基于分布式光纖的煤倉火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的研究

引言

隨著國內(nèi)電力行業(yè)的迅速發(fā)展，各火力發(fā)電廠的發(fā)電機 組容量正朝著高參數(shù)、大機組方向發(fā)展。為了保證發(fā)電機組對 燃煤的正常需求，電廠必須采用容量較大的裝置來安全儲存 燃煤。而煤倉因其具有較大的貯煤容量、可減輕煤炭對周邊 空氣和水源的污染等優(yōu)勢而被各火電廠廣泛應(yīng)用，然而，這種 煤倉因其采用封閉式存儲而增加了煤炭自燃的可能性，這給電 廠的正常運行帶來了巨大威脅。

現(xiàn)有的煤倉火災(zāi)監(jiān)測技術(shù)主要采用熱電阻溫度傳感器測 溫，此種方法屬于點式測溫，存在測溫盲區(qū)，只能監(jiān)測到煤 堆表面溫度，這樣無疑會導(dǎo)致監(jiān)測的不準(zhǔn)確。

本文所提出的系統(tǒng)就是采用分布式光纖測溫技術(shù)來實現(xiàn) 對煤倉溫度的實時連續(xù)監(jiān)測，系統(tǒng)具有較強抗干擾能力，可 精確定位煤倉中熱點的位置，從而有效彌補了已有的煤倉火災(zāi) 監(jiān)測技術(shù)在具體工程實踐中的不足之處。

1分布式光纖測溫的基本原理

本文提出的煤倉火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)主要依據(jù)光時域反射原理 和光纖拉曼散射的溫度效應(yīng)，前者是實現(xiàn)熱點定位的基礎(chǔ), 后者是實現(xiàn)溫度測定的基礎(chǔ)，具體實現(xiàn)過程如下：

當(dāng)高強度激光脈沖在光纖中傳輸時，一部分光會發(fā)生透 射和被介質(zhì)吸收，另一部分光會因光纖介質(zhì)的不均勻性發(fā)生 瑞利散射、布里淵散射以及具有新頻率的拉曼散射。利用光 時域反射技術(shù)分析沿傳輸光纖相反方向散射的背向散射光信 號，可獲得沿光纖長度方向上的各散射點的位置信息；拉曼 散射光中的反斯托克斯光與周圍溫度存在某種特定的關(guān)系（反 斯托克斯光的強度隨著光纖周圍溫度的增加而加強）。當(dāng)激光 脈沖在光纖中發(fā)生散射時，因散射點處的溫度對散射光譜中的反斯托克斯光的光強進行了調(diào)制，使反斯托克斯光的強度 與散射點的溫度信息具有某種匹配對應(yīng)關(guān)系，通過波分復(fù)用 器可以從背向散射光譜中分離出需要的斯托克光和反斯托克 斯光，將分離出的兩束光分別照射在光電轉(zhuǎn)換元件上，產(chǎn)生與 其強度對應(yīng)的電信號，通過對所得的電信號進行處理和對比 來獲取溫度沿光纖在煤堆內(nèi)外空間的分布曲線。

2系統(tǒng)設(shè)計

2.1硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文提出的煤倉火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)由高強度激光發(fā)射端、分 光模塊、光電檢測模塊、放大電路、檢測單元、數(shù)據(jù)采集與 處理單元、顯示單元以及報警單元組成，此系統(tǒng)適用于各大 小煤倉的火災(zāi)監(jiān)測，圖1所示是煤倉火災(zāi)智能監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

2.2系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)中的高強度激光發(fā)射端選用分布反饋式半導(dǎo)體激 光器（DFB-LD）,這種激光器在單色性和穩(wěn)定性方面都優(yōu)于 一般的F-P腔激光器，且適合長距離測量時使用。此外，在 此環(huán)節(jié)，將配套使用激光驅(qū)動器MAX3996,這種驅(qū)動器具 有傳輸速率高、性能安全穩(wěn)定和輸出平均功率恒定等優(yōu)點, MAX3996安裝在激光器的前端，可將電壓信號轉(zhuǎn)為電流信號, 從而達到調(diào)制激光器的目的；

分光模塊：即波分復(fù)用器，采用熔融拉錐型復(fù)用器，相對于濾波片型波分復(fù)用器，熔融拉錐型復(fù)用器具有插科損耗 低、與光纖易耦合和單通道成本較低等優(yōu)點，可將向后散射 拉曼散射分離成Stokes散射光和Anti-Stokes散射光；

光電檢測模塊：接收漫反射激光信號的光學(xué)器件需要有 比較高的頻響和靈敏度，所以此系統(tǒng)采用對光信號探測能力 很強的APD（雪崩二極管）作為轉(zhuǎn)換器件，它利用了載流子 的雪崩倍增效應(yīng)來放大光電信號以達到較高的檢測靈敏度；

放大電路：通過光電檢測模塊，光信號對應(yīng)轉(zhuǎn)換的光電 壓信號是比較微弱的，這時采用具有良好增益、良好帶寬和 較高噪聲濾除能力的對數(shù)放大電路對輸入的信號進行放大；

檢測單元:選用衰減率較低、抗拉和抗壓強度較高的鎧 裝單芯感溫光纜進行檢測，包括分布式光纖和光纖保護裝置 等。光纖保護裝置由內(nèi)外層構(gòu)成，其外層是聚乙烯材質(zhì)外護 套，其內(nèi)層由不銹鋼紡織網(wǎng)、凱夫拉和不銹螺旋管構(gòu)成（可抵 抗3000N以上的壓扁力）；

數(shù)據(jù)采集與處理模塊：所設(shè)計的模塊要求對數(shù)字信號處 理運算速度快、精度高。這里采用DSP進行數(shù)據(jù)讀取與處理, DSP芯片選用TMS320C6472芯片，采用14位模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn) 換器ADS4149將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并設(shè)置外接FIFO存 儲器來提高系統(tǒng)性能；

顯示單元：主要是PC機，主要功能包括系統(tǒng)報警管理、 實時顯示溫度數(shù)據(jù)曲線以及控制高強度激光發(fā)射端；

報警單元:采用工作聲音較大的警鈴，其警示效果較好, 成本低，便于安裝。

2.3軟件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)監(jiān)測端包括具有監(jiān)控功能的PC機系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù) 器、交換器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。其中，PC機系統(tǒng)件利用VB 6.0 進行開發(fā)，可在系統(tǒng)的主界面上，實時顯示溫度、時間、位 置和某點火災(zāi)發(fā)生的概率等參數(shù)，并可以做出實時預(yù)警判斷。 此外，通過界面上的查詢按鈕可以選擇性地獲取某段時間內(nèi) 監(jiān)測數(shù)據(jù)，并可通過Excel表導(dǎo)出。數(shù)據(jù)庫采用Access 2003 進行設(shè)計，以保證數(shù)據(jù)的存儲完整和工作人員查詢請求的響應(yīng) 正確。

進行DSP控制程序設(shè)計時，根據(jù)各模塊的運算量的不同， 分別選用C語言和匯編語言，從而使所編譯的程序可讀、可 移植，并且系統(tǒng)的實時運算效率也會大大增加，控制程序流 程如圖2所示。

系統(tǒng)具體工作情況：系統(tǒng)程序首先對DSP芯片進行初始 化并充電，設(shè)置好信號采集的頻率、偏壓以及確定好溫度檢 測度段后，進行光信號采集，將采集到的光信號進行濾波處 理、信號放大處理，然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號變?yōu)閿?shù) 字信號，再存儲于外接FIFO存儲器當(dāng)中，DSP通過讀取數(shù) 字信號并且對其進行處理，最后將處理結(jié)果傳到PC機系統(tǒng), 通過監(jiān)控系統(tǒng)判斷是否達到溫度報警值，如果達到報警值則 發(fā)送報警信息。整個系統(tǒng)軟件應(yīng)答程序設(shè)計流程圖如圖3所示。

圖2 DSP控制程序設(shè)計流程圖

3具體應(yīng)用

針對本文提出的煤倉火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，進行了如下試驗：

試驗中，煤倉高度25 m，圓筒直徑5 m。距煤倉軸心 線1.25 m處分別預(yù)先豎直插入4根鎧裝單芯感溫光纜，讓其 貫穿整個煤堆（其他場所的煤倉在布置感溫光纖時，可根據(jù) 煤倉的直徑和光纖的感溫范圍合理選擇插入的分布式光纖的 數(shù)目）。試驗時間為四月二日的早晨7時~下午5時。上位機 顯示出這10個小時內(nèi)的煤堆內(nèi)部溫度隨煤堆位置的波動曲線， 選取其中一根光纖傳感器在上午9時的監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖4所示。 鼠標(biāo)點擊曲線上的一個端點，獲取該點的溫度隨時間的變化 曲線如圖5所示。

根據(jù)上述監(jiān)測結(jié)果，在所選取的某一時刻，煤倉中煤堆 內(nèi)部的溫度存在波動，從圖5中明顯可以看出，煤堆最高溫 度區(qū)域位于向陽面，這種結(jié)果與現(xiàn)有資料文獻所述基本相符, 通過該智能火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的連續(xù)監(jiān)測，可清楚地知道煤堆內(nèi) 部某點在不同時刻的溫度變化情況，然后根據(jù)溫度的變化趨 勢，就可人為預(yù)先判斷火災(zāi)發(fā)生的概率，再通過監(jiān)測系統(tǒng)的 智能判斷，當(dāng)煤堆內(nèi)部某點溫度變化滿足自燃條件時的溫度 變化時，發(fā)出報警，提醒工作人員采取必要措施來避免煤堆 火災(zāi)現(xiàn)象的發(fā)生，從而有效保證企業(yè)的安全生產(chǎn)。

4應(yīng)用前景

本系統(tǒng)可運用到煤礦井下煤倉和井上煤倉以及電廠的筒 倉等區(qū)域的煤炭自燃監(jiān)測，可實時連續(xù)監(jiān)測煤堆內(nèi)部與煤堆 表面沿分布式光纖的各空間的溫度變化情況，系統(tǒng)具有抗干 擾能力強，絕緣可靠，安裝方便，維修簡單，使用壽命較長, 本質(zhì)安全等優(yōu)勢，這將大大提高煤倉火災(zāi)監(jiān)測的準(zhǔn)確性，具 有廣泛的應(yīng)用前景。

5結(jié)語

目前監(jiān)測煤倉內(nèi)部火災(zāi)情況的Pt100熱電阻傳感器只能采 集到煤堆表面的溫度信號，而對煤堆里的溫度不能有效測定， 這樣就達不到很好的煤炭自燃監(jiān)測效果，而本文所提出的基 于分布式光纖測溫技術(shù)的煤倉火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)就可以同時實時 連續(xù)監(jiān)測煤堆表面與煤堆內(nèi)部的溫度變化情況，系統(tǒng)巧用光 纖既作為信號的傳輸介質(zhì)，又作為溫度的感知媒質(zhì)，可靠的 火災(zāi)監(jiān)測性能，眾多的運行優(yōu)勢，注定可為煤礦工業(yè)以及電廠 煤炭存儲系統(tǒng)的監(jiān)管提供強有力的安全保障。

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