分布式光纤测温火灾预警系统在地铁隧道中的应用.doc

江苏兴海光联科技有限公司No7，2017Jiangsu Xinghai Optical Technology Co. Ltd.分布式光纤测温火灾预警系统在地铁隧道中的应用侯玉峰叶晓靖。(1江苏兴海光联科技有限公司，江苏无锡 510640；2无锡市地下铁道总公司，江苏无锡 510310)摘 要：地铁隧道内具有强电磁干扰，以电信号为工作基础的温度传感器在安全性和信号稳定性方面受到限制。分布式光纤温度传感器的工作原理是喇曼散射的温度效应。考虑到光纤的抗电磁干扰能力、组网方便及其固有的大信号传输带宽等优势，如能将分布式光纤温度测量技术应用到地铁隧道火灾预警系统，则能有效的监测地铁隧道温度变化，一旦发生地铁隧道火灾，将为救灾指挥提供强有力的支持作用。关键词：分布式光纤测温；火灾报警系统；隧道；地铁O 前言地铁由于具有运量大、速度快、安全、准时、无污染等一 系列优点，对促进城市郊区发展，促进城市由单中心向多中心发展具有非常重要的意义。然而地铁设施是投资巨大、设备系统复杂、人员密集的公共场所，一旦发生火灾，轻则引起交通秩序和社会秩序的混乱，重 则造成重大的人员伤亡和巨大的经济损失，更严重者还会产生不利的政治影响。我国13年版国家标准火灾自动报警系统设计规范 (GB501162013)将地铁隧道定为一级保护对象，显示了对地铁火灾安全的高度重视。由于现有的火灾报警系统 (FAS)设备存在总线长度有限、回路容量不够、线性感温元件保护范围小、不能定位报警点等技术困难，目前已经运营和在建的地铁隧道都没有安装温度传感元件。鉴于地铁火灾安全的重要性，为了有效地保护人民生命和国家财产安全，研究一种适合在地铁隧道安装运行的，能及时地反映地铁火灾发生的位置、灾情 的区域大小、火势的大小、火势的蔓延方向、延误漂流方向等的火灾自动监测系统，将给救灾指挥部门实时提供动态数据，可利于救灾工作有条不紊的开展，尽可能减少人员伤亡、社会公共财产损失。温度是触发火灾报警系统运作的重要物理量之一。传统温度测量多用热敏电阻、光学高温计等温度传感器。但对于具有强电磁干扰的地铁隧道环境，传统以电信号为工作基础的温度传感器通常在安全性、信号的稳定性方面受到很大的限制。而光纤的抗电磁干扰能力、组网方便及其固有的大信号传输带宽等优点，使得光纤温度传感器突破了电温度传感器的限制，为地铁隧道等存在强电磁场干扰的环境提供了非常有效的温度测量方法。分布式光纤温度测量技术，其应用是十分广泛的，不仅仅在常规的温度测量上，通过适当的转换模型，该技术还可以用在水利设施的渗漏监测、地下管道的泄漏监测，以及动力电缆的温度监测等。一、地铁火灾的主要原因和特点分析地铁火灾的发生具有必然性也具有偶然性。必然性的火灾，来自设备的老化、绝缘的损坏等等，这可通过对周边设备进行实时监测，做到早期预报，防息于未然。偶然性的 火灾大多数出自于意外的、人为的情况，在目前国际形势复杂多变、工作压力过大等的情况下，少部分人会做出报复社会的过激行为，这给地铁营运带来突发性不安全的因素。11 电缆火灾电缆是地铁机车运行的动力来源，也是地铁隧道设备系统的重要组成部分。由于电缆易燃，着火后危害大，电缆的防火历来为供电部门所重视。据有关资料统计，20022012年间，因电缆着火延燃造成的重大事故发生6O起，造成直接和间接损失达 7O多亿元。事故分析表明，引起电缆火灾的直接原因往往是电缆接头制作质量不良、压接不紧、接触电阻过大，从而电缆接头过热导致火灾发生。但是电缆接头的制作质量的好坏，只能在运行中才较易发现，运行时间越长越容易发生过热烧穿事故。对于电气设备绝缘老化引起的火灾，从电缆接头过热到事故发生有一个过程，其特点是火势产生比较慢，烟雾及热量排放少，但很可能造成部分供电设备断电，照明设施失灵，机车停止运行和通信网络瘫痪的情况。因此，通过对电缆在线过热监测完全可以防止和杜绝此类事故的发生。12 隧道火灾隧道消防安全是目前消防研究的热点领域之一，已取得了许多研究成果，但仍有大量问题需要进一步研究。隧道火灾过程是一种三维非定常包含多相流体流动、传热传质和化学反应及其相互作用的十分复杂的物理化学过程。由于隧道空间小，近似处于密闭状态，不可能自然排烟，同时燃烧产生的热量不易散发，热量聚集，内部温度上升快，可能较早出现轰燃。日本消防研究所进行的模型隧道火灾 试验结果表明，隧道内燃料的燃烧速度是敞开空间的3倍，隧道内的温度最高可达到1000。因此烟雾大，温度高是隧道火灾的主要特点。鉴于火灾本身的复杂性以及隧道火灾的特殊性，建立隧道火灾的准确模型是指导人员疏散和减灾救灾的关键，但这仍需通过加强开展火灾试验获取更多真实数据资料。国外的研究机构已经在废弃的隧道内开展了大量全尺寸试验：研究通风对火灾的影响和通风时火灾热释放速率的变化。这些已经完成的研究为隧道内人员的疏散和火灾的扑 救提供宝贵的理论依据，但在具体隧道环境的火灾模拟中又应该具体问题具体分析。而依靠采用先进的测量技术测量分析火灾动态特性，如火羽流区的特性，不但能及时反映火灾现场情况，也可为验证数值计算的准确性提供详实的试验资料。二、地铁隧道火灾预警系统2.1 预警问题地铁隧道是复杂的地下管道网络设施，一旦发生火灾从监测和预报的角度面临如下问题：（1） 如何对长距离被测介质温度进行多点监测，设置多级定温和多级温差对温度进行预警预报；（2） 如何避免带电测温引起的电磁干扰;（3） 如何精确预报火灾即将发生部位, 如何查找火灾发生部位;为避免上述问题，我公司提出了用分布式光纤测温系统来解决地铁隧道火灾预警难的问题。2.2 分布式光纤测温系统测温原理分布式光纤测温系统是基于光子的拉曼散射(Raman Scattering) 温度效应和光纤的光时域OTDR (Optica Time Domain Reflection ) 技术实现的。光在光纤中传输时,与光纤中的分子、杂质等相互作用, 发生米氏散射、瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射等,其中拉曼散射是由于光纤中分子的热运动与光子相互作用发生能量交换而产生的, 它包含有 Stokes (斯托克斯光) 和Anti Stokes (非斯托克斯光) , 其中, Stokes光与温度无关, 而Anti Stokes光的强度随温度的变化而变化, 由斯托克斯光与非斯托克斯光的光子数之比和温度的定量关系, 可得温度值T 。光子数以信号电平由测温系统测得。光时域OTDR技术主要对测量点的空间定位,其原理是利用入射光和后向散射光之间的时间差$ti和光纤内的光速C k,可以计算不同散射点的位置距入射端的距离Xi,因而可以得到光纤沿程几乎连续的温度分布,Xi = CK $2ti , $ti为后向散射延迟时间。3、 基于分布式光纤测温原理的隧道火灾预警预报系统的实现3.1 系统结构基于分布式光纤测温原理的隧道火灾预警预报系统的整体结构为: 探测光缆; DTS分布式光纤测温系统; 监控计算机; 火灾预警预报控制器;远程测控系统; 通信光缆。系统结构示意图。 系统结构图3.2 DTS系统功能(1) 温度沿程分布。DTS系统的最大优势是实测温度随光纤的沿程分布，连续监测信号，任意温度点报警，即时显示每个回路光纤探测范围内每隔1m各点的温度变化。可应用户要求按照任意长度、不同或相同报警温度划分防火分区，DTS的继电器输出可按用户所设定的防火分区做对应设置，在确认报警后通过继电器输出触发信号给报警主机的信号模块。报警主机可按火灾模式所设定的程序运行。(2) 准确性。DTS温度分辨率达到015, 温度精度1。终端机内的激光发射装置每秒钟会发射上万次的光脉冲，并将取样温度的平均值输出到显示系统，基本消除误差。DTS可根据由用户设定的每个防火分区的平均温度值、最高温度值、温升速率报警，并且每秒报警都有预报警，在预报警后可以由人工手动确认报警，系统也可以自动在预报警后3s再次核实温度而自动报警。避免了误报的可能性。(3)灵活性。可设置多个定温点报警，各控制分区可以按照用户的运行要求或者运行经验设定不同的报警温度或者温升速率，报警控制区可编程，并可按照用户的要求进行设计，可针对环境变化情况设置不同报警控制区域。(4)先进性。分布式光纤测温系统是在线实时监测最有效的手段，在国外已经取代了传统的线性感温材料，在技术上已非常成熟完善,且通过采用不同的外护套材料，DTS检测系统可以适应各种环境。在发生火灾时现场操作人员可根据实时温度曲线的变化，以及文本记录温度表的温度值来评估火灾现场情况，并判断火灾蔓延的趋势，为现场人员及时拯救、灭火以及隧道的相关控制操作提供依据。4、 结语基于分布式光纤的测温原理, 采用同一根光纤,可以实现隧道火灾监控, 具有早期预警、设定多种报警、查找定位灾害准确、使用维护简便、安全可靠和可实