發布日期：2022-04-20 點擊率：59
引言
隨著國內電力行業的迅速發展，各火力發電廠的發電機 組容量正朝著高參數、大機組方向發展。為了保證發電機組對 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勢而被各火電廠廣泛應用，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。
現有的煤倉火災監測技術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，只能監測到煤 堆表面溫度，這樣無疑會導致監測的不準確。
本文所提出的系統就是采用分布式光纖測溫技術來實現 對煤倉溫度的實時連續監測，系統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 監測技術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監測系統主要依據光時域反射原理 和光纖拉曼散射的溫度效應，前者是實現熱點定位的基礎, 后者是實現溫度測定的基礎，具體實現過程如下：
當高強度激光脈沖在光纖中傳輸時，一部分光會發生透 射和被介質吸收，另一部分光會因光纖介質的不均勻性發生 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）。當激光 脈沖在光纖中發生散射時，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關系，通過波分復用 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換元件上，產生與 其強度對應的電信號，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外空間的分布曲線。
2系統設計
2.1硬件系統結構
本文提出的煤倉火災監測系統由高強度激光發射端、分 光模塊、光電檢測模塊、放大電路、檢測單元、數據采集與 處理單元、顯示單元以及報警單元組成，此系統適用于各大 小煤倉的火災監測，圖1所示是煤倉火災智能監測系統結構圖。
2.2系統硬件設計
本系統中的高強度激光發射端選用分布反饋式半導體激 光器（DFB-LD）,這種激光器在單色性和穩定性方面都優于 一般的F-P腔激光器，且適合長距離測量時使用。此外，在 此環節，將配套使用激光驅動器MAX3996,這種驅動器具 有傳輸速率高、性能安全穩定和輸出平均功率恒定等優點, MAX3996安裝在激光器的前端，可將電壓信號轉為電流信號, 從而達到調制激光器的目的；
分光模塊：即波分復用器，采用熔融拉錐型復用器，相對于濾波片型波分復用器，熔融拉錐型復用器具有插科損耗 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器件需要有 比較高的頻響和靈敏度，所以此系統采用對光信號探測能力 很強的APD（雪崩二極管）作為轉換器件，它利用了載流子 的雪崩倍增效應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，光信號對應轉換的光電 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。光纖保護裝置由內外層構成，其外層是聚乙烯材質外護 套，其內層由不銹鋼紡織網、凱夫拉和不銹螺旋管構成（可抵 抗3000N以上的壓扁力）；
數據采集與處理模塊：所設計的模塊要求對數字信號處 理運算速度快、精度高。這里采用DSP進行數據讀取與處理, DSP芯片選用TMS320C6472芯片，采用14位模數（A/D）轉 換器ADS4149將模擬量轉換成數字量，并設置外接FIFO存 儲器來提高系統性能；
顯示單元：主要是PC機，主要功能包括系統報警管理、 實時顯示溫度數據曲線以及控制高強度激光發射端；
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軟件系統設計
系統監測端包括具有監控功能的PC機系統、網絡服務 器、交換器和數據庫服務器。其中，PC機系統件利用VB 6.0 進行開發，可在系統的主界面上，實時顯示溫度、時間、位 置和某點火災發生的概率等參數，并可以做出實時預警判斷。 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 監測數據，并可通過Excel表導出。數據庫采用Access 2003 進行設計，以保證數據的存儲完整和工作人員查詢請求的響應 正確。
進行DSP控制程序設計時，根據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。
系統具體工作情況：系統程序首先對DSP芯片進行初始 化并充電，設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，然后通過模數轉換器將模擬信號變為數 字信號，再存儲于外接FIFO存儲器當中，DSP通過讀取數 字信號并且對其進行處理，最后將處理結果傳到PC機系統, 通過監控系統判斷是否達到溫度報警值，如果達到報警值則 發送報警信息。整個系統軟件應答程序設計流程圖如圖3所示。
圖2 DSP控制程序設計流程圖
3具體應用
針對本文提出的煤倉火災監測系統，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 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個小時內的煤堆內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時的監測數據如圖4所示。 鼠標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。
根據上述監測結果，在所選取的某一時刻，煤倉中煤堆 內部的溫度存在波動，從圖5中明顯可以看出，煤堆最高溫 度區域位于向陽面，這種結果與現有資料文獻所述基本相符, 通過該智能火災監測系統的連續監測，可清楚地知道煤堆內 部某點在不同時刻的溫度變化情況，然后根據溫度的變化趨 勢，就可人為預先判斷火災發生的概率，再通過監測系統的 智能判斷，當煤堆內部某點溫度變化滿足自燃條件時的溫度 變化時，發出報警，提醒工作人員采取必要措施來避免煤堆 火災現象的發生，從而有效保證企業的安全生產。
4應用前景
本系統可運用到煤礦井下煤倉和井上煤倉以及電廠的筒 倉等區域的煤炭自燃監測，可實時連續監測煤堆內部與煤堆 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, 本質安全等優勢，這將大大提高煤倉火災監測的準確性，具 有廣泛的應用前景。
5結語
目前監測煤倉內部火災情況的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測效果，而本文所提出的基 于分布式光纖測溫技術的煤倉火災監測系統就可以同時實時 連續監測煤堆表面與煤堆內部的溫度變化情況，系統巧用光 纖既作為信號的傳輸介質，又作為溫度的感知媒質，可靠的 火災監測性能，眾多的運行優勢，注定可為煤礦工業以及電廠 煤炭存儲系統的監管提供強有力的安全保障。
20211222_61c2090d510bc__基于分布式光纖的煤倉火災監測系統的研究
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