上海海底隧道.doc

武汉理工光科股份有限公司
上海海底隧道
光纤光栅感温火灾
自动报警系统方案

武汉理工光科股份有限公司

二〇二四年十二月

一、企业简介
武汉理工光科股份有限公司（简称“理工光科”）是国家计委批准的全国唯一的光纤传感技术国家重点工业性试验基地，同时也是光纤传感国家高技术产业化示范工程的承担单位，是目前国内最大的光纤传感器产业化基地。公司生产的光纤光栅传感器产品已经广泛应用到石化、交通、建筑、水利、电力等领域上百个大型工程或项目中，产品在国内市场的占有率达到70%以上。
公司以武汉理工大学为第一大股东，具有雄厚的研发实力和丰富的工程经验。公司拥有一支素质高、工程经验丰富的技术队伍，具有高级技术职称及博士、硕士学位的技术人员占公司总人数的50%。
公司拥有涉及多个学科领域的光纤传感技术研究室和一批具有国际先进水平的研发仪器设备，开发了30多项具有国际先进水平的技术成果，并拥有多项专利技术，其中光纤光栅的产业化技术获得2004年国家科技进步二等奖。
公司具备国家信息产业部认证的二级计算机信息集成资质，湖北省公安厅一级安防设计施工资质，通过了EQA国际认证中心ISO9001:2000质量体系认证。

二、 隧道火灾报警技术概述
隧道是公路、铁路、城市地铁等交通工程项目建设的关键部分，在隧道中进行实时、准确的火情监测对保障公共财产安全和人身安全有着十分重要的意义。
根据温度的变化情况对隧道火情进行判断是最有效的监测手段。由于隧道要求对沿线的环境温度变化进行准确的定量、定位，所以，一些传统的测温技术已经远远不能满足工程的需要。比如常用的感温电缆在温度报警点的设置以及定位、定量、可重复使用性等方面有着严重缺陷，尤其是在长距离连续监测的情况下不能满足隧道火情监测的要求。
随着光纤技术的发展，在上世纪80年代出现了光纤温度监测系统，它能进行分布式、长距离的温度测量。但是，这种系统是基于对微弱的反射模拟信号的测量，所以容易受光源起伏等其它因素的干扰；另一方面，它的响应时间受测量精度和监测长度的制约，例如在10公里的监测范围内要达到2℃的测量精度，则响应时间通常要数分钟，远远超出了火灾自动报警国家标准的要求。
光纤光栅传感技术是近几年发展起来的新一代传感技术，它采用对波长信号的数字式测量方法，具有极高的测量精度和抗干扰能力，已应用于许多领域的安全监测。但是由于光源带宽的限制，其分布测量的点数有限，一般最多只能支持30个左右的传感探头，无法满足隧道等大型工程火情监测的需要。武汉理工光科股份有限公司的多项专利技术有效的解决了这一问题，使单根光纤上光纤光栅传感探头的复用数成数量级增加，满足了实际工程的需要，并在石化、交通、电力等领域得到了大规模应用。
以上三种火灾报警技术的比较如下：

光纤光栅
感温电缆
喇曼散射
检测量类型
数字量
开关量
模拟量
测量精度
高
低
中
响应时间
短（与测量精度、监测距离无关）
较短
长（受测量精度、监测距离影响）
报警温度设定
在监测范围内任意设定
固定
在监测范围内任意设定
报警方式
定温\差温\混合
定温
定温\差温\混合
监测距离
长（20KM）
短
较长
系统价格
较高
低
高
系统稳定性
稳健
超温即被破坏
经常要维护
安全性
高（本质防燃防爆）
低（非本质安全防爆）
高（本质防燃防爆）
光源寿命
长
——
短

综上所述，光纤光栅火灾报警具有监测距离长、测量精度高、响应时间短且与监测距离和测量精度无关等独特优点，能真正做到防患于未然，作为隧道的火情监测系统具有其它技术无可比拟的优势。
三、TGW光纤光栅感温火灾报警系统的原理
武汉理工光科股份有限公司的TGW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，它是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8mm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的反射光波长的漂移。反射光波长的漂移量通过信号处理器来检测，它是系统的另外一个核心部件，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0.1℃的温度变化。TGW系统的原理图如图1所示，当信号处理器检测到光纤光栅的反射波长出现异常，它会发送报警信号给火灾报警控制器，火灾报警控制器再发出采取措施的信号。

图1 火灾报警信号传输示意图
在传统的光纤光栅系统中，由于受光源带宽的限制下，传感器探头的复用数量非常有限，一般只有15-30个左右，不能满足隧道的应用需求。
武汉理工光科股份有限公司的TGW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。
波分复用与全同光纤光栅混合复用的方法如图2所示，系统将隧道分为多个防火分区，不同防火分区以全同光栅的波长l1,l2…ln进行区分，每个分区长度为50米。l1,l2…ln中每一个波长对应的防火分区内有许多监测点，同一防火分区的所有监测点采用全同光栅，通常50米的监测区布设8～10个监测点，这些监测点上的光纤光栅的反射波长都等于该区域的对应波长。如果系统检测到li波长产生了移动，就表明它所监测的防火分区的温度发生了变化，若温度变化超过了设定值，系统就会报警。这种混合复用的方法，大大增加了系统的测量距离和测量点数，使之能够应用到长距离的隧道工程中去。
图2 混合复用方法示意图

四、TGW系统的特点和应用情况
1．TGW系统特点
TGW光纤光栅感温火灾报警系统是武汉理工光科股份有限公司研制开发的一种温度监测报警系统，它采用先进的光纤光栅传感技术，适用于各种恶劣环境下长距离、高精度的温度监测。TGW系统的以下特性使它尤其适合于隧道中的火情监测：

² 对温度实时、分布监测
TGW系统对隧道中所有分区的温度进行实时在线、全天候24小时监测，对确定事故地点以及火势蔓延方向提供重要数据。
² 响应时间短
TGW系统的响应时间不超过1秒，而且与监测长度与测量精度无关，对温度变化做出及时的反应。
² 灵活的报警控制
TGW系统测量的是连续的温度信号，可设置多级定温报警，比如在70℃时预报警，90℃时报警并采取措施，并且可以根据环境不同进行修正。
在定温报警的同时，还可以设定多级差温报警，根据温度上升的快慢程度给出不同的报警信号，分别启动喷水降温装置或者灭火装置。两种报警方式结合可以基本消除误报。
用户可以根据实际情况自定各个区域的报警温度，以提供早期的报警警报。
² 准确性、可靠性
采用先进的数字式测量技术，不受光源波动、连接损耗、光缆的随机振动等因素的影响。产品通过国家消防电子产品质量监督检验中心检测。
² 灵活的布点措施
TGW系统组成方便灵活，各检测系统相对独立，避免了设备间的影响；可根据工程需要，灵活方便的选择探头位置。
² 优良的兼容性
TGW系统可以通过RS232/485标准端口与外部其它控制设备进行通信，可以与消防领域中使用的其它系统联网。
² 安全特性
TGW系统的光纤光栅感温探头对温度信号的采集是在无电的情况下进行的，本质防燃防爆。
² 自检功能
TGW系统具有自检功能，通过尾端的自检探头可实时监测自身运行情况并输出故障报警声光信号。

2．TGW系统的应用情况
武汉理工光科股份有限公司是光纤火灾探测系统国家标准的起草的主要单位之一，具有雄厚的研发、生产能力和丰富的工程施工经验。公司采用具有自主知识产权的技术研制、生产的TGW光纤光栅感温火灾报警系统是目前国际国内火灾报警探测领域的最新成果。TGW光纤光栅感温火灾报警系统以其先进性、实用性、可靠性、长期稳定性得到一致好评，近年来已在国内石化、交通、冶金、电力等领域，以及大型厂矿和大型工程中得到广泛的应用，目前已有数百套设备正在运行，是国内光纤火灾探测系统应用最多的产品。例如交通领域，TGW系统已经成功应用在沪蓉高速公路宜昌至长阳段的多个隧道中，并在国内最长的隧道——终南山隧道的火灾报警工程中一举中标；石化领域，最近几年在武汉石化、洛阳石化、中原油田、镇海炼化、茂名石化、湖北双环、武汉钢铁公司、大港油田、上海石化等大型企业应用，已充分展现了其技术和使用性能的优势，在国家有关大型储油罐设计规范中，拟将光纤光栅火灾探测报警系统列入优先采用技术；电力领域，在重庆某高压电缆安全监测等项目中得到成功的应用。
TGW系统采用的所有设备的设计、制造、检查、试验及施工都遵守最新版IEC标准和中国国家标准（GB）等，具体如下：
《火灾自动报警系统设计规范》 GB50116-98
《火灾自动报警系统施工及验收规范》 GB50166-92
交通部《公路隧道火灾报警系统技术条件》
企业标准编号Q/WGD006-2004
中国消防电子产品质量监督检验中心的型式检验
通过交通部重庆交科院的隧道点火试验
通过中南国家计量测试中心的定期校验

五、 工程内容
1． TGW光纤光栅感温火灾报警系统组成
TGW系统主要由以下部分组成，各部分的主要作用分述如下。
1．1 光纤光栅传感器
光纤光栅传感器是TGW系统的温度敏感元件，由检测探头和连接光缆组成；多个检测探头之间用连接光缆相互串接，形成线型结构，悬吊敷设于隧道顶部。其主要作用为：检测现场环境温度，实时传递温度信息给信号处理器。
1．2 传输光缆及光缆接续盒
传输光缆将位于控制室内信号处理器和隧道内的光纤光栅探测器连接在一起，用来传输光信号。光缆接续盒用来保护光纤接头的熔合点和光纤连接法兰，使之能在恶劣环境下正常工作。
1．3 信号处理器：
信号处理器的主要作用为：（1）给现场光纤光栅探测器提供光源；（2）对光纤光栅探测器返回的光信号进行解调；（3）向区域火灾报警控制器输出报警信号和温度信号；（4）本身进行声光报警。
1．4 手动报警按钮
手动报警按钮用于现场人员发现火警后向火灾报警控制器发送报警信号，当人工确认发生火灾后，按下此钮，即可向区域火灾报警控制器发送报警信号，控制器接受到报警信号后，显示出报警按钮的编号或位置并发出警报。
1．5 区域火灾报警控制器
区域火灾报警控制器接收来自信号处理器和手动火灾报警按钮的信号，并通过标准通信端口将信号传送到控制中心的计算机系统，接受控制中心的指令实施对风机、照明和车道检测器、交通信号灯等设备的控制；在和控制中心通信中断时，可以本地控制。
2． 实施方案
左线隧道和右线隧道各长9公里
一根光纤光栅传感器最多可划分为4个分区，每个分区最长50米，布置8个光纤光栅探头，探头间距为6.2米，对200米的距离进行监测。一台TGW-100D型信号处理器有4个光通道，每个通道可连接一根光纤光栅传感器。这样，一台信号处理器及配套的4根光纤光栅传感器的监测范围可达到800米。
根据隧道长度以及传感器的特点，整个隧道共配置90条TGW-100型光纤光栅探测器、23台TGW-100D型信号处理器、1台火灾报警控制器和360只手动报警按钮（50米一只）。系统示意图见图3。
光纤光栅传感器1～45布置在左线隧道，光纤光栅传感器46～90布置在右线隧道。所有的光纤光栅传感器均用传输光缆连接至隧道口变电所的仪表柜，分别与此无关3台信号处理器连接。光纤光栅传感器的分区示意图如图4所示。
光纤光栅传感器通过传输光缆连接到变电所的信号处理器上，信号处理器将光纤光栅传感器的信号转换为温度信号和报警信号，并传输给区域火灾报警控制器，区域火灾报警控制器通过标准通讯端口和控制中心的消防计算机连接，将温度和报警信号传输给控制中心，并接收监控中心的控制命令。在和控制中心的通信中断时，区域火灾报警控制器可实现本地控制。
手动报警按钮按50米一个布设，设置在隧道侧壁，通过双绞线串接，并连接到控制室的火灾报警控制器。当某个手动报警按钮被按下时，火灾报警控制器立即测出该按钮的位置，并将报警信号传送给上位机，经上位机发出指令采取灭火或降温等措施。
系统各部分的安装如下所述（见图5）：
1) 探测器部分：
探测器通常安装在隧道顶部，据天花板100mm到150mm，以保证光缆周围良好的空气流动。先用固定支架将钢索固定，支架采用膨胀螺栓固定在隧道中间顶部，其纵向间距20M，施工人员在移动升降平台上作业，先安装支架，并将钢索固定，再将探测器线缆用线夹固定在钢索上，一根探测器线缆安装完毕后，将探测器尾纤沿隧道壁敷设（或穿护管）至隧道侧面底部光纤接续盒，与传输光纤进行熔接。
2) 传输光缆部分：
光纤光栅感温火灾报警系统的信号传输采用四芯A护套阻燃防鼠光缆，光缆沿隧道侧面底部的电缆沟布置，在光纤接续盒处通过隧道壁的穿护管连接光纤光栅探测器。
3) 信号处理器部分：
光纤光栅感温火灾探测信号处理器为架装式，安装在仪表控制柜上，采用DC24V供电。信号处理器的4个光通道接口分别连接左行隧道和右行隧道的光纤光栅传感器。信号处理器将各个分区的报警信号通过RS485/232接口输出给区域火灾报警控制器。
4) 手动报警按钮部分：
手动报警按钮安装在隧道侧面，安装位置距地面1.4M，安装间隔为50M，联接线为阻燃双绞铜线，穿管敷设至控制室，与区域火灾报警控制器联接。
5) 区域火灾报警控制器部分:
区域火灾报警控制器安装在仪表控制柜上，它负责接收来自9台信号处理器的温度信号、开关量报警信号或故障信号，提供报警、故障、分区位置等信息，并将这些信号通过通信端口传送至监控中心的消防计算机系统。

图3 系统示意图
图4 光纤光栅传感器分区示意图
光纤接续盒
光纤光栅传感器89
光纤光栅传感器90
光纤光栅传感器2
光纤光栅传感器1
第2分区
第1分区
传输光缆（至变电所仪表柜）
右线隧道
左线隧道
第5分区
第6分区
第360分区
第359分区
第356分区
第355分区

每台TGW100D型信号处理器有4个光通道，每个通道连接一根传感光纤，可分为5个分区。图中左行隧道和右行隧道各划分为19个分区，分别用1台TGW100D处理；左行隧道分区编号为1～19，右行隧道分区编号为20～38。
图5 设备安装图

五、 主要性能指标
1． 光纤光栅探测器主要性能指标
探测器现场检测探头能够全天候正常工作。
测温范围： －40℃～+120℃
光缆材料熔断温度： >500℃
报警方式： 差定温复合式
光缆传输距离： ≤20km
相对湿度： ≤95%
最大弯曲半径： 300mm。
2． 信号处理器主要性能指标
工作电源： 24VDC
工作温度： 0℃～40℃
工作电流： <800mA
报警温度设定范围： 65℃～95℃
响应时间： <1s
测温精度： 0.1℃
3． 火灾报警控制器
区域火灾报警控制器接受信号处理器和手动报警按钮的信号，显示各个监测区的温度，在温度达到设定的报警值时启动报警程序，并将以上信息通过通信端口传送至监控分中心的消防计算机系统，接收监控分中心的控制命令。
（1）控制器容量：
a．最大容量为1200个地址编码点
b．可外接64台火灾显示盘；联网时可接32台其它类型控制器
c． 64路手动消防启动盘
d． 最大可配置12个多线制控制点
（2）线制
a． 控制器与探测器间采用无极性信号二总线连接
b． 多线制控制点与模块之间采用无极性二线连接
（3）电源
交流220V±10％
（4）功耗
控制器监控功耗：< 20W
控制器最大功耗：< 60W

六、 主要设备报价清单
产品名称 规格型号 单价 数量 合计
1. 光纤光栅感温火灾探测信号处理器 TGW—100D 15万元/台 23台 345万
2. 光纤光栅感温火灾探测器 TGW—100（32点） 2.0万元/套 90条 180.0万
3. 火灾报警控制器（含配套消防电源） JB-QG-GST5000 5万元/台 1台 5万
4. 阻燃防鼠光缆 GYTZA-4B1 5元/m 20km 10万
5. 光缆接续盒 GP30 650元/个 90个 5.85万
6. 钢绞线 Ф5.4 3元/m 18km 5.4万
7. 支架及支撑架 （含配套附件） 50元/套 450套 2.25万
8. 手动报警按钮 J-SAP-8401 150元/个 320个 4.8万
9. 双绞线 RVSP 3元/m 18.0Km 5.4万
10. 光纤总线中继器 LD-8321 16000元/台 4台 6.4万
11. 计算机及软件 5万元/套 1套 5万
合计：575.1 万元