光纤光栅火灾监测系统在地铁区间应用的可行性研究

魏海洋

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,300251,天津∥工程师)

光纤光栅火灾监测系统在地铁区间应用的可行性研究

魏海洋

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,300251,天津∥工程师)

地铁区间隧道安装火灾监测系统对于监测地铁火灾、消灭地铁的安全死角至关重要。结合沈阳地铁1号线一期及延伸线工程区间分布式感温光纤火灾监测系统情况,通过技术经济分析、比较,探讨了地铁区间隧道另一种光纤火灾监测系统——光纤光栅火灾监测系统设置的可行性,以期在保证功能的前提下,达到节约投资的目的。

地铁隧道;光纤光栅火灾监测系统;可行性研究

Author's addressThe Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation,300251,Tianjian,China

地铁设施是投资巨大、设备系统复杂、人员密集的公共场所。地铁发生火灾不仅将造成巨大的经济损失,还会造成重大的人员伤亡,引起交通秩序和社会秩序的混乱,甚至产生不利的政治影响。GB 50116-98《火灾自动报警系统设计规范》及 GB 50157-2003《地铁设计规范》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。以前,由于防灾报警系统设备存在总线长度有限、回路容量不够、其他线性感温元件保护范围小、不能定位报警点等技术困难,很多运营地铁隧道都没有安装感温元件,成为地铁的一个安全死角。鉴于地铁严峻的安全形势,国内外的火灾报警设备厂商研究生产出了分布式光纤感温监测系统,并已在深圳、上海、天津、北京、沈阳等地的地铁中应用,实现了地铁火灾监测的全覆盖,消灭了地铁的安全死角。但是,由于分布式光纤感温监测系统的市场基本被国外厂商所垄断,致使此部分投资一直居高不下,动辄就需要上千万元甚至几千万元的资金投入。市场亟需价格合理、功能完备的此类产品。国内火灾报警设备厂商现已开发生产出光纤光栅感温监测系统。本文结合沈阳地铁1号线一期及延伸线实际工程项目,尝试从地铁区间火灾探测原理、系统方案、经济性等方面,对光纤感温和光纤光栅监测系统两种火灾监测方案进行比较分析,研究光纤光栅火灾探测系统在地铁区间应用的可行性,以期能为今后的工程应用提供参考。

1 监测系统探测原理及特点

1.1 分布式光纤感温监测系统

分布式光纤感温监测系统综合了激光技术、光纤传输传感技术、光电技术、微弱信号检测技术、高瞬态数据采集及计算机技术,是光、机、电、计算机一体化的高新技术集成系统。系统应用激光光纤拉曼散射效应和光时域反射(OTDR)原理,实现连续空间温度场的温度测量与位置确定;控制器向光纤注入高能窄激光脉冲;激光脉冲在光纤中传输时的背向散射回波(其强度与反射处的温度有关)返回控制器,经过光电转换和放大、数据采集,由系统软件进行现场温度信号的解调、报警定位及其他火灾信息的处理。

感温光纤系统为分布式测温系统,提供连续的动态监测信号,任意温度点报警:最大可显示0～4 km范围内每隔1 m各点的温度及其变化率;感温光纤系统的最高温度精度为±1℃;感温光纤监测系统提供连续的动态监测信号,可设置多级温度点报警,如30℃初报警、40℃预报警、50℃采取措施等,并且可根据不同环境特点进行修正;为避免误报发生,在读取温度数据的同时,对高温点的温度变化率进行监测,并提供相应的信号输出;可根据现场要求对取样间隔进行调整,最短可相隔0.5 m取样;报警控制区理论上可编程,并可按照用户的要求进行设计,每一系统可针对环境变化设置0～200个不同报警控制区域;能够快速响应、精确定位,可对长距离探测光缆各点温度进行有效监测。

1.2 光纤光栅监测系统

光纤光栅感温火灾报警系统将传统波分复用技术和全同光纤光栅复用技术相结合,使用波分复用与全同光纤光栅混合复用方法,解决了隧道火灾报警的难题。此系统采用光纤光栅作为温度敏感元件,对波长信号进行数字式测量,具有极高的灵敏度。光纤光栅传感器是系统的核心部件之一,它利用光纤芯层材料的光敏特性,通过紫外准分子激光器采用掩模曝光的方法,使一段约8 mm的光纤纤芯的折射率发生永久性改变,形成布喇格光栅结构。探头对环境温度非常敏感,微小的温度变化都会导致探头反射光波长的漂移。反射光波长的漂移量通过信号处理器来检测。信号处理器是系统的另外一个核心部件,它采用先进的可调法布里-珀罗腔技术进行波长检测,能检测出1℃的温度变化。当信号处理器检测到光纤光栅的反射波长出现异常,会发送报警信号给火灾报警控制器。

1.3 两种测温系统的比较

分布式光纤感温监测系统和光纤光栅监测系统的特点比较如表1所示。从表1中可以看出,光栅光纤测温系统的优势比较明显。

表1 感温光纤与光栅光纤测温技术比较表

2 案例分析

以沈阳地铁1号线一期及延伸线工程为例,比较分析上述两个系统方案。沈阳地铁1号线一期及延伸线工程线路全长28.925 km,全部为地下线,共设车站22座;区间平均长1215 m,最长为1900 m,最短为900 m。

2.1 分布式光纤感温监测系统方案

为了节约投资,沈阳地铁1号线一期及延伸线工程分布式光纤感温监测系统采用“两站一机”方案。即两个相邻车站设置一个控制主机,无控制主机的车站设置一个工作站;控制主机和工作站都连接于通信专业提供的光纤传输网络上;各主机可将探测数据上传于中央控制中心系统的感温光纤监测系统监控工作站。分布式光纤感温监测系统的实施方案如图1所示。

感温光纤测温主机为4通路模式,取样间隔为10 m;每个区间划分为8个报警分区,与防灾报警系统(FAS)报警控制器通过模块连接。

分布式光纤感温监测系统只监测区间隧道内的温度及火灾情况。

2.2 光纤光栅监测系统方案

如果应用光纤光栅监测系统方案,沈阳地铁1号线一期及延伸线工程可采用“一站一机”方案。光纤光栅监测系统由光纤光栅火灾信号处理主机、传输光缆、光纤接续盒、光纤光栅探测光缆等设备及系统软件组成。光纤光栅火灾信号处理主机设在每个车站控制室,光纤光栅探测光缆安装在区间,图形软件集成在车站及工作站上。光纤光栅监测系统的实施方案如图2所示。

车站根据监测区域的长度,分别配置一套满足探测距离的信号处理主机。信号处理主机的每个光道带400 m的光纤光栅探测光缆。信号处理主机通过光栅协议模块通信接口将隧道火灾报警信号传送给FAS主机,同时通过以太网接口直接把车站火警信号、系统故障报警信号和各消防分区的温度信号接入运营控制中心(OCC)光纤测温监控系统。

根据每个车站FAS的具体运营监控模式,光纤光栅监测系统在监测、分区、报警上可直接与车站管理范围相对应,实现各车站消防火警信息与运营监控模式的一致。

图1 光纤感温方案示意图

图2 光纤光栅方案示意图

2.3 经济性比较

表2、3是光纤感温方案和光纤光栅方案的投资表,其中总投资为厂家报价。从表中数据可以看出,光纤光栅方案的投资比光纤感温方案节约了22.7%;工程招标后最终费用还会下降,其经济效益比较明显。

表2 光纤感温方案投资费用表

表3 光纤光栅方案投资费用表

3 结 语

城市轨道交通建设在我国方兴未艾。国家批复了很多城市的轨道交通项目,其节能减排工作大有可为。在设计过程中,应在不影响功能的前提下,尽量节约投资,提高工程经济性。目前国内开发生产的光纤光栅感温监测系统,能满足地铁隧道区间火灾及温度监测功能要求,降低了工程投资,在一些实际工程中的表现令人满意,值得推广实施。

[1]刘永谦,吴大鹏,王大军,等.新型地铁火灾监测系统设计技术研究报告[R].天津:天津市科学技术委员会,2005.

[2]GB 50116-1998火灾自动报警系统设计规范[S].

[3]GB 50157-2003地铁设计规范[S].

[4]TGW光纤光栅感温火灾探测系统产品简介[EB/O L].(2009-08-05)[2009-10-20].http:∥www.sz.gov.cn/gaxfj/szsgajxfj/xfcp/200908/t20090805_1157760.htm

[5]隧道光纤光栅感温火灾报警系统[EB/O L].http:∥www.wutos.com/product.asp?classname=2

[6]光栅技术在安全监测领域的应用[EB/O L].http:∥www.iqcn.com.cn/product/jsyy.html

Feasibility of Fiber Bragg Grating Fire Monitoring System in Subway Tunnel

Wei Haiyang

It is very important to install a fire monitoring system in subway tunnel to monitor the fire and eliminate the security blind corner.Based on the Raman Fiber Fire Monitoring System used in Shenyang metro Line 1 and its extended sections,an in-depth feasibility study of another subway tunnel fire monitoring system—the Fiber Bragg Grating Fire Monitoring System—is introduced,its technique and costs are analyzed and compared.To guarantee the fire monitoring functions,and to achieve the goal of reducing costs,this paper suggests to adopt the Fiber Bragg Grating Fire Monitoring System.

subway tunnel;fiber bragg grating fire monitoring system;feasibility study

U 231+.96

2009-10-23)