基于分布式光纖的煤倉(cāng)火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

引言

隨著國(guó)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(jī) 組容量正朝著高參數(shù)、大機(jī)組方向發(fā)展。為了保證發(fā)電機(jī)組對(duì) 燃煤的正常需求，電廠必須采用容量較大的裝置來(lái)安全儲(chǔ)存 燃煤。而煤倉(cāng)因其具有較大的貯煤容量、可減輕煤炭對(duì)周邊 空氣和水源的污染等優(yōu)勢(shì)而被各火電廠廣泛應(yīng)用，然而，這種 煤倉(cāng)因其采用封閉式存儲(chǔ)而增加了煤炭自燃的可能性，這給電 廠的正常運(yùn)行帶來(lái)了巨大威脅。

現(xiàn)有的煤倉(cāng)火災(zāi)監(jiān)測(cè)技術(shù)主要采用熱電阻溫度傳感器測(cè) 溫，此種方法屬于點(diǎn)式測(cè)溫，存在測(cè)溫盲區(qū)，只能監(jiān)測(cè)到煤 堆表面溫度，這樣無(wú)疑會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)的不準(zhǔn)確。

本文所提出的系統(tǒng)就是采用分布式光纖測(cè)溫技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn) 對(duì)煤倉(cāng)溫度的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)具有較強(qiáng)抗干擾能力，可 精確定位煤倉(cāng)中熱點(diǎn)的位置，從而有效彌補(bǔ)了已有的煤倉(cāng)火災(zāi) 監(jiān)測(cè)技術(shù)在具體工程實(shí)踐中的不足之處。

1分布式光纖測(cè)溫的基本原理

本文提出的煤倉(cāng)火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要依據(jù)光時(shí)域反射原理 和光纖拉曼散射的溫度效應(yīng)，前者是實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)定位的基礎(chǔ), 后者是實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)定的基礎(chǔ)，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

當(dāng)高強(qiáng)度激光脈沖在光纖中傳輸時(shí)，一部分光會(huì)發(fā)生透 射和被介質(zhì)吸收，另一部分光會(huì)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(shí)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(hào)，可獲得沿光纖長(zhǎng)度方向上的各散射點(diǎn)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(qiáng)度隨著光纖周圍溫度的增加而加強(qiáng)）。當(dāng)激光 脈沖在光纖中發(fā)生散射時(shí)，因散射點(diǎn)處的溫度對(duì)散射光譜中的反斯托克斯光的光強(qiáng)進(jìn)行了調(diào)制，使反斯托克斯光的強(qiáng)度 與散射點(diǎn)的溫度信息具有某種匹配對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)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(qiáng)度對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，通過(guò)對(duì)所得的電信號(hào)進(jìn)行處理和對(duì)比 來(lái)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(jì)

2.1硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

2.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中的高強(qiáng)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(zhǎng)距離測(cè)量時(shí)使用。此外，在 此環(huán)節(jié)，將配套使用激光驅(qū)動(dòng)器MAX3996,這種驅(qū)動(dòng)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(diǎn), MAX3996安裝在激光器的前端，可將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)為電流信號(hào), 從而達(dá)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(duì)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(diǎn)，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(cè)模塊：接收漫反射激光信號(hào)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(duì)光信號(hào)探測(cè)能力 很強(qiáng)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(lái)放大光電信號(hào)以達(dá)到較高的檢測(cè)靈敏度；

放大電路：通過(guò)光電檢測(cè)模塊，光信號(hào)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換的光電 壓信號(hào)是比較微弱的，這時(shí)采用具有良好增益、良好帶寬和 較高噪聲濾除能力的對(duì)數(shù)放大電路對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行放大；

檢測(cè)單元:選用衰減率較低、抗拉和抗壓強(qiáng)度較高的鎧 裝單芯感溫光纜進(jìn)行檢測(cè)，包括分布式光纖和光纖保護(hù)裝置 等。光纖保護(hù)裝置由內(nèi)外層構(gòu)成，其外層是聚乙烯材質(zhì)外護(hù) 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(jì)的模塊要求對(duì)數(shù)字信號(hào)處 理運(yùn)算速度快、精度高。這里采用DSP進(jìn)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(chǔ)器來(lái)提高系統(tǒng)性能；

顯示單元：主要是PC機(jī)，主要功能包括系統(tǒng)報(bào)警管理、 實(shí)時(shí)顯示溫度數(shù)據(jù)曲線以及控制高強(qiáng)度激光發(fā)射端；

報(bào)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(jì)

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)端包括具有監(jiān)控功能的PC機(jī)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù) 器、交換器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。其中，PC機(jī)系統(tǒng)件利用VB 6.0 進(jìn)行開發(fā)，可在系統(tǒng)的主界面上，實(shí)時(shí)顯示溫度、時(shí)間、位 置和某點(diǎn)火災(zāi)發(fā)生的概率等參數(shù)，并可以做出實(shí)時(shí)預(yù)警判斷。 此外，通過(guò)界面上的查詢按鈕可以選擇性地獲取某段時(shí)間內(nèi) 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并可通過(guò)Excel表導(dǎo)出。數(shù)據(jù)庫(kù)采用Access 2003 進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)完整和工作人員查詢請(qǐng)求的響應(yīng) 正確。

進(jìn)行DSP控制程序設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)各模塊的運(yùn)算量的不同， 分別選用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言，從而使所編譯的程序可讀、可 移植，并且系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)算效率也會(huì)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(duì)DSP芯片進(jìn)行初始 化并充電，設(shè)置好信號(hào)采集的頻率、偏壓以及確定好溫度檢 測(cè)度段后，進(jìn)行光信號(hào)采集，將采集到的光信號(hào)進(jìn)行濾波處 理、信號(hào)放大處理，然后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù) 字信號(hào)，再存儲(chǔ)于外接FIFO存儲(chǔ)器當(dāng)中，DSP通過(guò)讀取數(shù) 字信號(hào)并且對(duì)其進(jìn)行處理，最后將處理結(jié)果傳到PC機(jī)系統(tǒng), 通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)判斷是否達(dá)到溫度報(bào)警值，如果達(dá)到報(bào)警值則 發(fā)送報(bào)警信息。整個(gè)系統(tǒng)軟件應(yīng)答程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

圖2 DSP控制程序設(shè)計(jì)流程圖

3具體應(yīng)用

針對(duì)本文提出的煤倉(cāng)火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行了如下試驗(yàn)：

試驗(yàn)中，煤倉(cāng)高度25 m，圓筒直徑5 m。距煤倉(cāng)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(gè)煤堆（其他場(chǎng)所的煤倉(cāng)在布置感溫光纖時(shí)，可根據(jù) 煤倉(cāng)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(yàn)時(shí)間為四月二日的早晨7時(shí)~下午5時(shí)。上位機(jī) 顯示出這10個(gè)小時(shí)內(nèi)的煤堆內(nèi)部溫度隨煤堆位置的波動(dòng)曲線， 選取其中一根光纖傳感器在上午9時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖4所示。 鼠標(biāo)點(diǎn)擊曲線上的一個(gè)端點(diǎn)，獲取該點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化 曲線如圖5所示。

根據(jù)上述監(jiān)測(cè)結(jié)果，在所選取的某一時(shí)刻，煤倉(cāng)中煤堆 內(nèi)部的溫度存在波動(dòng)，從圖5中明顯可以看出，煤堆最高溫 度區(qū)域位于向陽(yáng)面，這種結(jié)果與現(xiàn)有資料文獻(xiàn)所述基本相符, 通過(guò)該智能火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的連續(xù)監(jiān)測(cè)，可清楚地知道煤堆內(nèi) 部某點(diǎn)在不同時(shí)刻的溫度變化情況，然后根據(jù)溫度的變化趨 勢(shì)，就可人為預(yù)先判斷火災(zāi)發(fā)生的概率，再通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的 智能判斷，當(dāng)煤堆內(nèi)部某點(diǎn)溫度變化滿足自燃條件時(shí)的溫度 變化時(shí)，發(fā)出報(bào)警，提醒工作人員采取必要措施來(lái)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(yùn)用到煤礦井下煤倉(cāng)和井上煤倉(cāng)以及電廠的筒 倉(cāng)等區(qū)域的煤炭自燃監(jiān)測(cè)，可實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)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(qiáng)，絕緣可靠，安裝方便，維修簡(jiǎn)單，使用壽命較長(zhǎng), 本質(zhì)安全等優(yōu)勢(shì)，這將大大提高煤倉(cāng)火災(zāi)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，具 有廣泛的應(yīng)用前景。

5結(jié)語(yǔ)

目前監(jiān)測(cè)煤倉(cāng)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(hào)，而對(duì)煤堆里的溫度不能有效測(cè)定， 這樣就達(dá)不到很好的煤炭自燃監(jiān)測(cè)效果，而本文所提出的基 于分布式光纖測(cè)溫技術(shù)的煤倉(cāng)火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就可以同時(shí)實(shí)時(shí) 連續(xù)監(jiān)測(cè)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(hào)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(cè)性能，眾多的運(yùn)行優(yōu)勢(shì)，注定可為煤礦工業(yè)以及電廠 煤炭存儲(chǔ)系統(tǒng)的監(jiān)管提供強(qiáng)有力的安全保障。

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