青岛港20万吨矿石码头光纤测温系统的设计与应用

青岛港20万吨矿石码头光纤测温系统的设计与应用

方晓冬 ,赵伟丽 ,薛振 ,窦峰 ,张璞 ,傅元康 ,姜志伟

青岛港国际股份有限公司前港分公司  山东青岛  266500

摘要： 青岛港20万吨矿石码头带式输送机（以下简称皮带机）系统，共有21条皮带机和5台移动小车，该系统现在存在以下问题：皮带机沿线长，滚筒数量多，有的滚筒轴承部位隐蔽、高位，不方便技术人员现场检查测量，皮带电缆和电缆槽使用年限较长，存在老化现象，同时存在接地打火的安全隐患，后果不堪设想。为此，采用加装光纤测温系统的方法来实现皮带机各机构温度的远程实时检测，发生温度异常时，及时报警，实现了检查人员的人员和设备的人机分离，提高工作安全性和工作效率。

关键词：滚筒；减速箱；测温光纤；测温主机；测温软件

引言

光纤测温是以光纤为传感器，对测温对象进行实时测温，随着光纤测温技术的发展，已经能够用光纤测温技术实现温度、电流、电压、磁场等物理量检测，光纤测温技术采用的探测光纤具有体积小、重量轻、结构简单、使用方便、耐高压高温和抗电磁干扰等优点，光纤测温系统安全可靠，在长距离测试中也具有非常高的灵敏度。

分布式光纤测温预警系统正是利用该技术的一种用于实时测量空间温度场分布的高新技术产品，它不仅具备普通光纤传感器的优点，还具备了对光纤沿线各点温度的分布式传感能力，该系统中的光纤既是传输信息的导体，又是分布式测量的传感器。因此，系统能够连续测量光纤沿线所在处的温度，可对测量距离最大在25公里的范围，空间定位精度达到一米的数量级，进行不间断的自动测量，尤其适用于需要大范围、多点测量的场合。

一、20万皮带机系统现况及技术分析

1.1 20万皮带机系统现况

青岛港20万皮带机系统，自98年投产使用至今，电缆存在老化现象且不易检查；滚筒轴承长期处在粉尘污染比较严重的环境，并且随着生产任务不断加重，设备利用率逐步提高，长时间使用后，外界的粉尘物可能进入轴承内部，造成轴承的损坏。滚筒轴承故障的表现症状基本为振动与温升的异常，通过对滚筒轴承温度进行准确检测，提前发现故障，实现故障的预控，可有效减少突发故障的发生，减少故障对生产的影响。现场流程作业皮带机沿线长、流程复杂，滚筒数量多，并且有的皮带机处在密闭的空间内，工作技术人员需通过红外测温枪来对滚筒轴承进行每月测温检查。滚筒工作时间长、设备利用率高，长时间的运转，检查人员无法近距离检测轴承温升，给测温工作带来了一定的难度；随着智能化港口的发展需求，需要对皮带机沿线滚筒、减速机及沿线电缆进行远程温度实时监测，运行人员通过监控工作站即可查看现场滚筒、减速机及动力电缆的运行温度，当有异常发生时（如高温、断纤等）系统可通过声光报警等方式提醒相关人员及时查看。

1.2测温技术分析

测温光缆是一种多模光缆，光纤表层采用可触变的芳纶纤维加以保护，外护套为高性能的阻燃材料，光纤被很好的密封以保证不受外界环境的影响和破坏，同时光缆具有优良的热传导特性、机械性能、防水性能及抗腐蚀特性，可以在恶劣的环境中长期使用。结合高品质的脉冲光源和高速的信号采集处理技术，就可以得到沿光纤所有点的准确温度值。分布式光纤测温预警系统目前性能能够实现测量距离最长25km的温度进行测量。

光纤测温的优点

（1）连续分布式测量

    分布式光纤传感器是真正的分布式测量，可以连续的获得沿探测光纤25公里的测量信息，误报和漏报率大大降低。同时实现实时监测。

（2）灵敏度高，测量精度高

    理论上大多数光纤传感器的灵敏度和测量精度都优于一般的传感器，因此在粉尘弥漫的恶劣工作环境仍然可以进行准确测量。

（3）系统简单

    分布式光纤测温系统只要将沿测量路径铺设的光纤接到主机上就可以了，系统非常简单，安装维护方便。

（4）测量距离远，适于远程监控

    光纤的两个突出优点就是传输数据量大和损耗小，在无需中继的情况下，可以实现几十公里的远程监测。

二、20万皮带机光纤测温系统的设计

2.1方案设计

本项目采用1台分布式光纤测温主机对20万皮带滚筒、减速箱和电缆桥架进行实时温度在线监测。主机可将实时采集的温度数据传送至监控室，运行人员可通过监控终端实时查看监测部位的设备运行温度情况，依据温度数据判断相关设备的工作状态，为设备安全监测提供科学的管理手段。

分布式光纤测温预警系统实时监测设备的温度变化。当设备出现故障时，表面温度上升，热量传导到探测光缆，系统能及时检测出过热点温度并进行定位。当温度达到预警值时系统自动告警，提醒工作人员及时检修，避免火灾事故的发生。

2.2关键技术研究

2.2.1测温系统工作原理

光纤测温的原理是依据后向拉曼(Raman) 散射效应（如图1）。激光脉冲与光纤分子相互作用, 发生散射，散射有多种，如：瑞利(Rayleigh)散射、布里渊(Brillouin)散射和拉曼(Raman)散射等。其中拉曼散射是由于光纤分子的热振动，它会产生一个比光源波长长的光，称斯托克斯(Stokes)光，和一个比光源波长短的光，称为反斯托克斯(Anti-Stokes)光。光纤受外部温度的调制使光纤中的反斯托克斯(Anti-Stokes)光强发生变化，Anti-Stokes与Stokes的比值提供了温度的绝对指示，利用这一原理可以实现对沿光纤温度场的分布式测量。分布式光纤传感器是真正的分布式测量，可以连续的获得沿探测光纤25公里的测量信息，误报和漏报率大大降低。同时实现实时监测。

2.2.2皮带机滚筒及减速机测温方式

滚筒、减速机夹具采用端面螺丝压条进行固定，夹具内光缆缠绕2米，光缆穿镀锌管及金属软管保护。管口用防爆胶泥封堵。夹具根据监测点的机械尺寸制作与之相适应的滚筒夹具压条；夹具不破坏滚筒原有机械结构，利于安装维护。

2.2.3电缆桥架测温方式

（1）电缆桥架电缆上敷设测温光缆

采用正弦波的方式敷设在电缆表面，探测光缆需要被紧紧贴装在电缆的表面，每隔0.5m通过扎线将光缆固定在电缆表面，同时要确保光缆不能承受较大的应力。可以准确地得到整体的温度分布，实时监测电缆的温度变化情况。

（2）电缆接头光缆敷设。

采用跳线方式，即光缆直接跳过电缆接头，并在此处留出多于3倍接头长度的光缆，然后光缆继续向前敷设。留出的光缆以双股形式缠绕于电缆接头处。

2.2.4系统功能

（1）图形数据实时显示

实时连续显示线路上的温度分布曲线、各点温度随时间变化曲线。可以设置系统软件在控制计算机的屏幕上以曲线方式显示整条皮带机系统各点的温度分布，也可以设置显示整条皮带机长度与滚筒的相对位置分布图，显示被测点位置和对应测点的实时温度值，可以设置过热报警温度，将接收的数据以曲线方式显示，曲线可随意放大显示。

（2）控制数据自动存储

系统可以自动存储温度数据，可以选择查询显示特定测温点的温度历史变化情况，也可以选择查询显示在任意历史时刻保存的温度分布情况，以便对设备的运行状况进行监视，有利于对设备的维护和检修。

（3）报警方式多种多样

分布式光纤测温系统具有连续测温功能，能检测皮带机沿线温度变化情况，报警数据可在软件中设置，每个区域应能设置多种报警类型，不同的区域能独立报警。报警方式除主控机屏幕显示基本要求外，具有报警输出节点。

三、总结

利用光纤测温系统检测滚筒轴承、减速箱温度，显示准确、稳定，能够适应现场恶劣的工作环境。测温主机能够实时显示皮带机测量的各部位温度，当发生异常后能够及时报警；通过以太网，实现温度、报警数据在局域网内传输，可通过浏览器远程监控，不仅给技术人员提供很有价值的参考，并且可以使技术人员从现场脏、累、苦、险的环境中解放出来，实现人机分离，减少设备突发故障，避免安全隐患。

参考文献：

[1] 刘英,曹晓珑. 电力电缆在线测温及载流量监测的研究进展与应用[J]. 电网与水力发电进展,2007(5):11-14.

[2] 刘媛,张勇,雷涛,等. 分布式光纤测温技术在电缆温度监测中的应用[J]. 山东科学,2008,21(6):50-54.

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