基于分布式光纤的煤仓火灾监测系统的研究

引言

随着国内电力行业的迅速发展，各火力发电厂的发电机 组容量正朝着高参数、大机组方向发展。为了保证发电机组对 燃煤的正常需求，电厂必须采用容量较大的装置来安全储存 燃煤。而煤仓因其具有较大的贮煤容量、可减轻煤炭对周边 空气和水源的污染等优势而被各火电厂广泛应用，然而，这种 煤仓因其采用封闭式存储而增加了煤炭自燃的可能性，这给电 厂的正常运行带来了巨大威胁。

现有的煤仓火灾监测技术主要采用热电阻温度传感器测 温，此种方法属于点式测温，存在测温盲区，只能监测到煤 堆表面温度，这样无疑会导致监测的不准确。

本文所提出的系统就是采用分布式光纤测温技术来实现 对煤仓温度的实时连续监测，系统具有较强抗干扰能力，可 精确定位煤仓中热点的位置，从而有效弥补了已有的煤仓火灾 监测技术在具体工程实践中的不足之处。

1分布式光纤测温的基本原理

本文提出的煤仓火灾监测系统主要依据光时域反射原理 和光纤拉曼散射的温度效应，前者是实现热点定位的基础, 后者是实现温度测定的基础，具体实现过程如下：

当高强度激光脉冲在光纤中传输时，一部分光会发生透 射和被介质吸收，另一部分光会因光纤介质的不均匀性发生 瑞利散射、布里渊散射以及具有新频率的拉曼散射。利用光 时域反射技术分析沿传输光纤相反方向散射的背向散射光信 号，可获得沿光纤长度方向上的各散射点的位置信息；拉曼 散射光中的反斯托克斯光与周围温度存在某种特定的关系（反 斯托克斯光的强度随着光纤周围温度的增加而加强）。当激光 脉冲在光纤中发生散射时，因散射点处的温度对散射光谱中的反斯托克斯光的光强进行了调制，使反斯托克斯光的强度 与散射点的温度信息具有某种匹配对应关系，通过波分复用 器可以从背向散射光谱中分离出需要的斯托克光和反斯托克 斯光，将分离出的两束光分别照射在光电转换元件上，产生与 其强度对应的电信号，通过对所得的电信号进行处理和对比 来获取温度沿光纤在煤堆内外空间的分布曲线。

2系统设计

2.1硬件系统结构

本文提出的煤仓火灾监测系统由高强度激光发射端、分 光模块、光电检测模块、放大电路、检测单元、数据采集与 处理单元、显示单元以及报警单元组成，此系统适用于各大 小煤仓的火灾监测，图1所示是煤仓火灾智能监测系统结构图。

2.2系统硬件设计

本系统中的高强度激光发射端选用分布反馈式半导体激 光器（DFB-LD）,这种激光器在单色性和稳定性方面都优于 一般的F-P腔激光器，且适合长距离测量时使用。此外，在 此环节，将配套使用激光驱动器MAX3996,这种驱动器具 有传输速率高、性能安全稳定和输出平均功率恒定等优点, MAX3996安装在激光器的前端，可将电压信号转为电流信号, 从而达到调制激光器的目的；

分光模块：即波分复用器，采用熔融拉锥型复用器，相对于滤波片型波分复用器，熔融拉锥型复用器具有插科损耗 低、与光纤易耦合和单通道成本较低等优点，可将向后散射 拉曼散射分离成Stokes散射光和Anti-Stokes散射光；

光电检测模块：接收漫反射激光信号的光学器件需要有 比较高的频响和灵敏度，所以此系统采用对光信号探测能力 很强的APD（雪崩二极管）作为转换器件，它利用了载流子 的雪崩倍增效应来放大光电信号以达到较高的检测灵敏度；

放大电路：通过光电检测模块，光信号对应转换的光电 压信号是比较微弱的，这时采用具有良好增益、良好带宽和 较高噪声滤除能力的对数放大电路对输入的信号进行放大；

检测单元:选用衰减率较低、抗拉和抗压强度较高的铠 装单芯感温光缆进行检测，包括分布式光纤和光纤保护装置 等。光纤保护装置由内外层构成，其外层是聚乙烯材质外护 套，其内层由不锈钢纺织网、凯夫拉和不锈螺旋管构成（可抵 抗3000N以上的压扁力）；

数据采集与处理模块：所设计的模块要求对数字信号处 理运算速度快、精度高。这里采用DSP进行数据读取与处理, DSP芯片选用TMS320C6472芯片，采用14位模数（A/D）转 换器ADS4149将模拟量转换成数字量，并设置外接FIFO存 储器来提高系统性能；

显示单元：主要是PC机，主要功能包括系统报警管理、 实时显示温度数据曲线以及控制高强度激光发射端；

报警单元:采用工作声音较大的警铃，其警示效果较好, 成本低，便于安装。

2.3软件系统设计

系统监测端包括具有监控功能的PC机系统、网络服务 器、交换器和数据库服务器。其中，PC机系统件利用VB 6.0 进行开发，可在系统的主界面上，实时显示温度、时间、位 置和某点火灾发生的概率等参数，并可以做出实时预警判断。 此外，通过界面上的查询按钮可以选择性地获取某段时间内 监测数据，并可通过Excel表导出。数据库采用Access 2003 进行设计，以保证数据的存储完整和工作人员查询请求的响应 正确。

进行DSP控制程序设计时，根据各模块的运算量的不同， 分别选用C语言和汇编语言，从而使所编译的程序可读、可 移植，并且系统的实时运算效率也会大大增加，控制程序流 程如图2所示。

系统具体工作情况：系统程序首先对DSP芯片进行初始 化并充电，设置好信号采集的频率、偏压以及确定好温度检 测度段后，进行光信号采集，将采集到的光信号进行滤波处 理、信号放大处理，然后通过模数转换器将模拟信号变为数 字信号，再存储于外接FIFO存储器当中，DSP通过读取数 字信号并且对其进行处理，最后将处理结果传到PC机系统, 通过监控系统判断是否达到温度报警值，如果达到报警值则 发送报警信息。整个系统软件应答程序设计流程图如图3所示。

图2 DSP控制程序设计流程图

3具体应用

针对本文提出的煤仓火灾监测系统，进行了如下试验：

试验中，煤仓高度25 m，圆筒直径5 m。距煤仓轴心 线1.25 m处分别预先竖直插入4根铠装单芯感温光缆，让其 贯穿整个煤堆（其他场所的煤仓在布置感温光纤时，可根据 煤仓的直径和光纤的感温范围合理选择插入的分布式光纤的 数目）。试验时间为四月二日的早晨7时~下午5时。上位机 显示出这10个小时内的煤堆内部温度随煤堆位置的波动曲线， 选取其中一根光纤传感器在上午9时的监测数据如图4所示。 鼠标点击曲线上的一个端点，获取该点的温度随时间的变化 曲线如图5所示。

根据上述监测结果，在所选取的某一时刻，煤仓中煤堆 内部的温度存在波动，从图5中明显可以看出，煤堆最高温 度区域位于向阳面，这种结果与现有资料文献所述基本相符, 通过该智能火灾监测系统的连续监测，可清楚地知道煤堆内 部某点在不同时刻的温度变化情况，然后根据温度的变化趋 势，就可人为预先判断火灾发生的概率，再通过监测系统的 智能判断，当煤堆内部某点温度变化满足自燃条件时的温度 变化时，发出报警，提醒工作人员采取必要措施来避免煤堆 火灾现象的发生，从而有效保证企业的安全生产。

4应用前景

本系统可运用到煤矿井下煤仓和井上煤仓以及电厂的筒 仓等区域的煤炭自燃监测，可实时连续监测煤堆内部与煤堆 表面沿分布式光纤的各空间的温度变化情况，系统具有抗干 扰能力强，绝缘可靠，安装方便，维修简单，使用寿命较长, 本质安全等优势，这将大大提高煤仓火灾监测的准确性，具 有广泛的应用前景。

5结语

目前监测煤仓内部火灾情况的Pt100热电阻传感器只能采 集到煤堆表面的温度信号，而对煤堆里的温度不能有效测定， 这样就达不到很好的煤炭自燃监测效果，而本文所提出的基 于分布式光纤测温技术的煤仓火灾监测系统就可以同时实时 连续监测煤堆表面与煤堆内部的温度变化情况，系统巧用光 纤既作为信号的传输介质，又作为温度的感知媒质，可靠的 火灾监测性能，众多的运行优势，注定可为煤矿工业以及电厂 煤炭存储系统的监管提供强有力的安全保障。

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