CN101907507B

CN101907507B - 光纤光栅大型液化气储罐泄露监测报警系统

Info

Publication number: CN101907507B
Application number: CN2010102177402A
Authority: CN
Inventors: 姜德生; 袁银权; 王立新
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2010-06-28
Filing date: 2010-06-28
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2030-06-28
Also published as: CN101907507A

Abstract

一种光纤光栅大型液化气储罐泄露监测报警系统，它包括一个宽带光源、一个Y形光分路器、若干个布喇格光纤光栅构成的温度探头串、一个波长解调仪、一个计算单元和一个声光报警器件；其中，宽带光源通过光纤与Y形光分路器的一个分路端口连接；Y形光分路器的合路端口通过光纤与由若干个布喇格光纤光栅组成的探头串连接；Y形光分路器的另一个分路端口通过光纤与波长解调仪串接；波长解调仪通过数据线把数据传输到计算单元；计算单元通过导线与声光报警器相连。它通过光纤光栅传感网络实时在线监测大型液化气储罐罐壁在-100℃～100℃范围内的温度的变化情况，当液化气泄露并引起光纤光栅监测到的温变超越降温阈值时，系统可触发声光报警。

Description

光纤光栅大型液化气储罐泄露监测报警系统

技术领域

本发明涉及一种监测大型液化气储罐液化气泄露的新型传感方法与装置，它采用光纤光栅传感网络实时在线监测大型液化气储罐上目标位置的温度变化，实现对大型液化气储罐液化气泄露的监测与报警，属于光纤传感领域。

背景技术

液化气主要分为二种。由炼厂气加压液化后的产品称为液化石油气，常压下沸点为-5～-45℃；油气田采出的天然气经除杂处理后低温冷凝压缩制得的产品称为液化天然气，常压下沸点为-150～-160℃。液化气作为优质能源，具有体积小、热值高、环境污染小和经济效益好等优点，在全球范围内的应用极为广泛。

作为液化气储运系统的重要储液容器，液化气储罐广泛应用于石化行业。液化气储罐按几何形状可分为立式圆柱形储罐、卧式圆柱形储罐和特殊形状储罐(如球形罐)三类。液化气储罐储存液化气的物理方式主要有常温压力储存、低温压力储存和常压低温储存三种。(1)常温压力储存：液化气在常温下的储存压力一般略低于此温度下的饱和蒸气压。储罐的设计压力越高，钢材的消耗量就越大。由于常温高压，该储存方式危险系数较高，一般适用于储量较小的储配站。(2)低温压力储存：在低温条件下，液体的饱和蒸气压较低，储罐的设计压力比常温压力储罐低，能减少钢材的消耗量，适用于中型液化气储存站。(3)低温常压储存：将液化气的温度降到其饱和蒸汽压接近常压时的温度，并保持冷冻状态，储罐操作压力稍高于常压。这种方式可以大大降低壁厚，增加液化气的储存量，特别适合于大容量储存。

大型液化气储罐通常采用低温常压方式下的立式圆柱形结构，它又分为双壁罐和单壁罐两大类。图1(a)所示为双层结构示意图，内罐壁与外罐壁直径相差1～2米之间，内罐顶板通过拉筋与外罐拱顶相连，顶板重量通过拱顶传至外罐筒体。内罐底板、顶板上部及外壁都贴有保温绝热材料，并在内罐与外罐之间充满其它保温材料，制冷系统和测温系统安装在内灌底板和壁板上。图1(b)所示为单层结构，罐顶板通过拉筋与拱顶相连，顶板上部及外壁都贴有保温绝热材料，制冷系统和测温系统安装在灌底板和壁板上。

液化气储罐一旦发生破坏或泄漏，极易引发火灾、爆炸及中毒事故，造成人民生命和国家财产的重大损失。因此，对液化气储罐进行日常监测和预警是非常必要的。

由于液化气储罐所处的环境易燃易爆，电类传感器因其易于产生电火花难以使用。对液化气储罐的定期检测，目前最广泛采用的是声发射检测技术。它利用声发射仪采集信号，从而了解液化气储罐的裂纹和缺陷。显然这种方法难以达到人们对大型液化气储罐泄露的长时期、实时在线监测和预警的要求。

此外，由于大型液化气储罐庞大的表面积，以及损伤点和泄露点的不确定性，对液化气储罐泄露的有效监测需要大量的传感探头，这就对传感监测和预警系统在探头数量、数据传输与处理等方面提出了更高的要求。

本发明提出的光纤光栅大型液化气储罐泄露监测报警系统是一种新型在线检测装置，它具有以下独特优点：(1)光纤光栅大型液化气储罐泄露传感系统在传感及传输区域完全采用光信号，与电绝缘，具有本质安全、防爆、防雷击、抗电磁干扰等特点；(2)光纤光栅温度传感探头尺寸小、重量轻，易于在液化气储罐的内壁与外壁之间等狭窄空间安装和使用；(3)从若干个液化气储罐到监测室一般都有几百米到几公里的距离，采用光纤光栅液化气储罐泄露传感系统能够实现对所有温度信号的抗干扰长距离传输；(4)大型液化气储罐的操作温度低至大约-45℃，液化气泄露将导致罐壁温度的进一步下降，在这种低温环境下，光纤光栅温度传感探头具有良好的传感和传输特性；(5)采用波分复用技术，在一根光纤上串接几十上百个不同波长的布喇格光纤光栅可以实现对液化气储罐某一水平线上罐壁温度的准分布式测量。

发明内容

本发明目的旨在提供一种光纤光栅大型液化气储罐泄漏监测报警系统，实现对储罐液化气泄露的实时在线监测与预警。

本发明原理：无论是哪种结构和物理储存方式的液化气储罐，一旦罐体结构破坏并发生泄漏，液化气必将顺着储罐外壁下流。在液化气下流过程中，液化气会迅速汽化并吸收大量的热量，使储罐外壁上液化气流过位置的局部温度明显降低。因此通过对储罐外壁重点部位的温度变化的监测和分析，可以实现对储罐液化气泄露的实时在线监测与预警。

本发明的一种光纤光栅大型液化气储罐泄露监测报警系统，是由一个宽带光源12、一个Y形光分路器13、若干个布喇格光纤光栅组成的探头串14、一个波长解调仪15、一个计算单元16、一个声光报警器件17、光纤18、数据线19和导线20组成的系统。

如图2所示，宽带光源12通过光纤18与Y形光分路器13的一个分路端口连接；Y形光分路器13的合路端口通过光纤18与由若干个布喇格光纤光栅组成的探头串14连接；Y形光分路器13的另一个分路端口通过光纤18与波长解调仪15串接；波长解调仪15通过数据线19把数据传输到计算单元16；计算单元16通过导线20与声光报警器17相连。

本发明的光纤光栅大型液化气储罐泄漏监测报警系统用于大型液化气储罐泄漏监测报警。

本发明的光纤光栅大型液化气储罐泄漏监测报警系统的用法是：

1)依据储罐的尺寸和探头的空间间隔，确定布喇格光纤光栅温度探头的总数量、全同光纤光栅的组数及每组全同光纤光栅的光栅个数，并利用同种规格的光纤制作若干组全同光纤光栅；

2)、把这些光纤光栅温度探头每隔一定的空间间隔连接成布喇格光纤光栅构成的温度探头串14，分别环绕安装在储罐罐壁底部同一水平面上的各个标识区域，其中，第一个探头为0#探头，用于监测环境温度，其余探头紧贴安装在储罐壁上，用于监测储罐壁的温度；

3)、用光导纤维(18)将布喇格光纤光栅构成的温度探头串14接入Y形光分路器13的合路端口，Y形光分路器的二个分路端口分别连接宽带光源12和波长解调仪15；

4)宽带光源12所发出的光耦合进光纤18，通过Y形光分路器13入射到布喇格光纤光栅构成的温度探头串14中，这些布喇格光纤光栅会反射若干个窄带光，并通过Y形光分路器13输送到波长解调仪15，波长解调仪每隔一定时间间隔读取相邻二个时刻的温度数据，波长解调仪15检测得到各布喇格光纤光栅的中心波长并输送到计算单元16，计算单元16通过波长漂移与温变之间的关系计算出所有布喇格光纤光栅处的温变，当布喇格光纤光栅探头串14中某个布喇格光纤光栅因液化气流过而降温并超过降温阈值，计算单元16触发声光报警器件17报警。

正常情况下，布置在同一个储罐罐壁上的N个布喇格光纤光栅显示的温度T_i是非常接近的，它们的温度变化ΔT_i是相等的，而且与当时当地的气温变化ΔT₀同步，即：

ΔT₀＝ΔT₁＝ΔT₂＝…ΔT_i…＝ΔT_N。(1)

但实际上它们彼此之间还是有微小的差别，所以在计算时常采用不等式

|ΔT_i-ΔT₀|≤ε₁，i＝1，2，...，N。(2)

即布置于罐壁上的光栅感受到的温变与环境温变之差小于预先设定的允许误差ε₁时，可认为储罐处安全状态。允许误差ε₁的大小由太阳光照的不均匀和其它可能因素导致的储罐外壁温度不均匀性所决定。

若储罐泄漏，液化气溢出并流经某一个光栅i时，因液化气汽化吸热，该处温度将有明显下降过程，即

ΔT_i＜0 (3)

且

ε₁＜|ΔT_i-ΔT₀|＜ε₂，(4)

这里ε₂是事先设定的温变阈值。反之，若某个光栅监测到的温变满足(3)和(4)式，则可认为该光栅所在位置有异常降温现象正在发生，应引起警惕。

当某个光栅监测到的温变满足(3)式，且与环境温变的差值超越温变阈值

|ΔT_i-ΔT₀|≥ε₂ (5)

时，即可认为该光栅所在位置有液化气流过，引起声光报警。

在本发明中，宽带光源所发出的光耦合进光纤，通过Y形光分路器入射到光纤光栅探头串中，这些光纤光栅会反射若干个窄带光，并通过Y形光分路器输送到波长解调仪，波长解调仪检测得到各光纤光栅的中心波长并输送到计算单元，计算单元通过波长漂移与温变之间的关系计算出所有光栅处的温变。

计算单元每隔一定时间间隔读取、存储相邻二个时刻的温度数据，并判断各个温变是否满足(2)、(3)、(4)或(5)式。其中，所述时间间隔可设置为几分钟，并可调。

在正常状态下，每个光栅的中心波长随环境温度同步变化，此时(2)式成立，储罐处于安全状态。当光纤光栅探头串中某个光栅因液化气流过而降温，即(3)和(4)式成立时，可使声光报警装置显示为预警状态。而当温变超过降温阈值ε₂，即(3)和(5)式成立时，计算单元触发声光报警。

对于大型液化气储罐，尽早发现液化气泄漏并报警是最重要的，至于是哪个位置点发生泄漏可由人工检查，因此没有必要知道所有测点的精确温度。所以在本发明中，采用波分复用技术，选用若干组具有不同中心波长的全同光纤光栅，分别布置在储罐罐壁底部同一水平线上的各个标识区域，实时在线监测大型液化气储罐各个标识区域的温度。

附图说明

图1是大型液化气储罐结构示意图。图1(a)中，1：储罐内壁；2：储罐外壁；3：制冷系统及保温层；4：内罐顶板；5：罐顶保温层；6：外罐拱顶；7：罐底保温层。图1(b)中，8：储罐壁、制冷系统及保温层；9：罐顶板及保温层；10：罐拱顶；11：罐底保温层。

图2是本发明的结构示意图。其中，12：宽带光源；13：Y形光分路器；14：由布喇格光纤光栅组成的探头串；15：波长解调仪；16：计算单元；17：声光报警器件；18：光纤；19：数据线；20：导线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明。

依据储罐的尺寸和探头的空间间隔，确定光纤光栅温度探头的总数量、全同光纤光栅的组数及每组全同光纤光栅的光栅个数，并利用同种规格的光纤制作若干组全同光纤光栅。

把这些光纤光栅温度探头每隔一定的空间间隔连接成探头串，分别环绕安装在储罐罐壁底部同一水平面上的各个标识区域。其中，第一个探头(0#探头)用于监测环境温度，其余探头紧贴安装在储罐壁上，用于监测储罐壁的温度。

用光导纤维将光纤光栅温度探头串接入Y形光分路器的合路端口，Y形光分路器的二个分路端口分别连接宽带光源和波长解调仪。

波长解调仪和计算单元每隔一定时间间隔读取、存储相邻二个时刻的温度数据，并判断各个温变是否满足(2)、(3)、(4)或(5)式。

正常状态下，每个光栅的中心波长随环境温度同步变化，此时(2)式成立，储罐处于安全状态，监测系统显示环境温度。

当储罐中某处的液化气泄露并向下流动到位于其底部的某个光栅探头时，因液化气汽化吸热，该处的光栅温度探头可以监测到异常降温，此时，(3)和(4)式成立，计算单元提示声光报警装置显示为预警状态。

当光栅监测到的温变与环境温变的差值超越降温阈值ε₂，即(3)和(5)式成立时，计算单元触发声光报警。

Claims

1.一种光纤光栅大型液化气储罐泄露监测报警系统的应用，其特征在于：所述的监测报警系统，它包括一个宽带光源(12)、一个Y形光分路器(13)、若干个布喇格光纤光栅构成的温度探头串(14)、一个波长解调仪(15)、一个计算单元(16)和一个声光报警器件(17)；其中，宽带光源(12)通过光纤(18)与Y形光分路器(13)的一个分路端口连接；Y形光分路器(13)的合路端口通过光纤(18)与由若干个布喇格光纤光栅组成的探头串(14)连接；Y形光分路器(13)的另一个分路端口通过光纤(18)与波长解调仪(15)串接；波长解调仪(15)通过数据线(19)把数据传输到计算单元(16)；计算单元(16)通过导线(20)与声光报警器(17)相连；用法是：

1)依据储罐的尺寸和探头的空间间隔，确定布喇格光纤光栅温度探头的总数量、全同的布喇格光纤光栅的组数及每组全同布喇格光纤光栅的光栅个数，并利用同种规格的光纤制作若干组全同布喇格光纤光栅；

2)把这些布喇格光纤光栅温度探头每隔一定的空间间隔连接成布喇格光纤光栅构成的温度探头串(14)，分别环绕安装在储罐罐壁底部同一水平面上的各个标识区域，其中，第一个探头为0#探头，用于监测环境温度，其余探头紧贴安装在储罐壁上，用于监测储罐壁的温度；

3)用光导纤维(18)将布喇格光纤光栅构成的温度探头串(14)接入Y形光分路器(13)的合路端口，Y形光分路器的二个分路端口分别连接宽带光源(12)和波长解调仪(15)；

4)宽带光源(12)所发出的光耦合进光纤(18)，通过Y形光分路器(13)入射到布喇格光纤光栅构成的温度探头串(14)中，这些布喇格光纤光栅会反射若干个窄带光，并通过Y形光分路器(13)输送到波长解调仪(15)，波长解调仪(15)检测得到各布喇格光纤光栅的中心波长并输送到计算单元(16)，计算单元(16)读取并存储相邻二个时刻的波长漂移数据，通过波长漂移与温变之间的关系计算出所有布喇格光纤光栅处的温变，当布喇格光纤光栅探头串(14)中某个布喇格光纤光栅因液化气流过而降温并超过降温阈值，计算单元(16)触发声光报警器件(17)报警。