室，拥有一批具有国内、外先进水平的研发仪器、制造设备和检测设备。如：进口准分子激光器、熔融拉锥机、离子自组装镀膜机、涂覆机、 全自动光纤熔接机、研磨抛光机电动传动平台、光谱仪、波长选择器测试仪、拉伸实验仪、光时域反射仪等。 产品的一般制造工艺简述如下：

图2-8-1：探测器在浮顶上安装示意图

图2-8-2：探测器在油罐二次密封上安装示意图

主要产品性能指标

1．

光纤光栅感温火灾探测器主要性能指标

探测器现场检测探头能够全天候正常工作。

使用温度： －40℃～+120℃ 光缆材料熔断温度： >500℃ 报警方式： 差定温复合式 光缆传输距离： ≤20km 相对湿度： ≤95% 最小弯曲半径： 300mm 。

2． 信号处理器主要性能指标

工作电源： 24VDC 环境温度： 0℃～40℃ 环境湿度： ≤93% 工作电流：

输出信号：高温预警开关信号（24VDC/3A）

火灾报警开关信号（24VDC/3A） 故障报警开关信号（24VDC/3A） 4-20mA 温度模拟信号 RS485/232通讯接口