大型罐区安全监控系统的设计与应用毕业论文.doc

联合站储油罐区安全监控系统的设计摘要: 随着石油化工企业的发展和国家原油战略储备库项目的实施，大型的石化企业均建有大量的各种储罐。储罐是企业生产、储存、运输过程中的重要环节，具有占地面积广、布置密集和储存量大等显著特点。因其储存的物质大多具有易燃、易爆特性和毒害性，将其划为高危险性的操作单元。由于罐内储存的物品都具有较高的挥发性，一旦发生泄漏事故，挥发出的油气随风可弥散数千米的区域，如遇明火或高温物体，就有可能引发火灾或爆炸事故。因此，储油罐区一般是油库内的高危险区域1。油罐区是重大工业危险源，数量多、危险性大。罐区油品的进出、收付非常频繁，由此引发的事故也较多，一旦发生火灾、爆炸等事故，不仅造成经济损失，环境污染，而且还可能引发更大的联锁失火、爆炸等恶性事故，给人们的生命财产带来重大损失，甚至会给社会带来灾难性的后果。因此，为了安全的需要，控制石油储罐区，加强储油罐区的安全监控是十分必要的。针对储油罐区的安全监控，本文主要介绍了国内外储油罐区安全监控系统的研究成果和研究动向；对储油罐区的液位、压力、温度、泄漏等重要参数的实时检测、控制；对储油罐区火灾自动探测、报警、灭火系统的设计；对储油罐区防雷防静电技术的研究。本文介绍的内容有一定的实用价值，可供储油罐区建立安全监控系统时参考。关键词：储油罐区安全监控；光纤传感器；消防监控系统。Tank area safety monitoring system Abstract: Along with the development of petrochemical industries, as well as national oil strategic reserve library projects, oil tank is gradually to large-scale development. In 1962, the United States first established a 10 104m3 floating roof tank; in 1967, in Venezuela, built a 15 104m3 floating roof tank; Japan in 1971 and built a 16 104m3 floating roof tank; Saudi Arabia has successfully built a 20 104m3 floating roof tank. The worlds single-tank capacity of up to 240,000 m3. China in 1985 imported from Japan 100,000 m3 floating roof tank design and construction technology, more than ten years later the construction of 100,000 m3 Tank Tatsu large more than 20 Units. Now 100,000 m3 of storage tanks is not uncommon, and so enormous tank fire explosion, the consequences are unimaginable. For example: Huangdao depot eight 12 major fire accidents, causing direct economic losses of 35.4 million yuan, 600 tons of crude oil entering the sea, so near the sea and coastal pollution to a certain extent. Tank farm is a major industrial hazards, quantity many, high-risk. Oil tank access, collection and payment is very frequent, resulting in a lot of accidents, in the event of fire, explosion and other accidents, not only cause economic loss, environmental pollution, but also may lead to greater interlocking fire, explosion, etc. fatal accidents, to peoples lives and property brought about by heavy losses, and even bring about catastrophic consequences. Therefore, necessary for safety, control of oil storage tank area, to strengthen the security monitoring tanks are very necessary. Storage tanks for the security surveillance, this paper introduce domestic and foreign oil tank area safety monitoring system of research results and research trends; the level of the oil tank area, pressure, temperature, leakage and other important parameters of real-time detection, control; on the oil tank area of automatic fire detection, alarm, fire extinguishing systems; on the oil tank area To prevent lightning and electrostatic discharge technological research and development. This article describes the contents of a certain degree of practical value for the oil tank area set up safety monitoring systems. Keywords: storage tank areas; security; parameter monitoring; fire monitoring; To prevent lightning and electrostatic discharge1 绪论 1.1 课题的研究背景及意义长期以来，油罐区的安全问题未得到应有的重视，油罐区的重特大事故时有发生，造成了巨大的人身伤亡和财产损失。面对新一轮安全事故高发期的到来，血的教训使人们对油罐区的安全问题逐渐重视起来。“油罐区安全监控及防护技术研究”被列为国家“九五”项目，“石油化工储罐区火灾监测与远程灭火联动控制系统研究”被列为公安部项目，所有这些表明，油罐区的安全问题正日益得到重视。储油罐区是油气田安全生产的重要部分，油罐内储存大量油品，具有易燃烧、易挥发、静电放电、受热膨胀、流动扩散等特点，是火灾防范中的重点。目前在石化行业中，国产“储油罐区安全监控系统”还很少，仍然以引进为主，但所引进的系统成套引进的少，局部引进的多，对国外产品的消化吸收工作很不够。另外，随着中国第四大石油开采炼化企业陕西延长石油（集团）有限责任公司（延长油矿管理局）的成立，陕北将会迎来石油石化工业的大发展，储油罐区的安全生产和安全管理形势也更加严峻。所以“储油罐区安全监控系统研究”这一项目具有重要的现实意义和理论价值。储油罐区安全监控系统是软件和硬件监控相结合的安全监控系统，把罐区的诸多参数（如液位、压力、温度、泄漏等）进行实时监测、报警和控制，及时发现事故隐患，并在罐区设置自动消防灭火系统，一旦发生事故，及时将火灾控制住。油罐区安全监控系统是管理软件和硬件监控相结合的安全生产监控系统,即在安全管理的基础上,把罐区诸多危险因素和危险参数给予实时监测、报警和控制,以便及时发现事故隐患,并采取措施加以防范,避免事故的发生。 1.2 安全监控系统的由来及其发展状况安全监控系统是随着安全问题的出现而出现的，随着生产的发展而发展的。古时候，人们从事生产的工具很简单，所使用的能源也很少，所以相对来说发生安全问题及火灾事故的原因比较简单，往往凭经验和直觉就可找出事故发生的原因和防止事故发生以及减少事故损失的方法。随着生产的发展，事故随生产规模扩大而增加，安全问题逐渐被人们重视，保障生产安全的各种技术手段也随之发展起来。安全问题最先是在煤炭生产中随之在石油、化工、冶金等工业部门中被提出来；在检（监）测技术和安全措施未完备之前，安全问题一直是困扰工业生产的重要问题。1.2.1 安全监控系统的产生背景人类防范事故的科学已经历了漫长的岁月，从事后型的“亡羊补牢”到预防型的本质安全；从单因素的就事论事到安全系统工程；工业安全科学理论体系在不断发展和完善。追溯安全科学理论体系的发展轨迹，探讨其发展的规律和趋势，对于系统、完整和前瞻性地认识安全科学理论，以指导现代安全科学实践和事故预防工程具有现实的意义。安全科学理论体系的发展经历了具有代表性的三个阶段：从工业社会到 50 年代主要发展了事故致因理论；50 年代到 80 年代发展了安全系统工程理论；从 90 年代以来，现代安全科学原理初见端倪，目前仍在不断的发展和完善中。从安全管理的发展过程，我们可以看出，安全管理的发展是随着工业生产的发展和人们的安全需求的逐步提高而进行的。初期阶段的安全管理，可以说是纯粹的事后管理，即完全被动地面对事故，无奈地承受事故造成的损失；在积累了一定的经验和教训之后，管理者采用了条例管理的方式，即事故后总结经验教训，制定出一系列的规章制度来约束人的行为，或采取一定的安全技术措施控制系统或设备的状态，避免事故的再发生，这时已经有了事故预防的概念。而安全监控系统的诞生则成为现代化安全管理的重要标志。通过对重要参数的实时监控，及时发现事故隐患、有效采取控制措施，将事故消灭在初期阶段。而且消防系统也采取实时监控、自动灭火系统，使事故得到及时有效的控制。1.2.2 安全监控系统的发展状况在石化炼油企业中，企业均建有大量的各种储罐。企业的生产及管理部门每天都需要掌握罐内存储介质的液位、温度、体积和质量等重要数据，既要保证数据的准确和及时，又要确保储罐的安全，防止意外事故的发生。由于我国具体的国情，长期以来对罐区的管理主要是靠人工进行，并没有形成真正意义上的“监控系统”。最初只是靠有经验的工人利用油尺通过对各油罐的液位高度进行测量(即通常所讲的“人工检尺”)的方法来对油罐进行监视。该方法原始而又繁琐，人为因素影响大，精度低。危险区中的有害有毒气体对操作工的身体造成很大的危害，而且在气候恶劣的条件下，操作工在油罐上爬上爬下很不安全。为了提高对储罐参数测量的精度以及保护工人的身体健康，减轻工人的劳动强度，到了90年代初，各油罐上基本都装备了能够对液位进行自动测量的仪表。该仪表一般由一次仪表和二次仪表两部分组成。位于现场的一次仪表采集各油罐的液位参数并通过统一的模拟信号如4一20mA的直流电流信号或某种专用的通讯协议送往集中控制室的二次仪表。此时操作人员就可以坐在控制室里通过二次仪表纵观各油罐的状况了。但通过这些二次仪表仅仅能够对储罐参数进行“监视”而无法实施控制，因此具体的控制工作仍需人工进行。随着生产规模的不断扩大，罐区的规模也越来越大，油品的种类也不断增加。管理人员按照由生产部门所制定的生产计划和常年积累下来的经验对罐区进行监视与控制的管理方式越来越显示出其在实时性、准确性、合理性方面的不足。同时，由于炼油装置的自动化水平的不断提高对罐区的管理也提出了更高的要求，因此管理人员的责任和压力也不断增加，这对生产的安全是很不利的。1基于光纤传感的油品罐区监控系统的研究，孟凡华，武汉理工大学硕士学位论文，2006，51815年，当时工业发达的英国发明了第一项安全仪器安全灯，它是利用瓦斯在灯焰周围燃烧，根据火焰高度来测量瓦斯含量的简单仪器。由于它构造简单、性能可靠、使用寿命长，一百多年来一直被沿用下来，至今仍在许多国家使用。随后，由于基础科学的发展和科学技术进步，在石油、化工、制药、冶金、煤炭等工业生产中，陆续出现了利用光学原理、热导原理、热催化原理、热电效应、弹性形变、半导体、器件、气敏元件等多种工作原理和不同性能的各类检测仪器，对影响生产安全的各种因素实现了不同程度的监测，并逐渐形成了不同种类的检（监）测仪器仪表。20世纪50年代之后，由于电子通讯和自动化技术的发展，出现了能够把工业生产过程中不同部位的测量信息远距离传输并集中监视、集中控制和报警的生产控制装置，初步实现了由“间断”、“就地”检测到“连续”、“远地”检测的飞跃，由单体检测仪表发展到监测系统。早期的监测系统，其监测功能少、精度低、可靠性差、信息传递速度满。20世纪80年代以来，电子技术和微电子技术的发展，特别是计算机技术的应用，实现了化工生产过程控制最优化和管理调度自动化相结合的分级计算机控制，检测仪器仪表和监测系统，无论其功能、可靠性和实用性都产生了重大的飞跃，使安全监测技术与现代化的生产过程控制紧密地联系在一起。目前，大型化工企业中的安全监测系统，已可使检（监）测的模拟量和开关量达上千个，巡检周期短，能同时完成信号的自动处理、记录、报警、联锁动作、打印、计算等；监测参数除可燃气体成分（如H2、CO等）、浓度、可燃粉尘浓度、可燃液体泄漏量之外，还有温度、压力、压差、风速、火灾特征（烟、温度、光）等环境参数和生产过程参数。由于可以从连续监测数据、屏幕显示图形和经过数据处理得到各种图表，及时掌握整个化工生产过程的过程参数、环境参数和生产机械的状态，就保证了生产的连续与均衡、减少停顿和阻塞，防止重大事故发生。同时，由于及时掌握生产设备和机械的工作状态，可以分析设备的配置情况和利用率，发现生产薄弱环节，改善管理，提高生产效率。改革开放以来，我国的工业生产发展很快，国家十分重视安全，在安全仪表的研究和生产制造方面投入了很大的力量，是安全仪表生产具备了相当的规模，形成了以北京、抚顺、重庆、西安、常州、上海等为中心的生产基地，可以生产多种型号环境参数、工业过程参数及安全参数的监测、遥测仪器。此外，具有国外20世纪90年代水平的安全监测系统已开始装备我国的石油、化工、煤矿等工业部门；安全监测、报警及联锁控制装置等，也在我国自行设计的石化生产设备中获得了应用，这标志着我国安全监测仪器的研制和装备进入了新的水平。但必须指出，我国安全监测传感器目前种类较少，质量不稳定；监测数据处理、计算机应用与国外一些发达国家有一定差距，这些都需要在今后重点解决。 目前，在我国的大型石化企业中，如扬子乙烯工程、齐鲁乙烯工程等，大量装备使用各种安全监测仪表。装备和使用先进的安全监测系统，使生产事故率极大的下降，促进了生产发展，获得了很大的经济效益。因此，安全监测技术与石化生产过程控制的密切配合，是我国石化生产的发展方向，是防火防爆、预防重大火灾及爆炸事故发生的重要环节。1.3 安全监控系统形势分析1.3.1 国内外储油罐区安全监控系统的研究成果和研究动向随着石油化工工业的发展，石化企业开始建造大型的储油罐，由于罐区火灾爆炸事故的危害极大，使得国内外的石油化工企业对储油罐区重要参数的监测要求越来越高，不但要求操作简单、精度高，还要求在恶劣的环境下具有持续传感的能力，并具有数字化输出、报警和实时监控等功能。1）国内现状在我国石油化工部门，对油品和化工产品等易燃易爆液体类物质的储存、检测和安全管理一直是个难题。长期以来，大多企业是采用人工对其进行检测和管理，劳动强度大，又有危险性，储罐爆炸事件和人员伤亡事故时有发生6，【6】油罐漏油检测系统，刘彬，北京工业大学理学硕士学位论文，2007，5随着我国石油化工工业和计算机技术的发展，石化企业对罐区参数的测量逐渐由人工转变为计算机控制，但是并没有形成完整的计算机监控系统。而且各种测量仪表仍然使用电动仪表，电动仪表是以电为能源，信号之间联系比较方便，适宜于远距离传送和集中恐慌子，也可以做到防火、防爆，但是电动仪表一般结构较为复杂，易受温度、湿度、电磁场、放射性等环境影响，这严重影响了计算机监控系统的有效性。由于光纤传感器的传输信号是光，因此具有本质防爆特性，并具有体积小、精度高、耐腐蚀、抗电磁干扰强、可传距离远以及操作简单、使用寿命长等一系列优点，特别是能在极端恶劣危险的环境中工作，将其应用于油罐区安全监控系统具有不可替代的作用。基于光纤的诸多优点，上世纪九十年代初期，清华大学、重庆大学、武汉理工大学等在国内率先开展传感光纤的研究。通过十多年的研究和开发，光纤传感技术已得到快速的发展，由于光纤可用于位移、应力、应变或温度等物理量的传感测量，具有较高的灵敏度和测量范围，适用于高温、高压和危险性环境等，可靠性高等优点，光纤传感技术已经应用于液位、温度等参数的探测。在我国，光纤传感技术的产业化已经给石油、化工工业的自动化计量和安全检测技术带来重大变革。大大提高了冶金、化工、建材等行业高温测量的自动化检测水平；为电力系统高压设备参数测量和安全监测提供新的手段；为特大型工程的长期安全运行提供全新可靠的监测方法；还将带动和兴起一批为之配套的加工工业和新型敏感材料、特种光纤等新材料工业的发展。其中光纤高温测量仪、光纤液位传感器、光纤阀位回讯器5王绍理、魏访、吕俊杰。光纤原理与技术，科学出版社，2005三大系列产品的生产技术已达到使用化程度。目前国内应用于石油产业最广泛的还是光纤液位传感器，可以测量储罐中石油液面的高度。2）国外现状由于国外的计算机技术较我国要发达，这些国家已经形成较为完整的计算机监控系统 ，可以对油罐进行实时监控。而且国外光纤传感技术的应用要比我国早一些，自从1978年发明的在光纤中形成光致布拉格光栅以来，光纤光栅在光纤通信和传感中已经大量应用。美国、意大利、英国、德国等国家的学者通过长期的研究，将光纤光栅传感技术广泛应用于桥梁建筑、航天航空、石油探测储量上7。【7】王化祥。传感器原理及应用，天津大学出版社，2002，一些国家已将光纤高温测量仪、光纤液位传感器等应用于计算机监控系统中，从而提高了安全监控系统的有效性。1.4 论文的主要内容 本文研究的核心问题是为石油石化企业储油罐区安全提供整体的解决方案。首先通过对与安全监控系统相关的内容做了详细的介绍，主要介绍了光纤传感技术在安全监控系统中的应用；然后在对安全监控系统了解的基础上对储油罐区的安全监控系统进行构建和运行；最后对罐区进行消防监控系统的设计，使罐区的安全得到有效的改善。论文结构安排如下：第一章 绪论 主要介绍课题研究的背景与意义，安全监控系统的由来及其发展状况，以及国内外储油罐区安全监控系统的研究成果和研究动向。第二章 主要介绍光纤传感技术的发展，了解光纤液位计、光纤压力计、光纤光栅温度传感器等的工作原理。第三章 联合站储油罐区安全监控系统初步方案设计，对监控系统进行了简要介绍，并说明了系统的设计原则和系统能够实现的功能。第四章 介绍张天渠联合站储油罐区的工艺流程，初步确定I/O的数目和类型并进行硬件选型，根据需要监测的参数类型，选择合适的光纤传感器；设计光纤传感安全监测系统，利用光纤液位计、光纤压力计、光纤光栅温度传感器等组成光纤传感安全监测系统。第五章 利用组态王6.5编写监控软件、绘制监控画面，包括工况图、工艺流程图、实时参数画面、实时曲线、历史数据画面、历史曲线、报警参数与报警图、报表画面；并对系统进行调试，研究系统在实际应用中可能存在的问题，并提出解决方案。第六章 总结2 光纤传感器简介光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的、其它载体和媒质难以比拟的优点，如灵敏度高，抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好，防爆，光路有可挠曲性，便于构成分布式监控网络，便于与计算机联接，结构简单，体积小，重量轻，耗电少等。目前，光纤传感器技术发展的主要方向是:1)多用途。即一种光纤传感器不仅只针对一种物理量，要能对多种物理量进行同时测量。2)提高分布式传感器的空间分辨率、灵敏度，降低其成本，设计复杂的传感器网络工程。3)新型传感材料和传感技术的开发。4)在恶劣条件下(高温、高压、化学腐蚀)低成本传感器(支架、连接、安装)的开发和应用。5)光纤连接器及与其他微技术(微机械、微流态学、喷镀薄膜等)结合的微光学技术1。2.1 光纤传感器的基本工作原理及分类光纤传感器主要由光源、传输光纤及光检测等部分组成，其基本原理是将光源的光经光纤送入调制区，在调制区内，外界被测参数与进入调制区的光相互作用，使其光学性质如光的强度、波长(颜色)、频率、相位、偏振态等发生变化成为被调制的信号光，再经光纤送入光探测器，并把光信号转换成电信号而获得被测参数，如图2一1所示。图2-1 光纤传感器基本工作原理示意图目前研究的光纤传感器按其传感原理分为两类1:一类是传光型(或称非功能型)光纤传感器，另一类是传感型(或称功能型)光纤传感器。在传光型光纤传感器中，光纤仅作为传播光的介质，对外界信息的“感觉”功能是依靠其它物理性质的功能元件来完成的。传感器中的光纤是不连续的，其间有中断，中断的部分要接上其它介质的敏感元件作为调制器，调制器可能是光谱变化的敏感元件或其它敏感元件，光纤在传感器中仅起传光的作用。传感型光纤传感器是利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤(或特殊光纤)作为传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。在这类传感器中，光纤不仅起传光的作用，而且还利用光纤在外界因素作用下，其光学特性(如光强、相位、偏振态等)的变化来实现传和感的功能，因此，传感器中的光纤是连续的。一般来说，传光型传感器主要是利用已有的其它传感技术，它的敏感元件是用别的材料，这样可以充分利用现存的优质敏感元件来提高传感器的灵敏度。而传光用的介质一光纤仅起传光作用，所以采用通信光纤甚至普通的多模光纤就能满足要求。在已经实际运用的光纤传感器中，此类光纤传感器占大多数。功能型光纤传感器在结构上比传光型光纤传感器简单，因为光纤是连续的，可以少一些光耦合器件。但为了实现对光纤外界物理量的变化，往往需要采用特殊光纤来作探头，这样就增加了传感器制造的难度。随着对光纤传感器基本原理越来越深入的研究，随着各种特殊光纤的大量问世，高灵敏度的功能型光纤传感器必将得到更广泛的应用。2.2 光纤传感器的特点1、光纤传感器不受雷电和电磁场的干扰；由于光纤传感器是利用光波传输信息，当光信息在光纤中传输时，不会与电磁场产生作用，因而，信息在传输过程中抗电磁干扰能力很强，也不会影响到外界的电磁场。这使它在各种大型机电、石油化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆等环境中能方便有效地传感。2、光纤传感器具有本质安全的特性，系统不带电、不引雷、无电流、无电压、无热源；3、测量精度高、响应快，其分辨率为：液位1mm；温度0.2。全量程误差：液位2mm，温度0.3；4、电绝缘性和化学稳定性；光纤是非金属材料，不导电，其外层涂敷材料硅胶亦不导电，因而光纤的绝缘性能好。由于光纤是由无机玻璃等制成，其化学性质非常稳定。5、光纤导光性能好，且耐高温；光纤是由无机玻璃、高硅玻璃材料制成，其最低软化点至少是600，且折射率随温度变化大约只有0.0001/，可在250500的范围内工作，由于光纤外层的材料耐热性能决定了它工作温度的极限，因此可以在高温下测量。特别是对传输距离较短的光纤传感器，其传输损耗可忽略不计，利用这一特性制成了在锅炉外即可对炉内燃烧的高温火焰状态进行监测。1基于光纤传感的油品罐区监控系统的研究，孟凡华，武汉理工大学硕士学位论文，2006，5。6、防爆、耐腐蚀，适用于火险高危的环境由于光纤内部传输的是能量很小的光信息，不会产生火花、高温、漏电等不安全因素，所以光纤传感器的安全性能好，另外光纤为非金属材料，耐腐蚀。因此特别适用于易燃、易爆、有强烈腐蚀性对象的测量1。7、重量轻、体积小、外形可变；光纤可以做成非常小巧的传感器，用来对不规则振动状态下某些对象参数的测量1。光纤除具有重量轻、体积小的特点外，还有可绕的优点，因此利用光纤可制成外形各异、尺寸不同的各种光纤传感器。这有利于航空航天以及狭窄空间的应用2。武汉理工大学硕士学位论文，光纤传感安全监测系统，陈逢春，2004，58、非接触、非破坏测量，对被测对象或系统无干扰；由于光纤传感是通过光的反射、投射式衍射等方式被调制而获得所需信息的，因而不会产生破坏性。 9、便于实现远程信息化管理。此外光纤损耗小、频带宽 , 具有高的数据传输率 , 并且具有几何形状灵活 , 易于远距离监控和多功能传感等优点 ,使得它在地质探矿、石油勘探、地震波检测、军事制导等领域有着极为重要的应用。由于光纤具有这些优点，人们开始在各个行业应用光纤传感器。目前在石化企业应用最广泛的是光纤液位计、光纤光栅温度计，应用光纤传感器对现场参数进行测量，具有设计简单、稳定可靠、易于用电路和计算机处理所获得的测量数据等优点，因此使用光纤传感器对储油罐区的危险参数进行测量是理想方案。2.3 几种常见的光纤传感器简介2.3.1 光纤液位计在油品罐区的生产和安全管理过程中，对油罐液位进行监测是十分必要的，它对进油和付油过程的控制起关键作用。光线液位计【30】集光、机、电于一体，完成液位测量。它可以直接将光信号转化为数字信号，并在仪表中显示出当前测量的液位值，当液位值不在正常范围之内时，仪表将自动报警，同时还可通过RS232输出信号给计算机等其他设备。光纤液位计分常压型与带压型两种，它们都是利用力平衡原理实现液位的检测。所不同的是常压型是由钢线绳直接与浮球相连，而带压型是通过磁力祸合系统带动磁锤上下运动，机械检测系统与光学编码室完全隔离。下面重点介绍带压型的工作原理。 图2-2 光纤液位计原理框图（3图截自油罐区的光纤安全监测系统探讨，湖北安全生产信息网，文静，2008 7 31）工作原理：光纤液位计是利用光脉冲调制原理研制的一种传光型传感器，系统由测量单元（包括浮球、钢丝绳、重锤、导向轮、绳轮、磁力耦合器等机械检测部分）、光纤传感器、光电变送器、二次仪表、电源和计算机以及光缆组成，其工作原理如图所示。当被测介质液面变化时，测量浮球1上下移动，测量钢丝绳带动光纤传感器内的光码盘转动，同时光纤传感器内两组光学探头输出两组光脉冲信号，经光缆传输到光电变送器，光电变送器将该两组带有液位变化信息的光脉冲信号转变为电脉冲信号，并进行放大整形，传送给二次仪表，经二次仪表判向与计数后，显示出储罐内液位值，同时输出信号给计算机，实现罐区液位自动监测3。整套系统由五部分组成。磁力祸合检测系统和光纤传感器两部分安装在易燃易爆的工作现场，光电转换系统、二次仪表和计算机系统安装在安全的控制室内。现场和控制室之间液位信息的传递由光缆连接，做到了罐区无电检测、本质安全防爆1。2、主要技术指标： 测量范围：015m； 测量准确度：2mm； 灵敏度：1mm； 最大可传输距离：5km。 2.3.2 光纤光栅温度传感器1、工作原理：光纤光栅温度传感器工作原理如图2-3所示【35】，它由感温探头、连接光缆、传输光缆、光纤光栅调制解调器和二次仪表等组成，感温探头的数量可以根据使用要求的不同而确定，多个串接而成;光纤光栅调制解调器和二次仪表安装在控制室内，使用现场和控制室之间采用单芯单模光缆进行信号传输。光纤光栅温度传感器工作时，光源发出的连续宽带光，经传输光缆传送到测量现场，感温探头内测量光栅对该宽带光有选择性地反射回一窄带光，经同一传输光缆传送到调制解调器，通过接收系统进行解调，测定窄带光的中心波长，从而测定现场温度。当现场温度稳定不变时，系统返回的窄带光中心波长也不变;当现场温度发生变化时，系统返回的窄带光中心波长发生相应的变化，系统通过二次仪表准确地显示出测量温度。由于光纤光栅温度传感器采用光信号进行测量和传输，现场实现了无电检测，本质安全防爆。同时由于该系统采用光栅技术，检测信号以光信号中心波长为对象，克服了传统光传感器依赖光强大小的缺陷，实现了数字化检测，可靠性好，灵敏度高，因此适用于各种恶劣环境下的温度测量，可广泛应用于石油、化工、冶金、电力、煤炭等行业，是传统温度测量仪表的理想替代产品。图2-3 光纤光栅温度传感器工作原理2、FBGT系列表面式光纤光栅温度传感器主要参数：测量范围：-50+150（可定制量程）； 测量精度：0.5； 分辨率：0.1； 外观尺寸：30mm5mm2mm(可定制其他尺寸)；远传距离：5km；安装方式：粘贴或捆绑2.3.3 光纤负压报警器光纤压力报警器由光纤压力传感器和光电转换器组成，其工作原理见图示。1、工作原理：光纤压力传感器放在现场，通过法兰联接，使测量单元直接与罐内气体相通，当罐内气体压力变化，达到报警压力时，将改变光纤探头的回光光强，此一变化经光缆传输到操作室内的光电转换器，转换成电信号并发出声光报警。2、光纤压力报警器的主要技术指标：报警范围：300300Pa,可调； 报警准确度：2. 5级；继电器输出接点容量：1A； 环境温度：4080；相对湿度:95%； 仪表电源：24VDC图2-4 光纤负压报警器工作原理图4新型光纤传感器在油田联合站的研究与应用】赵愚，陈安标，姜德生。武汉理工大学学报，2002，5当今社会已进入了以光纤通信技术为主要特性的信息时代，光纤传感技术代表了新一代传感器的发展趋势，光纤传感器产业已被国内外公认为最具有发展前途的高新技术产业，它以其技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人瞩目，特别是在一些易燃、易爆、易腐蚀等场合如石油、化工等行业的广泛应用受到人们的极大关注1。2.3.4 光纤气体传感器【基于甲烷气体的近红外吸收光谱,研究了一种高灵敏度光谱吸收型光纤甲烷气体传感器.采用DFB LD作为光源,通过光源调制实现气体浓度的谐波检测,利用二次谐波与一次谐波的比值来消除由光源的不稳定和变化所引起的检测误差.建立了谐波检测的数学模型,给出了甲烷气体的测量结果。基于谐波检测技术的光纤甲烷气体传感器的研究 王玉田 刘瑾 张景超 杨海马 燕山大学 电气工程学院甲烷是一种易燃易爆气体，是沼气、天然气和多种液体燃料的主要成分。其在大气中的爆炸下限为4.9%，上限为15.4%】。储油罐由于腐蚀泄漏，或在收付过程中容易导致挥发的石油气泄漏，容易引起火灾爆炸事故，因此实时监测甲烷气体的浓度、防止爆炸，对于罐区安全运行、人身安全有着至关重要的作用（自己写的）。【应用介质对光吸收而使光产生衰减这一特性的吸收型光纤气体传感器具有传输功率损耗小，传输信息容量大，抗电磁干扰能力强，且耐高温、高压、腐蚀，绝缘、阻燃、防爆，易于实现远距离实时遥测和良好的气体选择性等特点。光纤甲烷气体传感器的研究 王书涛 车仁生（哈尔滨工业大学） 王玉田 张洁 张景超 燕山大学 2006 10 仪器仪表学报】【甲烷的燃点只有63左右，当它在空气中的含量为5%15%时，遇到明火就会发生爆炸。如果此时的甲烷含量为9.5%，爆炸就最猛烈。油气泄漏引发的爆炸事故在石化行业中造成了极大的危害，为了保证罐区安全及人身安全，首先要提高甲烷浓度的检测质量。光纤甲烷气体传感器 郭伟青 王智 李欣蓓 北京交通大学 2006 12 18 红外报】【光谱吸收式光纤气体传感器是基于分子振动和转动吸收谱与光源发光光谱间的光谱一致性。光通过某种介质时，光电磁波会与介质的分子、原子相作用使得光被吸收和散射而产生衰减，由于气体分子对光的散射很徽弱，远小于可燃气体的吸收光能，故可以忽略。通过测定气体吸收特定波长光的程度，从而求出气体浓度。如图1一2所示:设一束波长为入，光强为几的单色平行光射向可燃和空气混合的被测气体时，气室中的样品在入处具有吸收线或吸收带，光被吸收和散射一部分后透射过去。图2-5 光纤气体传感器原理框图5光纤乙炔气体传感器的研究 燕山大学工学硕士学位论文 王杰 2001 3】 2.3.5 光纤液位报警器1、工作原理：光纤液位报警器是利用光的折射和反射原理实现液位定点监测。其工作原理如下图所示。在监测系统中作为液位高位报警，起双重保护作用。图2-6 光纤液位报警器原理框图其主要结构由光纤探头、机械密封层、光电转换器和防爆接线盒等组成。这种液位报警器由于利用光纤对液位信号进行检测，可实现现场无电检测；结构新颖、灵敏度高且便于使用。 2、CYB-4型光纤液位报警器的主要参数： 适用介质：各种油品； 响应时间：0.5sec； 工作温度：-3080； 介质工作压力：2.4MPa； 报警控制精度：1.0mm； 报警信号：声/光/电 2.3.6 光纤光栅火灾报警器光纤光栅感温火灾探测系统主要由光纤光栅感温火灾探测器和光纤光栅火灾探测信号处理器组成。光纤光栅感温火灾探测器由感温传感器探头、连接光缆、光缆连接器、传输光缆等部分组成，安装在现场。光纤光栅火灾探测信号处理器由调制解调器、信号转换处理电路和报警显示电路组成，安装在控制室。1、 工作原理：光纤光栅火灾报警器的工作原理如下图所示，将多个温度特性完全相同的光纤光栅串接在一根光纤中。宽带光源所发出的光藕合进光纤，通过Y形光分路器入射到用光纤串接的全同光纤光栅中，全同光纤光栅回选择性地反射一窄带光，窄带光的中心波长为全同光纤光栅的布拉格波长。窄带反射光经Y形光分路器的另一分路端口进入可调滤波器。可调滤波器的滤波波长按报警器要求设置为一定值。在正常状态下，全同光纤光栅反射光的布拉格波长小于可调滤波器所设置的滤波波长，可调滤波器的滤波输出端口无光输出；当全同光纤光栅中任何一个光纤光栅所处的环境温度升高，这一光纤光栅的布拉格波长将向长波方向移动，当环境温度达到所设置的报警值时，此处光纤光栅的布拉格波长将与可调滤波器的滤波波长重合，可调滤波器的滤波输出端口有光输出，光探测器探测到光信号从而触发声光报警装置。通过自动或手动扫描可调滤波器的滤波波长，即可对探测区域内的最高温度进行监测。图2-6 光纤光栅感温火灾报警器原理框图2、TGW-100系列光纤光栅感温火灾探测器的主要参数： 温度测量范围：095（B型）； 报警设定温度：5095（A型固定、B型可调）； 测量精度：5； 响应时间：20s； 传输距离：10km 由于光纤光栅火灾探测系统是一种新型的温度监测报警系统，它是通过光缆传输信号，使现场实现了无电检测，因此具有本质防爆和检测灵敏的优点，可广泛用于石油、天然气、化工、能源、仓储等行业中，以及一些易燃易爆等特殊场合中的高温和火灾报警。2.4 本章小结由于光纤传感器具有独特的性能，从根本上解决了困扰大中型油库的安全、生产管理中的监测问题。现已广泛应用于石油、化工等行业易燃、易爆油料储罐的安全检测，是我国重点推广的高新技术产品。由于油库液位、温度、压力自动检测的实现，使得油库安全监测系统的实现成为可能。在本章中主要介绍了光纤传感器的基本原理及分类，光纤传感器的特点，几种常见的光纤传感器的工作原理。通过本章的介绍，对光纤传感器有了一个基本的了解，便于在本次设计中应用光纤传感器进行探测。3、张天渠联合站储油罐区安全监控系统初步方案设计3.1 系统简介整个系统的组成如下图所示,它由3部分组成:基于研华工控机的监控部分,该部分主要包括监控画面、报警系统和报表系统等；以二次仪表为主,加上光电转换器、感温火灾信号处理器构成的监测台；由光纤液位传感器、光纤温度传感器、光纤压力传感器和光纤气体传感器构成的数据采集部分。系统流程为：首先在数据采集部分，通过光纤传感器，将被测对象的参量变化转换为光脉冲信号，并通过光纤传送给光电转换器；其次在监测台，光电转换器将光脉冲信号转换为电脉冲信号，并进行放大整形，传给二次仪表，二次仪表对光电转换器输出的电脉冲信号进行线性化处理，并进行仪表的量程、灵敏度等调节，以数字形式显示被测参量；最后二次仪表采用串行通讯方式(RS232和RS485)同监测系统采集机相连，监测系统采集机应用组态王6.5对二次仪表传送过来的信息进行处理，并实现对被监测参量的显示、报警、计量、报表处理等功能，从而实现对被测参量的自动监测。图3-1 储油罐区安全监控系统的示意图3.2系统设计原则先进性：系统需在了解国内外发展动态，吸收其经验和成果的基础上进行方案的设计，使系统的技术性能和水平具有明显的先进性。适应性：软件采用模块化设计，整个系统由各种不同模块组成，用户可根据需要进行功能的删除和扩展。可靠性：系统运行安全可靠，性能稳定，可以在恶劣环境长期连续工作。通用性：在设计时，应充分考虑其应用对象的共性，使系统具有较强的通用性，可以在油罐区推广应用。相容性：系统应能携挂不同类型的传感器，能够测量多种参数。扩展性：系统的设计容量要足够大，满足系统今后的扩充需要。经济性：系统的造价经济合理，性能价格比高。操作维护方便性：在软件方面，要求人机界面友好，操作简便，易学易懂；在硬件方面，要求维护检修方便。3.3 系统的主要功能（1）对油罐安全检测数据进行实时采集，能够将储罐的液位、温度、压力等参数集中实时采集到控制室的工控计算机上，进行数据处理。（2）可以实时地显示所采集的数据。（3）可以显示罐区分布图的画面，画面上的数据(如液位、温度、压力等)按数据采样周期更新。（4）能显示主要数据的历史趋势曲线，可以将数天前的历史记录从硬盘调出。（5）能显示主要数据的实时曲线，曲线随采样周期更新。（6）能对报警信息及时提示，并以文件的形式记录下来，便于查询报警信息。（7）可随时打印当前或历史数据报表。 3.3 本章小结在本章中主要对张天渠联合站储油罐区安全监控系统进行了初步方案设计，对整个监控系统进行了简要介绍，并指出了监控系统的设计原则，以及系统可以实现的功能。4 联合站储油罐区安全监控系统硬件的设计4.1 联合站储油罐区工艺流程简介与监控内容4.1.1工艺流程简介在石油生产工艺过程中，联合站是油田原油集输生产中最重要的过程，它是集油水分离、污水处理、原油及天然气集输等多个工艺系统为一体的综合性生产过程.张天渠联合站位于陕北定边县，隶属于定边钻采公司东仁沟采油队，该联合站的油气水集输、分脱和污水处理回注系统，从设计到建设均达到了国内油田行业标准，部分设备在国内处于领先水平。张天渠联合站的主要设备有沉降罐、净化罐、收球筒、量油分离器、缓冲罐、污油箱、换热器、过滤器、以及不同型号的输油泵。站内的原油流程主要是：从各个油井和增压点的来油首先进入双容积量油分离器，进行来油计量，计量后的原油经过进一步的沉降净化后往其他集油站外输或者进行装车外输。张天渠联合站的两幅工艺流程图分别参见图4-1和图4-2。图4-1 联合站工艺流程图1图4-2 联合站工艺流程图 2注释：罐-1为净化油罐，罐-2为700m3溢流沉降罐，罐-3为500 m3的溢流沉降罐，分-1为分离缓冲罐，分-2为气液分离器，容-1为双容积量油分离器，容-2为快开式电加热收球筒，箱-1为污油箱，换-1为TR60-2.5的来液换热器，换-2为TR25-2.5的来液换热器，换-3为TR2-1.6的单量换热器，泵-1为装车泵，泵-2为净化油外输泵，泵-3为含水油外输泵，泵-5为齿轮卸油泵。原油的生产流程如下：图4-3 原油的生产流程图在此流程中，来油的计量是通过双容积量油分离器来完成的。该设备主要由上下两个容器组成，上面的容器起到来油缓冲的作用，下面的容器则是一个容积已知的容器，它的主要作用就是进行来油计量。当下面的计量容器中的原油达到上限时，原油从计量容器中输出；输出完毕时，原油再从缓冲容器输入到计量容器。双容积量油分离器就是通过这种循环的方式来完成原油的计量。(2) 站内吹扫流程(3) 站内循环流程(4) 站外吹扫流程4.1.2 监控内容及功能本文主要是针对罐区进行安全监控系统设计，所以要监测罐区的液位、压力、温度，为了防止油罐发生泄漏，还要对罐区进行气体浓度的监测。(1) 内容：监测罐区共16点气体浓度。监测分离缓冲罐、两个净化罐、三个沉降罐、两个装车泵及四个外输泵的前后压力。监测