火力发电厂中基于光纤传感技术的火灾报警系统设计
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【摘要】针对国内外电厂对缆式线型感温的设计要求，突出了线型感温探测的重要性。从光纤感温探测的原理开始，对整套系统进行了结构性研究。主要研究了系统结构、探测光缆、控制器等组件。结合拉曼散射原理，剖析温度变化引起探测光缆的吸收和反吸收效应；强调了光学感温探测系统的应用优势和安装条件等。最后结合实体项目，分析对比了传统感温电缆和光学感温探测系统在实际工程应用中的优缺点，并提出了优化方案，以提高火灾报警系统的工作效率。
【关键词】火力发电厂；分布式光纤测温；光纤感温探测系统；工程应用
1、前言
火灾自动报警系统的设计目的就是要保护人民群众的生命和财产安全，系统能否及时、准确的告知火警部位、编号、分布地，对抢险工作至关重要。目前我国火力发电厂内，大多采用感温电缆的模式，利用微机调制器与一定长度的感温电缆连接使用。微机调制器内设信号处理电路，包括信号采集、信号放大转换电路、显示电路等，是通过监视电缆的电流变化来报警的，如电流增大，微机调制器就认为有火警。但这种模式，有很大的局限性，而分布式光纤测温装置能很好的解决传统感温电缆模式的缺陷，但其自身也有一些弊端。本文通过对这两种测温方式的比较，从性能和经济上提出火力发电厂中配置的优化方案。
2、电厂工程设计依据
根据《火力发电厂与变电所设计防火规范》（GB50229）和《火灾自动报警系统设计规范》（GB50116）的规程要求，一般国内电厂的火灾报警系统设计，普遍采用集中报警和控制中心报警两种方式。这两种方式的火灾报警系统中探测报警设备包括点型探测器和线型感温探测器以及手动报警按钮等报警装置。
3、线型感温设计分析
按自1960年以来全国电力系统统计到的发生电缆火灾的事故分析，由外界火源引起电缆着火延燃的占总数70%以上。外界因素大致可分以下几类：（1）汽轮机油系统漏油，喷到高温热管道上起火，而将其附近的电缆引燃。（2）制粉系统防爆门爆破，喷出火焰，冲到附近电缆层上，而使电缆着火。（3）电缆上积煤粉，靠近高温管道引起煤粉自燃而使电缆着火。（4）油浸电气设备故障喷油起火，油流入电缆隧道内而引起电缆着火。（5）电缆沟盖板不严，电焊渣火花落入沟道内而使电缆着火。（6）锅炉的热灰渣喷出，遇到附近电缆引燃着火。
因此，在电厂主厂房内易受外部着火影响区段，应重点防护，对电缆实施防火或阻止延燃、及早预警等措施。在电厂企业中动力、配电、控制、通信等方面的电缆遍布全厂，尤其是电缆桥架、电缆沟等区域电缆密度高，火灾具有发展速度快、扑灭困难的特点，另外由于这些电缆往往贯穿全厂，火灾易于蔓延，危害性很大，因此这些场所应设置有效、可靠的火灾探测器。传统的点式火灾探测器在以上场所不容易安装，而线型感温探测器是以上电缆架设场所的一种适宜的、可靠的报警系统，且安装方便。较早使用的缆式开关量感温探测器，其内部是两根弹性钢丝，每根钢丝外面包有一层感温且绝缘的材料，在正常监视状态下，两根钢丝处于绝缘状态，当周边环境温度上升到预定动作温度时，温度敏感材料破裂，两根钢丝产生短路，输入模块检查到短路信号后产生报警。一般出厂就是固定报警温度的，而且是不可恢复的，也就是说只要报警了，开关量感温电缆就废掉了。现今主流的缆式模拟量感温探测器是一种全数字式智能型可恢复使用的产品。该产品的报警温度可调整设定、可温度补偿、可重复使用、可多级报警、可进行实时温度变化趋势监视，有反应温升速率、早期发现火灾等特点，在反应速度上要优于缆式开关量感温探测器。虽然模拟量感温探测器是可恢复式的，但每次都需要根据环境变化情况，做现场标定，如果现场标定的不恰当，很容易引起误报。不管是开关量还是模拟量的感温电缆都是带电测温的电缆，在危险区域使用时需谨慎。从这个角度考虑，光纤感温探测则比较安全，是不带电测温的，属本安类产品，可在危险区域内使用。但在电厂设计中，需设置缆式线型感温的危险区域并不多，仅点火油罐等局部区域。
4、光纤感温探测系统的介绍
光纤感温探测系统有能力测量在最长达4km（常规产品数据）的光导中两种散射效应（散射瑞利和拉曼散射）。通过优化内部测量和当地的解析度，可靠探知每分钟几个摄氏度的温度变化并不受干扰。与传统的缆式感温探测器相比，光纤传感电缆 （与光学感温测量系统控制器相连）有以下优势：（1）光纤火灾探测系统的组成部分可以探测热气体和辐射出来的热量是否合适单个对象。（2）它与电气无关，因此不会受任何电磁干扰，是具有电磁污染环境下的温度测量的理想方式。（3）探测光缆（有效周期为30年）的设计是非常强劲的，因而不受环境影响，例如温度，压力和湿气变化，同时也免疫于会产生包含大量腐蚀性材料的污染和废气。（4）探测光缆安装和维护简单。损坏部分可以修补（可再熔接的）。（5）探测光缆可以根据需要的长度任意切割。（6）控制中心可获益的：准确的火灾发热源的定位，并根据控制中心的位置和安装的区域呈现局部大和小的图形布局。（7）火灾发热源蔓延方向的信息说明。这同样根据控制中心的设备可见配置来决定。
5、光纤感温探测系统的设计要素
设置探测光缆时需要对顶部的升降物，障碍物，测试可伸展性进行特别的考虑，同时也要考虑通风管以及探测光缆装置旁的照明设施对数据的影响。探测光缆一般为单根放置。因为每一个熔接点会产生信号衰减，因此除了熔接尾纤，系统允许最多4根探测光缆熔接起来，前提是探测光缆的信号衰减不能超过最大值。
6、设计实例
现选取已投运的整体布局较为接近的A、B两个2x600MW燃煤机组工程作为使用感温电缆和光纤测温的设计实例，提供数据比对。A、B工程的线型测温元件分别选用传统感温电缆和分布式测温光纤。B工程在施工图设计中，除常规的敷设长度外，还需考虑该系统的特殊要求，增加总的光纤走向和探测点分布数据。A工程施工图中（不包含脱硫区域）线型感温电缆最终使用量为--70℃测温的15280m、85℃测温的11030m、105℃测温的1600m，总计使用量为27910m，配置调制解调器196套。根据感温电缆15元/m，调制解调器1500元/套的价格估算，该线型探测器部分约花费712650元。B工程施工图中（不包含脱硫区域）光纤感温探测系统最终使用量为光纤分布式温度监测主机5套，配光纤48100m。根据感温光纤10元/m、主机20万/套的价格估算，该线型探测部分约花费1481000万元。考虑到无论是线型感温电缆还是光纤感温探测都需要通过输入模块将信号传输给火灾报警系统主机，作者也对两个工程最终消耗的输入模块进行了统计。A工程为196套，B工程为97套，两个工程间使用数量差距大约在100套，估值为20000元。在工程施工阶段的经济数据对比中，B工程该项费用要多出70万左右（数据中未比对人工费）。
7、优化方案
从光纤感温探测系统本身的特点可以看出，其整体设备的先进性和灵敏性是传统感温电缆无法比拟的。从火灾报警系统监控掌握的角度出发，光纤感温探测系统测点灵活、区域设定简洁明了，更有利于值班人员对报警状态的及早发现。但该系统应用在电厂中也存在明显的缺陷。由于电厂布局（尤其是燃煤机组）具有整体分散，局部集中的特点，光纤感温探测系统在全厂应用时测温距离大大增加，导致测温光纤浪费严重、昂贵的主机利用率不高。结合多个工程的设计经验，作者提出以下优化方案。充分利用输煤系统这个局部单一，总体跨度大的特点，采用光纤测温进行报警，并根据规模选配主机。在回路数或单根光纤长度富裕时，可涵盖保护桥架单一的区域。针对主厂房区域等桥架密集区，可按工程机组划分探测点（太过密集增加标识难度，容易串分区）也可以根据实际情况酌情选用。其余偏远的辅助厂房建筑、厂区桥架等均考虑采用感温电缆的模式。
8、结论
分布式光纤测温系统，是基于拉曼散射原理和光时域反射技术，以光纤测温主机和测温光纤为核心部件，能准确探测光纤沿线任意测量点的温度，分别配套针对不同应用场合而开发的监控系统。经过多年的努力，光纤感温探测系统作为一项新型的测温手段，在实质性应用阶段，已经形成了一定的应用规模。目前，国内有多家设备厂已不局限于进口销售商的身份，走上了自主研发的道路。光纤感温探测系统的主机也随着国产化的到来，价格全面下调，更具竞争优势。