光栅阵列温度传感系统在大型原油储罐火灾监测系统中的应用
郭为纳 邢富宁 陈博 刘晓艳 魏建新 中国石油独山子石化分公司新棚 克拉玛833699

 摘要:目前大型外净顶及油储罐在石油库中广泛使用，结合生产情况，并在“低概率、高风险”特一旦发生大灾事故后果是不可承受的、无纤温度传感技术能够对原油储罐并展实时在线温度监测。建立准确的火灾自动监测报警系统、有效预防和管控火突风险，基于此，将光纤光栅测温技术与其他儿种类型的感温火灾深测技术进行比较，论述新一代光相挥判温度传感系统相对于传统光纤龙错测温系镜的技术优势、对提升石油库原油储罐安全可靠运行具有重要的实践指导意义。
 关键词:光栅排列 温度传感 火灾监测
Application of Grating Array Temperature Sensing System in Oil Tank Fire MonitoringGuo Weigang,Xing Funing,Chen Bo,Llu Xiaoyan,Wei JianxinPetrochina Duchanzi Petrochemical Comparry,Karamay833699Abstract: At present, large exteral floating top crude oil storage tank is widely used in oil storage.Combinedwith the production situation,it has the characteristics of “low probability and high risk”， and the consequencesof fire accident are unbearable. Optical fiber temperature sensing technology can carry out real-time onlinc temperaturemotitoring of crude oil storage tank.establish accurate automatic fire monitoring and alarm system, and effectivelyprevent and control fire risk. This paper compares the temperature measurement technology of fiber Brags grating withother types of temperature sensing fire detection technology, discusses the technical advantages of the new generationof temperature sensing systemoffiberBragggrating array compared with the traditional temperature measurementsystem, and has important practical guiding significance for improving the safe and reliable operation of crude oilstorsee tank in petroleum reservoir.
 Keywords:Grating array:Temperature sensing:Fire monitoring
 大型原油储罐组成的石油库是危险化学品储存企业，属于一级重大危险源,防止原油储罐发生火灾事件，是安全管理首要任务。因此，对储短实时在线温度监测，及时地掌握大型原油储罐各个区域的温度状态，是保障大型原油储罐消防安全的重要措施。通过实时监测大型原油储罐各个区域的异常升温情况，实现早期发现火灾、及时有效控制或扑灭火灾目的，将损失降到最低。
 光纤温度传感技术以光纤作为信号传输和传感介质，在监测现场的传感部分不需要供电，不会引入额外的火灾风险，光纤材质本质安全，在大型原油储罐消防监测的应用中具有明显的技术优势。光纤光栅测温技术具有稳定性好、易于维护等优势，重点介绍了光栅阵列温度传感系统在油罐火灾监测中的应用方式。
 1技术比较
 1.1 光栅与其他测温技术比较感混电缆应用多年，产品成本较低，但一直未取得技术突破，存在明显缺陷。其报警主要存在的不足之处:现场检测部分是感温电缆需要供电，容易受到强电场和强磁场环境的干扰引发信号错乱产生误报警，并且不适合在油罐这类具有高消防风险的应用场景;报警温度无法设置，当环境温度达到报警点时，感温电缆会自动破坏。因此无法进行快速有效的验证性检测，并且需要重新安装感温电缆后才能继续进行温度监测，后期维护工作量大。

利用拉曼散射原理进行温度测量，由于受到拉曼测温原理本身的限制，系统测温的空间精度也受到限制，当温度异常的区域不到米级，则无法有效的对较小区域的温度异常进行及时探测，并且测温解调仪表的光学元件容易损耗，后期维护工作量也较大。
光纤光栅传感器通过辨析光波长来检测外界物理量变化，具有抗电磁干扰、耐腐蚀、测温精度高、寿命长、体积小、对被测介质影响小等技术优势.
1.2 光栅类测温技术比较

传统光栅技术工程现场熔接点较多，传输光缆用量较大，探测点间距(即空间分辨率)5.25m。陈列光糖感温光缆采用全同刻写技术，大幅度增加单根探测光缆光栅探测点数量，单根探测光缆长度可达到3000m，探测点间距(即空间分辨率)不超过1m，并且能够保证感温光缆中各个监测单元的测温性能更加具有一致性，感温光缆在安装布设的过程中，需要熔接的熔接点数量明显减少，前期施工和后期维护工作量明显减少通过以上技术的比较和分析，可以得出结论,光栅阵列温度传感系统，能够更好地在大型油罐火灾监测领域中发挥其技术优势，将成为大型油罐火灾监测的主流方向。
 2 系统应用

2.1 系统安装一般情况下，对罐区油罐实行集中监控方式,对每个油罐均采用单独监测通道实时在线温度检测，避免同一通道监测多个油罐造成的维护不方便问题。采用专用夹具将光纤光栅温度探测器敷设在浮盘二次密封上部区域，通过光纤把探测器串连起来，接入到控制室信号处理器，对现场采集到的信号解调，测量出现场实际温度，将信息传递到中心控制室。
     传输光缆用DN25镀锌管敷设至浮盘浮梯约12m处后下垂，穿过金属软管后留有足够伸缩余量，盘于罐内浮盘二次密封顶部。光纤光栅感温光缆安装于油罐浮顶边缘的二次密封金属支撑板上端，呈圆周形分布，采用固定卡机械固定，间距不大于0.5m。为保证测量温度准确性，尽量减少光缆与金属接触。在铺设光缆时，严禁猛力拉扯(拉力不大于15kg)，固定后的光缆处于松弛状态(垂度3-5cm)。光纤光栅感温光缆与传输光缆在浮顶上通过光纤连接法兰连接，使用固定在浮顶边缘泡沫挡板上光纤接续盒防护。多余的阵列光栅感温光缆盘好、扎牢，尾部固定在浮顶边缘泡沫挡板上。
 2.2 数据滤波

光栅阵列温度传感系统采集的原始温度数据，由于解调原理的影响，所采集到的各个探测单元的单点原始温度信号数据，存在一定的低频漂移现象,对应的单点测温数据，会存在一定范围内的抖动现象，因此为了提高光栅阵列温度传感系统的测温准确性，需要对采集的原始温度数据进行数据滤波，滤除原始温度数据的低频漂移，有利于对温度数据的进行下一步分析判断。光栅阵列温度传感系统采用卡尔曼滤波方式，对测温单元单点原始温度数据进行滤波，具有计算量小，实时性好，易于在边缘计算硬件中部署实现的优点。经过信号分析，在进行卡尔曼滤波前，原始信号的噪声抖动范围在±3.5℃，经过卡尔曼滤波后，滤波信号的噪声抖动范围降低到±1.0℃，并且温度长期的变化趋势和规律得到了有效的保留。光栅阵列温度传感系统采用卡尔滤波方式，能够有效保证系统的测温准确度.

2.3 自动阈值

由于大型原油储罐位于露天场地，油罐表而的温度变化，随着季节，天气、时间的变化差异较大。在冬季和夏季，油罐表面的基础温度就可存在接近40℃的差异，在同一季节的晴朗天气和雨雪天气，油罐表面的基础温度也可存在接近10℃的差异，而在同一天的不同时刻，中午12:00和午夜12:00，油罐表面的基础温度也会存在接近10℃的差异。因此，针对大型原油储罐的应用场景，通常采用的固定阈值方式是不合适的，需要根据油罐表面各个测温单元在一段时间内的温度记录序列，实时的对温度探测区域范围内的温度报警阈值进行定期自动更新，以保证光栅阵列温度传感系统的监测效果。
   光栅阵列温度传感系统的各个温度探测单元，数据采样率为1Hz，每间隔1min,各个温度探测单元统计一次前一段时间内的温度探测平均数值，将数据记录储存于系统中，并分析各个温度探测单元在前1h内的温度变化曲线，预测各个温度探测单元在下一时刻的基础温度，根据数值采集时刻的远近，为采集时刻较新的记录数值赋值较大的置信比重。在得到各个温度探测单元的下一时刻的预测基础温度后，增加数值T，作为这个温度探测单元当前的温度报警阈值，T的数值可在系统中根据实际进行人工调整。本文设计的自动阈值计算方式，具有良好的环境自适应性，能够让光栅阵列温度传感系统更好的适用于大型原油储罐测温应用场景。
2.4 异常识别

利用光栅阵列温度传感系统分布式探测的技术特点，在得到各个温度探测单元的单点温度探测序列的同时，根据各个温度探测单元实际的空间排布顺序，可以得到原油储罐探测区域在一段时间内，整个探测区域的温度探测数据矩阵，并绘制成整个探测区域的温度数据瀑布图，温度数据瀑布图的横轴为探测光缆的监测距离，纵轴为时间轴。根据温度数据瀑布图，对温度异常的判断依据，又增加了一个维度，即空间信息。通过分析温度数据瀑布图中的异常图块，可以更为精确的对温度异常区域进行识别判断和空间定位。利用各个温度探测单元当前的实时基础温度值，作为分割阈值，对温度数据瀑布图进行二值化，若二值化后的图像中存在前景区域，再利用图像分割算法，对各个前景区域进行提取。然后统计各个前景区域中，与基础温度值差异最大的探测点，作为这个温度异常区域的报警定位点。利用温度数据瀑布图异常检测的方法，能够及时准确的对监测区域内的异常升温进行判断和定位，其灵敏度和准确度,均能够良好地满足大型原油储罐的消防监测需求。
2.5实时监测

针对大型原油储罐的监测需求，开发光栅阵列温度传感系统软件平台，实现时间连续的储油罐温度监测，通过多种可视化方法对温度分布直观显示。系统可实现火灾报警和故障报警,对提高储油罐安全性效果显著。系统提供数据的采集和实时展示功能，通过接收数据采集和传输系统上传数据，实时计算并初步分析，对结果展示，通过图形化温度分布情况和监测点实时曲线等，在管理界面清晰直观地反馈监测数据，反映油罐温度分布实时状态。
实时监测模块是系统核心模块，操作人员通过本模块实时在线查看所有油罐温度分布情况和监测状态，包括显示的报警信息。打开“实时监测”界面，双击概览图上的油罐弹出“油罐详情”对话框，显示单个油罐详细温度分布图及温度曲线;油罐外面圆环图形为敷设光缆，光缆外圈显示分区详情，左上角图标为指南针，显示油罐方位;油罐中间显示当前最高温，右边为油罐所敷设光缆温度曲线，鼠标放置在曲线上可提示当前位置。油罐最高温和温度曲线实时刷新。当某个油罐因监测温度超过预警阈值产生预警时，状态由“正常”变为“预警”.
2.6 记录查询

若需要查询历史温度数据，点击“数据查询”即可弹出数据查询对话框。选择需要查询的油罐、起始时间和结束时间，结束时间不得大于当前时间。点击“查询”即可得到数据查询结果，如需绘制历史温度曲线，可选中待绘制的列表，点击绘制选中列，可显示当前选中位置的温度。每个油罐可存储的历史数据大小由电脑配置决定，可根据电脑配置对存储数据大小修改。默认设置为1G，超过1G自动覆盖。默认存储频率和查询频率为10s，操作人员可自行修改查询频率。若需要查看历史最高温、最低温和平均温度，可勾选显示最高温、显示最低温、显示平均温。

   
3结束语

光栅阵列温度传感技术在具备了光纤光栅类温度传感技术长期稳定性好、测温精度高的技术优势的同时，更兼具监测距离长、空间分辨率高、安装维护工作量小等显著优势。结合人工智能的数据滤波和监测识别方式，更能有效提高光栅阵列温度传感系统的监测有效性和稳定性，能够明显提升原油罐区储罐的安全与运行管理水平.

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 作者简介

郭为纲(1972-),男,高级工程师,大学本科,主

要研究方向:石油炼制。