分布式光纤测温技术在煤矿中的应用.pdf

第 4期 2 0 1 2年 4月 工矿 自 动化 I n du s t r y a nd Mi n e Aut o ma t i on No ． 4 Ap r ．2 0 1 2 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 2 0 4 0 0 0 5 0 4 分布式光纤测温技术在煤矿中的应用 于 厌 中煤 科工 集 团重 庆研 究 院 ， 重 庆4 0 0 0 3 9 摘 要 介 绍 了分布 式光 纤测 温原理 ， 重 点分析 了分布 式光 纤测 温 系统在煤 矿 带式输送 机 、 输 电电缆 、 电气 设 备和 采 空 区火灾防 治 中的应 用及 具体 的 实施 。工业性 试验表 明， 该分 布式 光纤测 温 系统能 准确 、 快 速地 对 温度进 行监 测和预 警 ， 测温误 差 为1℃ ， 定位精 度 为 1 m， 响应 时 间为 2 0 S 。 关键词 矿 井 火灾 ；煤 自燃 ；光纤测 温 ；火灾预 警 中 图分 类号 T D7 5 2 文献标 识码 A 网络 出版时 间 2 0 1 2 0 4 0 5 1 0 0 7 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ w ww． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 2 0 4 0 5 ． 1 0 0 7 ． 0 0 2 ． h t ml Ap pl i c a t i o n o f Di s t r i b u t e d Fi b e r Te mp e r a t u r e M e a s u r e me n t Te c h n o l o gy i n Co a l Mi n e YU Qi n g Cho ng q i n g Re s e a r c h I n s t i t ut e o f CCTEG ． ，Cho ng q i ng 4 0 0 0 39，Chi n a Ab s t r a c t The p r i nc i pl e o f d i s t r i bu t e d f i b e r t e m p e r a t u r e me a s ur e m e n t wa s i n t r od u c e d， a ppl i c a t i o n a n d i mp l e m e nt a t i o n of d i s t r i bu t e d f i b e r t e mpe r a t ur e m e a s u r e me n t s y s t e m i n c o a l be l t c o nv e yo r ， po we r t r a n s m i s s i on c a bl e s， e l e c t r i c a l e q u i pme n t s a n d f i r e p r e v e n t i o n f o r g o a l we r e ma i nl y a n a l y z e d． The i n du s t r i a l t e s t s ho we d t ha t t h e s y s t e m c a n mon i t o r t e m p e r a t u r e a c c u r a t e l y a nd wa r n o p po r t un e l y，a n d t he me a s u r e me n t e r r o r i s 1℃ ，t h e p o s i t i o n i n g a c c u r a c y i s 1 m，t h e r e s p o n s e t i me i s 2 0 S ． Ke y wo r d s m i n e f i r e ，c oa l s p o nt a ne ou s c o mbus t i on，f i b e r t e mpe r a t u r e me a s u r e me nt ，f i r e wa r ni n g 0 引 言 矿井 火 灾 一 直是 我 国煤 矿 的 主要 灾 害之 一 ， 国 家对 其 的 防 止 与 治 理 非 常 重 视 ， 煤 矿 安 全 生 产 “ 十二五 ” 规划 也提 出 了要 进一 步加 大火 灾预 防 、 监 测预 警技 术 的 研 究 ， 有 效 防 范 和 消 除 煤 矿 电缆 、 胶 带 、 电气 、 煤 自燃 等火 灾 隐 患 。 目前 ， 对煤 矿 火灾 的 监测 方法 主要 有 电阻率法 、 气体 探测 法 、 红 外探测 法 和 自燃 温度探 测法 等 ， 但 都存在 一定 的弊 端 ， 均 不能 满 足矿井 火灾 预警 的需要 。而 分布式 光纤 测温技 术 集传 感 和传输 技术 于 一 体 ， 可 以实 现 远 距 离 的温 度 监测 ， 并且 适用 于易燃 易爆 、 强 电磁 干扰 的环境 。分 布式光纤温度传感系统是为大范围多点温度测量的 应用 而设 计 的 ， 可 以测 量 长 达数 公 里 甚 至 数 十公 里 的传 感 光纤沿 线 的温 度 场 的分 布 ， 适 用 于 煤矿 带 式 输送机 、 高压 电缆 、 电气设备和采空区等区域的温度 监 测及 火灾 预警 。本文 主要介 绍分 布式 光纤测 温 系 统在煤矿带式输送机 、 输 电电缆和采空 区火灾防治 中的应 用 。 1 分 布式 光纤测 温原 理 分 布式 光纤测 温 的主要 依据是 后 向拉曼散 射效 应 ] 。光 波在 光纤 中传输 时 ， 由 于光 纤 分子 的作 用 会 发 生 散 射 ， 如 瑞 利 R a y l e i g h 散 射 、 布 里 渊 B r i l l o u i n 散 射 和 拉 曼 R a ma n 散 射 等 。其 中， 基 于拉曼散射的分布式温度传感技术是光纤传感技术 中较为 成熟 的一项 技术 。其 测温原 理是 光纤受 外部 环 境 温 度 的 调 制 ， 使 光 纤 中 散 射 的 反 斯 托 克 斯 An t i S t o k e s 和 斯 托 克 斯 S t o k e s 的光 强 发 生 变 化 ， 利 用 An t i S t o k e s 与 S t o k e s光 强 的 比值 解 算 出 收 稿 日期 2 0 1 2 0 2 0 2 基金项 目 国家科技重 大专项课题 2 0 1 1 Z X0 5 0 4 1 0 0 4 作者简介 于庆 1 9 6 8 一 ， 男 ， 江苏金坛人 ， 高级工程 师， 硕 士研究生 ， 现主要从事 矿用安全仪 器仪表及检 测技术 的研 究和开 发工作 。E ma i l y u 2 0 04 1 96 8 y a h o o ． c o rn． c r l 6 工 矿 自动 化 2 0 1 2年 4月 环境 温度 ， 并 结 合光 时 域反 射 定 位 技术 可 以实 现光 纤沿 线温度 场 的分布 式测量 _ 】 ] 。 S t o k e s 光强 为 j T 一J 。 K B v e x p L 一 d 。 a L ] [ 1 一 e x p 一 A y ／ KT 1 An t i S t o k e s光强 为 ， 丁 一J 。 K B e x p L 0 a L ] E e x p h c 5 7 ／ KT 一 1 ] 2 式 中 。为 光 纤 中 的入 射 光 强 ； K 、 K 为 与 光 纤孔 径 等相关 的散 射 系数 ； B为 后 向散 射 系数 ； 1． 1 、 分 别为 S t o k e s 散射 光频 率 和 An t i S t o k e s 散 射 光 频 率 ； a 。 、 a ⋯ 0 ／ 为光在光 纤 中的传 输损 耗 ； L为始 端 的测温 位置 ； A 7为拉 曼频移 波 数 ； h为 普 朗克 常 数 ； K 为波 尔兹曼 常数 ； T为待 测位 置处 的温度 。 由于 光源 功 率 的不 稳 定性 、 光 纤 弯 曲和 受压 等 会 对 An t i S t o k e s 光强 产 生 影 响 ， 把 S t o k e s光 作 为 参 考信 道 ， 式 1 、 式 2 相 比可 以得 到 距 光 纤 始 端 L处 的温度 信息 F T F T一K ／ K ／ e x p h ／ x y ／ KT e x p [ 一 a L ] 3 当 系统 处 于参考 温度 T 。时 F 丁 一K ／ K ／ e x p 一 h Ay ／ KT0 e x p [ L ] 4 式 3 、 式 4 相 除 ， 可 以得到 】 ] K F T ⋯ 一 T II “ 丽 由式 5 就 可 以得 到 分 布光 纤 局 部 区域 处 的 温 度 T。 2 分 布式 光纤测 温技术 在煤 矿 中的应用 分 布 光纤 测 温 技术 已在我 国煤矿 推 广使 用 ， 目 前 主要 以地 面项 目居多 如洗煤 厂 。由于该技 术适 用 性较 好 ， 正 逐步 形成 向井下 应用 的趋势 ， 如井 下带 式输送 机 、 电缆 、 大型机 电设 备等在 线温度 监测 。在 这些 已实施 或正 在实施 的利 用分 布式光 纤测 温技术 进行 煤矿 井下在 线 温度 检 测 项 目中 ， 绝 大多 数 的测 温 主机都 没有按 G B 3 8 3 6 ． 1 2 0 1 0要 求取 得 I类 防 爆认 证 ， 这类项 目的设 计单 位认 为 ， 只要 将测 温 主机 置 于地 面 ， 仅光 纤下 井就是 安全 的 ， 这 种观点 是值 得 商榷 的 。因为分 布式 光纤测 温 主机是 采用激 光器作 为光 源发 生器 ， 激 光是 有 能 量 的 ， 通 常情 况 下 ， 主 机 测量 距离 越长要 求 其 激光 器 输 出能量 越 强 ， 所 以应 考虑 在煤 矿井 下使用 过程 中光纤 损坏 后激 光泄漏 带 来 的不 安 全 因素 。根 据 GB 3 8 3 6 ． 1 2 O 1 0中 6 ． 6 ． 2 的要求 ， 由于分布 式 光 纤测 温 主 机 激 光脉 冲 间隔 小 于 5 S可视 为 连 续 光 源 ， 其 激 光 器 输 出光 功 率 应 小 于 、 等 于 2 0 mW／ mm 或 5 0 mW ， 所 以 只要 是 用 于 煤矿 井下 在线温 度检 测 的分 布式 光纤 测温 主机 都应 依据 GB 3 8 3 6 ． 1 2 O 1 O的要求 进行 I类 防爆认 证 。 2 ． 1 分布 式 光纤测 温技 术在 带式输 送机 中的应 用 采用 分 布式 光 纤 测 温技 术 ， 将 温度 信 号 作 为火 灾早 期检 测 的特征 物 理 量 ， 沿井 下 带 式输 送 机铺 设 光纤 ， 对带 式输送 机 及 各 关键 点 托辊 、 滚筒 类 轴 承 端盖 、 机尾 滚筒 堆煤 、 驱动 电动 机 、 变 速器 等 的温度 和 变化趋 势进行 连续 、 实 时监测 ， 并 能对温 度异 常 区 进行 精确 定位 ， 从 而实 现 对 带式 输 送 机 火 灾 预警 的 目的 。 对 于滚 筒 类 打滑 温 度趋 势 的 检测 预 警方 法 ， 采 用 将测 温光纤 盘在 热盘 上 ， 热 盘沿滚 筒 轴 向布 置 ， 热 盘 间隔距 离 为 6 0 0 mm， 将 其 余 测 温光 纤 穿 过 热 盘 固定支架 的金 属保 护直 管后 ， 将热 盘靠 近滚筒 内侧 ， 通 过空 间热 辐射来 检 测 面 积较 大 的滚 筒 辐射 热 ， 由 温 升趋 势判 断滚筒 是 否 打 滑 产生 摩 擦 升 温 ， 以实 现 各 类滚 筒运 转状态 的检 测 。 对 于 托 辊类 轴 承 的检 测 ， 利用 导热 夹具 将 测 温 光纤 固定在 矿用 带式 输 送 机 上 的 多个 测 温 部 位 ， 夹 具包括一个热传导面， 该热传导面与矿用带式输送 机上 的测温 部位 直接 接触并 将该 处温 度直接 传 导至 测温 光纤 。 对 于驱 动 电动 机 、 变 速箱 及 其 它 电气 设备 的检 测 ， 根据要 求 自定义 关 键 部 位 驱 动 电动机 外 表 面 、 散 热风扇 、 变 速箱表 面 及 其 轴 承类 端 盖 ， 利用 导热 夹 具将测 温光 纤 固定 在 关键 部 位 ， 夹具 热 传 导 面 紧 贴 发热 部位将 该处 热量 直接传 导 至测温 光纤 。整 个 分 布式 光纤 测温 系统结 构如 图 1 所 示 。 图 1 用于监测带式输送 机的分布式光纤测 温系统结构 2 0 1 2年 第 4期 于庆 分布 式光 纤测温技 术在 煤矿 中的应用 7 目前 ， 该 系统 已在 神华 集 团的 布 尔 台煤 矿 进 行 了工 业性试 验 ， 在运行 的 5 个 月 时间里 ， 监测 到温 度 异常 升高 2次 ， 并 做 出 了及 时 的火 灾 预 警 。该 测 温 系统 单通道 的测 温误 差为 1℃ ， 定 位 精 度 为 1 r n ， 在测 温范 围为 6 k m 时 ， 系统 响应 时 间为 2 0 S 。 2 ． 2 分 布式光 纤 测 温技 术 在 高压 电缆 及 电气设 备 中的应 用 随 着煤 矿 井 下 自动 化程 度 的提 高 ， 特 殊性 高 压 电缆 及 电气 设 备 故 障 引起 的煤 矿 次 生 灾 难 越 来 越 多 ， 而在 整个 电缆安 全 防护系统 中 ， 井下 电器安 全保 护系统不全或缺失 、 维修管理不善恰恰是主要原 因。 因此 ， 建 立完善 的高压 电缆 及 电气 设 备 的火 灾监 测 预警系统， 对提高煤矿供 电安全水平 ， 杜绝重大安全 事 故有 极为重 要 的作用 。 2 ． 2 ． 1 电缆 电流在电缆 内传输时会产生热能， 经过热传递 与环境 温度 达到 热平 衡 ， 当输 送 电 流超 过 电缆 额定 载流量 时 ， 就 有 发 生火 灾 的 危 险 。电缆 载 流 量 与表 面温度 的关 系可 以表示 为__ 2 6 式 中 T 为 电缆 线芯 的温度 ； T 为 电缆表 面环 境温度 ； △丁为温差 的介 电损失 ； R 为 电缆 电阻 ； Y为 修正阻抗 ； T 为热传导率 。 根 据 热 流场 的 连续 原 理 和傅 里 叶定 律 ， 热 辐射 场经 电缆各 组成 部 分 时 ， 由于 热 阻将 产 生 温 降 。典 型 的电缆热 辐射 等效 热 路 如 图 2所 示 ， 由 国际 标 准 得到 的载 流量计 算公式 如式 7 所 示 。 r]r]r]r _ ] l 线 芯 导 体 I l 绝 缘 层I l金 属 护 套 I l 铠 装、 加I l 电 阻 损 耗l l介 质 损 耗 I l 电 阻 损 耗 I l 强 层电 阻 I I W fi R l l I l 1 W I l 损 耗 I [ ] _ _ - { 二 蓥 卜 _ [ 二 ] _ [ ] 卜 _ 凄 0． 5 Tl r o 绝热层热 阻 内衬垫层热 阻外护层热 阻 电缆和周围 媒质间热阻 图 2 典型的电缆热辐射等效热路模 型 r 一／ 一丁 一Wd E o ． 5 T 一 T 4 ] ‘ RT R 1 T R 1 1 A 2 T3 T4 7 根 据式 7 ， 由线 芯温度 、 环境 温度 、 各包 层 的热 阻及损 耗 系数可 以得 到 电缆 载流 量 。采 用分 布式 光 纤测 温 系 统 对 高 压 动 力 电缆 进 行 监 测 可 以 保 证 1 运行 电缆 温 度 的 实 时 监 测 ； 2 准 确 定 位 电 缆 事故 位置 ， 并显 示事故 点 的温度 ； 3 通过 辅 助软 件 将所 探测 到 电缆 的表 面温 度转换 成 电缆运 行 的载 流 量， 为确定电缆的最大载流量提供历史依据 ， 并最大 限度地提高动力电缆 的使用寿命 。 具体 实施 方式是 将光 缆敷设 在被 监测 的 电缆表 面 ， 并对 电缆接 头 和 电缆套 管 进 行 重 点监 测 。测 温 系 统能够 实 时 、 连续 地对 电缆 托架 、 电缆 隧道和 电缆 进 行温度 测量 ， 监测 由于高 电流负 载引起 的发热 ， 系 统 带有 准确位 置信 息 的报 警 功能 ， 能够 及 时提 醒操 作 员 降低负 载 电流 ， 更换 坏 的电缆接 头 ， 以保证 电力 设 施安 全运 行和煤 矿安 全生产 。 2 ． 2 ． 2母线 在变电所中各级电压配电装置的连接以及变压 器等电气设备和相应配 电装置的连接 ， 大都采用矩 形 或 圆形截 面 的裸 导 线 或 绞线 ， 统 称 为 母线 。母 线 的作用 是汇 集 、 分 配 和传 送 电能 。 由于母 线 在 运行 中 ， 有 巨大 的 电能通 过 ， 短 路 时 ， 承 受 着很 大 的 发 热 和 电动力效 应 。母 线槽 在使 用 中触头部 位或 接头 部 位易 发热 ， 或母 线 的载 流 量考 虑 不 足 也会 造 成 母 线 槽发 热 。因此 ， 在具 体 工 程设 计 选 择母 线 槽 的容 量 时 ， 要 充分计 算设 备 的实 际用 电负荷 ， 并 考虑 到周 围 环境 温度 的影 响 ， 还要 留有余 量 。 当前所 使 用 的母 线 槽 一 般 是 采 用 “ 三 明 治 ” 结 构， 导体 紧密排列 ， 整体 散热。同时又是全封闭外 壳 ， “ 三 明治” 结 构 的导 体 配合 全 封 闭 的外 壳 共 同 形 成 了整体散 热 的传播 途径 ， 这样 的设计 ， 配合 分布 式 测温 的原理 ， 能 够准确 实 时地得 到母线 的温 度 ， 光 缆 紧贴母 线槽 敷设 ， 在 每 个 接 头处 将 光 缆 以一 定 直 径 绕 2 ～3个 圆环 紧贴母 线槽 外表 面敷设 ， 达 到重点 区 域重 点监 测 的 目的。 2 ． 2 ． 3 开关柜 开关 柜 内的 电缆 接头 、 动静 触 头及 电气设 备 上 的连 接头 由于 长期运 行 ， 可靠性 和接触 性会 变差 ， 是 易 出故 障的薄 弱 环节 。这 些 部 位接 触 不 良、 电阻 较 大 ， 在大 电流情 况下热 功率 很大 ， 加剧 了接触 面 的氧 化 ， 使得接 触 电阻进 一 步 增 大 ， 形成 恶性 循 环 ， 严 重 时会 引发火 灾 事故_ 3 ] 。 在实 际 应 用 中 ， 将 耐 高压 感 温光 纤 缠 绕在 点 式 夹具 上 ， 并 固定 在开关 柜 的动静 触头 、 连接 头及铜 排 上 ， 可 以实时监 测其 温度 ， 当 出现过热 时发 出预警 并 准确 定位 ， 指导 检修 ， 把事 故消 除在萌 芽状 态 。同时 还可 以与开关 柜 的通 风 系统 配 合使 用 ， 使柜 中 的温 度始终保持在允许的范围内。分布式光纤测温系统 解决 了高压 开 关 柜 无 法 在 线 、 实 时 、 准 确 测 温 的 问 题 。用 于 电缆 和 电气 设备 在线 监测 的分 布式光纤 测 8 工矿 自动 化 2 O 1 2年 4月 温 系统结 构如 图 3 所 示 。 井 F电缆及其商压电器设备 图 3用于电缆 和电气设备在线监测的 分布式光纤测 温系统结构 2 ． 3 分布 式光 纤测 温技 术在 采 空 区中的应 用 按 漏 风 大 小 和 遗 煤 发 生 自 燃 的 可 能 性 ， 将 “ U” 型通风 的采 空 区划 分 为散 热带 、 自燃 带 和 窒息 带 ， 如图 4所示 。随着 工作 面 向前 推进 ， 三带不 断前 移 ， 推 进 速 度 越 慢 ， 自燃 带 宽 度 就 越 大 ， 煤 炭 越 易 自燃 ] 。 图 4采 空 区 布线 不 恿 为实现 对煤 矿采 空 区 自燃 火 灾 的监测 与 预 警 ， 可 在采 空 区 自燃带 和散 热 带铺 设 感 温 光纤 ， 利 用 能 描述 空间温 度场 的分 布式光纤 测 温技术 对采 空 区空 间温 度 场 进 行 连 续 、 实 时 监 测 ， 并 精 确 定 位 火 灾 位 置 。 为避 免 巷顶 和巷 壁垮 塌 对感 温 光纤 的损 坏 ， 将 光纤 放置 在高 强度 机械 护 套 内 ； 同时 通过 多 通 道冗 余技 术在采 空 区 的布线 区域 内放 置 多条 感 温光 纤 ， 并通 过相 应 的机械构 件将 布置在 同一 监测 区域 的机 械护 套组 合起 来 ， 以增 强 机 械护 套 组 的 整体 抗 冲 击 性 能 。随着工作 面 的推进 ， 采 空 区带 也 随 着 向前 推 进 ， 因此 每隔一 段距 离 需 要 重 新 在采 空 区铺 设感 温 光纤 。感 温光纤 铺设 的总 体要 求 保 证 火 灾 隐患点 都要 在有 效监测 范 围之 内 ， 并 有利 于准 确 判 定火 源 的位 置 ； 感 温光 纤铺 设 的原则 在采 空 区的 自燃 带 内 设置 感 温光纤 ， 光纤 进 入 采 空 区位 置 应 在 自燃 发火 带 区域 ； 感 温光 纤 的设 置 位 置 应 随着 _T作 面 的 变化 而 调整 。 在 实 际应 用 中 ， 通过 矿 用铠 装 感 温光 纤 实 时采 集所 处采 空 区域 的环境温 度 。利用 光纤测 温 主机 实 时巡检 各光纤 测量 通 道 ， 并 解 析 出相 应 的温 度 场 数 据 ， 再通 过 以太 网 口或光 口将 温 度场 数 据 传 输 至 监 控计 算 机 。利 用监 测 软 件 对 温度 场 数 据 进 行 分析 ， 对 自燃 危 险区域 进行 初 步 判 定 及 预测 预 报 ， 实 时 显 示 采空 区温 度场 的分布 ， 并存 储 、 整理相 应 的温度 测 量 数据 。 3 结 语 火 灾 是煤 矿 主 要灾 害 之一 ， 严重 影 响 了煤 矿 的 安全 生产 ， 矿井 温度 监 测及 火 灾 预 警 技 术 的研 究 越 来越受 到 重 视 。针 对 煤 矿 发 生 火 灾 的 重 点 隐 患 区 域 ， 给出 了分布式 光纤 测温 系统 在带 式输送 机 、 输 电 电缆 、 电气 设备 和 采 空 区具 体 的实 施 方式 。工业 性 试验 表 明 ， 该测 温 系统能准 确 、 快速 地对温 度进 行监 测 和预警 ， 系统 的 测 温 误 差 为 1℃ ， 定 位 精 度 为 1 13 3 ． ， 响应时 问为 2 0 s 。分布 式 测 温 系统 可 以 实 时 、 连续 、 大 范 围对 矿井 火灾 隐患 区域 的温度 进行 监测 ， 从 而达 到煤矿 火灾 预 测 预警 的 目的 ， 可 以有 效 防 止 煤 矿火 灾 的发生 ， 对煤矿 和人 身安 全具 有重 大意 义 。 参 考 文献 [ 1 ] 韩红远 ， 朱翔宇． 分布式 光纤 测温系统 在煤 矿火灾预警 中的应用[ J ] ． 应用技术 ， 2 0 0 7 1 2 9 1 - 9 2 ． [ 2 ] 孟凡成 ， 李长 录． 基于 WS N 的煤矿井 下 白燃火 灾监测 系统的设计[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 0 9 9 5 0 5 1 ． [ 3 ] 鲜学福 ， 王宏 图． 我国煤 矿矿 井 防灭火 技术 研究 综 述 [ J ] ． 中国T程科学 ， 2 0 0 1 ， 3 1 2 2 8 3 1 ． [ 4 ] 马 尚权 ， 朱建 芳． F B G 技术 连续 监测 采空 区温 度 的应 用实践 _ J ] ． 煤矿安全 ， 2 0 0 7 1 2 3 6 3 8 ．