光纖傳感器“護(hù)駕”能源安全

“你可別小看這根不起眼的光導(dǎo)纖維，我們利用它研發(fā)的傳感器不但填補(bǔ)了國內(nèi)光纖傳感技術(shù)在礦山安全監(jiān)測應(yīng)用方面的空白，而且已在國內(nèi)礦山、油田、電力等領(lǐng)域的100多個(gè)大項(xiàng)目中率先進(jìn)行了示范性應(yīng)用，開創(chuàng)了國內(nèi)外大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的先河，5年內(nèi)的市場規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)1100余億元。”經(jīng)濟(jì)導(dǎo)報(bào)記者在山東省科學(xué)院激光研究所進(jìn)行采訪時(shí)，該所副所長王昌博士指著展覽室中琳瑯滿目的各種光纖傳感器說。

提起礦山安全，許多人首先會(huì)想起我國經(jīng)常發(fā)生的煤礦瓦斯和透水事故。通常情況下，一般是采用電子傳感器對(duì)各種危險(xiǎn)因素進(jìn)行監(jiān)測。但這種傳統(tǒng)方式由于是帶電運(yùn)行，存在較大的安全隱患，在惡劣環(huán)境中的使用壽命也是一大“短板”。因此，如何建立一種安全高效、智能化的監(jiān)測系統(tǒng)，成為擺在相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)面前的急迫課題 。全光纖綜合監(jiān)測系統(tǒng)的成功研發(fā)和推廣，無疑使這一難題應(yīng)刃而解。

光纖傳感PK電子傳感

“與采用電纜的傳統(tǒng)電子傳感器相比，光纖傳感器使用光導(dǎo)纖維作為傳感器件或信號(hào)傳輸媒介，可以解決傳統(tǒng)傳感器無法解決的許多測量與傳輸問題，具有無可替代的重要作用。”在實(shí)驗(yàn)室中，王昌拿出一段透明的玻璃導(dǎo)線介紹說，光導(dǎo)纖維（光纖）是一種透明的玻璃纖維絲，直徑只有125微米左右。它由內(nèi)芯和外套兩層組成，內(nèi)芯的折射率大于外套的折射率，光由一端進(jìn)入，在內(nèi)芯和外套的界面上經(jīng)多次全反射，從另一端射出。因?yàn)楣饫w的基本成分是石英，只傳光，不導(dǎo)電，不受電磁場的作用，故光纖傳感安全可靠，對(duì)電磁干擾、工業(yè)干擾也有很強(qiáng)的抵御能力。

同時(shí)，光纖傳感器還具有重量輕、體積小、絕緣、耐高溫、耐腐蝕等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，很適合在易燃易爆、高溫、高壓、潮濕、強(qiáng)電磁場、強(qiáng)腐蝕性等極端惡劣條件下應(yīng)用，能夠?qū)怏w、溫度、應(yīng)變、壓力等各種參數(shù)進(jìn)行精確測量。此外，由于光纖傳輸損耗低、頻帶寬，光纖傳感器比傳統(tǒng)的傳感器在組網(wǎng)和傳輸距離方面更具優(yōu)勢，特別是通過波分復(fù)用技術(shù)可以在一根光纖上串聯(lián)多個(gè)相同或不同類型的傳感器，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、多參數(shù)監(jiān)測。

由于光纖傳感器具有上述諸多優(yōu)勢，近年來國際上開始探索利用其對(duì)礦山和油田進(jìn)行安全監(jiān)測和災(zāi)害預(yù)警的可行性，但一直沒有形成一個(gè)完整的應(yīng)用體系。鑒于此，山東省科學(xué)院激光研究所利用多年來從事煤礦、非煤礦山、尾礦庫、油井、電力安全監(jiān)測技術(shù)和光纖工程技術(shù)研究所取得的成果，針對(duì)能源領(lǐng)域智能監(jiān)測預(yù)警需求，研究開發(fā)了基于光纖傳感器的在線智能有害氣體、應(yīng)變、溫度、水壓和礦震等多參數(shù)礦山災(zāi)害、智能油井、電力系統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)，建立了國內(nèi)首個(gè)全光纖煤礦瓦斯、頂板、微震、水位、機(jī)電安全綜合監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。

不僅如此，該所還在非煤礦山領(lǐng)域，研制出了金屬礦山采空區(qū)頂板位移、微震、水害、尾礦庫壩綜合監(jiān)測系統(tǒng)；在石油領(lǐng)域，開發(fā)了油井極端環(huán)境下的溫度、壓力在線監(jiān)測系統(tǒng)；在電力領(lǐng)域，開發(fā)了變壓器油溫、高壓電纜、開關(guān)柜溫度等參數(shù)的在線綜合監(jiān)測系統(tǒng)。

經(jīng)國家權(quán)威部門鑒定，這些成果均達(dá)到了國際領(lǐng)先水平，其中，有10項(xiàng)獲得國家發(fā)明專利，2項(xiàng)列入國家“863”計(jì)劃，在國際上也產(chǎn)生了較大影響。

產(chǎn)業(yè)化前景可期

據(jù)介紹，上述研發(fā)成果目前已在兗礦、淄礦、新礦、棗礦、中煤、北京首云鐵礦、萊蕪鐵礦等100余座煤礦和金屬礦山成功地進(jìn)行了示范性應(yīng)用，開創(chuàng)了國內(nèi)外光纖傳感網(wǎng)絡(luò)在礦山安全綜合監(jiān)測預(yù)警應(yīng)用的研究及大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化先河；在國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)及主要發(fā)電集團(tuán)、勝利油田、中海油、遼河油田等大型企業(yè)，也成功地開展了40余個(gè)光纖傳感器智能系統(tǒng)工程示范。

“在能源領(lǐng)域及其他領(lǐng)域，全光纖綜合監(jiān)測系統(tǒng)的市場前景非常廣闊，一旦全面產(chǎn)業(yè)化將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益 。”王昌說，我國有1萬多座煤礦、近10萬座非煤礦山，以平均每座礦山投入100萬元建設(shè)光纖安全監(jiān)測、災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)估算，5年內(nèi)如果有10%的礦山使用該系統(tǒng)，潛在市場規(guī)模將達(dá)100余億元。目前，國內(nèi)高產(chǎn)油井對(duì)智能油井技術(shù)需求迫切，建設(shè)一套智能油井監(jiān)測系統(tǒng)，預(yù)計(jì)油田要投入約80 萬元，5 年內(nèi)預(yù)計(jì)將有2000口油、氣井安裝光纖智能油井系統(tǒng)，市場規(guī)模達(dá)16億元。

另據(jù)了解，我國擁有20多萬個(gè)變電站和發(fā)電廠、數(shù)十萬公里的高壓輸電線路，目前變電站和發(fā)電廠的線纜、開關(guān)柜等電力設(shè)備的安全監(jiān)測主要采用紅外線手持測溫儀或紅外熱成像儀。王昌預(yù)測，如果以每個(gè)變電站和發(fā)電廠光纖安全監(jiān)測設(shè)備投資100萬元計(jì)，5年內(nèi)按照裝備10萬個(gè)電廠、變電站計(jì)算，電力安全市場將達(dá)1000余億元。除此以外，全光纖綜合監(jiān)測系統(tǒng)在國防、鐵路、化工、環(huán)境監(jiān)測等許多領(lǐng)域也有廣闊的市場前景。