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浅谈新疆油井火灾预警监控系统解决方案
2020-10-05 13:50:55 来源：公司内部
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[摘要]我国原油的相对密度大多在0.86~0.91之间，闪点为28~45℃，自燃点在380~530℃之间。是由蒸气与空气混合遇明火即会爆炸，爆炸极限为1.1%~6.4%。高电阻率，在管道、容器中流动会产生静电，有导致油气燃烧或爆炸的危险。
一、 概述
1.1 油井火灾的危险性
抽油机带动光杆、抽油杆、抽油泵上下往复运动实现抽油，由于抽油系统是密闭的，抽出的原油有一定的压力，所以光杆要在光杆密封器内上下往复运动，光杆密封器紧紧的抱住光杆，光杆密封器的密封件有时会损坏，引起油井漏油，污染环境，损失原油，还会引发火灾事故，产生重大经济损失巨大。
我国原油的相对密度大多在0.86~0.91之间，闪点为28~45℃，自燃点在380~530℃之间。是由蒸气与空气混合遇明火即会爆炸，爆炸极限为1.1%~6.4%。高电阻率，在管道、容器中流动会产生静电，有导致油气燃烧或爆炸的危险。
目前位置，国内外油井火灾案例并不少，而油井火灾产生的温度很高，达到1000~2000℃，会对生产设备造成极大威胁，而有的油井火灾需要很长时间的火灾扑救，会造成巨大的经济损失，因此油田的火灾预警和防火显得十分重要。另外由于油田中油井的分布广，有时分布距离较远，野外可能存在野草等易燃物，这就给建立经济高效的火灾预警系统提出了难题，需要采用新思路、新方法进行有效解决，才能在第一时间快速发现火灾，极早期进行火灾扑救。
1.2 火灾预警技术的发展与选择
油井往往处于野外区域，有的环境条件甚至比较恶劣，这使得一般传统探测技术和方法难以满足长期室外应用的目的。
目前能够在室外很好使用的技术主要包括两类：
1） 分布智能图像型火灾探测报警系统，通常的应用保护范围100m左右。其又有两种产品：常规型图像型火灾（烟雾/火焰）探测器，主要基于近红外和可见光图像进行复合分析和判断报警，实现烟雾和火焰探测报警；分布智能温度/烟雾/火焰三复合光谱成像火灾探测器，主要基于红外和可见光图像进行复合分析，实现感温（实时温度监测、定温报警和差温报警）探测、烟雾探测和火焰探测。这种技术用于油井火灾预警监控时，需要针对每一口油井设置1~2套探测器。
这类探测技术的特点是可以近距离探测，即时报警，即时视频监控。主要存在的问题是建设成本较高，需要在几百个油井旁立杆安装探测器，还涉及无线网络传输问题。三复合探测器比常规型探测器的建设成本更高，大约为2倍左右。
2） 大范围多光谱遥感成像火灾预警系统，其预警探测的范围在5km以上，探测能力能够达到灵敏度0.1m2@1km，1.25m2@5km。主要原理在于应用了类似卫星红外光谱遥感的技术，针对火灾（明火、暗火）的特征波段和参比光谱波段进行遥感扫描，通过水平和垂直转动实现360度范围内的全景扫描探测。另外，每一个预警监控点系统会配套大范围的云台摄像机和分布智能分析服务子站，系统除了进行光谱遥感数据的分析报警外，还要进行烟雾的分析，烟雾分析可以达到烟雾报警灵敏度不低于烟雾云10x10m@2Km。由此形成烟雾、明火、暗火的大范围火灾预警探测，并实现360°范围的视频监控。
这类探测技术的特点是实时远距离探测，360°范围0~3min时间周期的报警，周期性视频监控，报警直接对准视频监控。主要存在的问题是远距离的油井处的灵敏度低于近处的油井。大范围多光谱遥感预警系统的总体建设成本相对较低，主要选择计转站等部位安装，大部分能够采用已经的通信塔进行安装，少量需要建设20m监控塔。
二、 大范围多光谱遥感扫描成像火灾预警监控系统
一般系统的总体架构如图2.1所示，由如下部分组成：
1） 监控塔及塔端辅助设备：
对于大范围火灾预警监控系统而言，通常会采用防护区域内或周边制高点或者平地建立铁塔，以便搭载远距离监控设备。监控塔的高度是具体需求而定，通常情况下6~30m铁塔居多。塔端一般性辅助设备防雷接地设施、供配电设施等，必要的还会使用气候传感器。
2） 塔端预警监控设备：
大范围多光谱遥感扫描成像火灾预警监控系统的塔端主要设备包括大范围多光谱遥感扫描火灾预警装置、远距离监控摄像机（单可见光或红外/可见双视）、分布智能分析服务子站。分布智能分析服务子站实时分析遥感装置的红外遥感数据，实现明火/暗火的实时报警，同时实时控制远距离摄像机按周期扫描转动，分析视频烟雾，实现烟雾报警。子站所有的视频、遥感数据、报警信息全部通过网络传输到监控中心。
3）网络传输设备：
主要包括远距离网络传输系统、塔端和中心网络交换机等设备。有条件的采用光纤有线网络，没有条件的采用无线网络，通常采用无线网桥类设备实现自组网。
4）监控中心系统平台：
根据系统的复杂程度不同，监控中心主要设置各类服务器及软件、监控工作站及软件、智能分析服务器及软件、流媒体及数据库存储服务等，主要实现各监控塔大范围火灾预警监控系统的全景地图显示、视频和数据显示存储、系统管理等功能。有条件的可以设置3D GIS信息化管理平台，实现3D GIS管理、报警信息显示、救援资源调配、路径规划等。
5） 移动报警平台：主要由监控中心的转码服务器、云端服务系统和移动手机APP实现所有报警信息及视频远程监控。
2.2.1 工作基本原理
AlarmEye®大范围多光谱遥感扫描火灾预警装置是基于类似卫星多光谱遥感技术，将卫星遥感的水平分行、垂直扫描功能通过地面固定设备完成，该装置水平转动和垂直转动同时进行，实现在360°范围内的红外遥感扫描。
如图2.2的工作原理架构图，预警装置通过水平转动和垂直转动的光学系统和光学放大系统，实现对360°场景内特定红外光谱的遥感扫描，当数据满足火灾光谱响应特征时，即予以报警。暗火（无焰火）、明火（有焰火）或者高温燃烧热烟雾均会有典型红外光谱特征。
如图2.3的光谱特性图，在火灾的探测中，主要寻求火灾的特征光谱，同时所选光盘需要避免阳光的影响，火灾燃烧的特征光谱为4.4um、2.8um，在这两个光谱波段由于大气作用，阳光对应波段基本被大气吸收了，因此这是火灾探测的主要特征光谱波段。而3.8um、5.0um这些波段则是火灾辐射较弱，而阳光辐射较为明显的波段。通过对这些波段的遥感数据分析，可以有效区分出火灾，而避免误报警。
多光谱遥感顾名思义就是通过对火灾特征波段和参比波段的遥感数据进行智能化分析，确定是否发生了火灾，这是一套专业化的预警探测设备。由于光学放大系统的作用，使得系统可以覆盖很远的部位，中距型产品可到5~10km。
2.3 配套远距离监控摄像机的一般选择与技术描述
通常与AlarmEye®大范围多光谱遥感扫描火灾预警装置配套远距离监控摄像机，实现以下功能：1）多光谱遥感报警后，由系统控制该摄像机对准火灾位置和方向；2）由系统控制实现周期性360°范围的视频监控，实现实时视频监控；3）由分布智能分析服务子站进行烟雾分析，实现烟雾报警。
配套远距离摄像机可以有两种选择方式：1）采用大变倍大焦距云台可见光高清摄像机（可根据需要配激光光源），实现白天黑夜的视频监控；2）采用可见光/红外光双光谱云台摄像机，实现实现白天黑夜的视频监控。双光谱摄像机有优点是红外摄像机不论白天黑夜，均可实现远距离监控，缺点是成本较高。可见光摄像机的成本较低，从预警监控的角度也满足使用要求。一般选用摄像机如下图所示。
2.4 AEU900-TA分布智能分析服务子站技术描述
AEU900-TA分布智能分析服务子站主要设计用于与前端系统设备（包括多光谱遥感装置、红外/ 可见双光谱摄像机等）配套，实现多光谱遥感数据分析、火灾视频的就地分析，实现云台、光谱遥感的控制，并通过有线或无线网络将数据、视频、报警信息传送回监控中心。子站同时连接其他辅助系统，包括气象系统、风光发电系统等，实现监视和控制功能。系统连接关系如下图所示。
2.5 CMS8000大范围火灾预警监控系统平台技术描述
CMS8000大范围火灾预警监控系统平台主要由监控管理服务器/模块、流媒体与存储服务器/模块、智能火灾预警分析服务器/模块、通信服务器/模块、火灾报警监控客户端以及供电设备组成，实现报警监控、通信管理、监控指挥、信息存储、外网服务、移动短信发送等功能。
3.1.1 平台系统功能描述
3.1.1.1 系统功能
中央监控平台系统应具备系统管理功能，提供设备管理、设备巡检、计划管理、报警与远程控制管理、服务器管理、用户管理、日志管理、基础数据设置、系统信息展现等功能。
1) 设备管理
设备管理主要用于添加设备、设置设备参数，进行设备连接测试。
2) 设备巡检
监控平台系统应支持对所有前端设备的状态进行巡检，保障前端系统准确、无误、高效地运行，支持自动巡检计划；每一计划均可设置按周循环，按月循环，按指定时间间隔循环。
3) 计划管理
监控平台系统需支持对录像计划、布防计划、设备录像上载计划进行管理。支持按周循环、指定时间任务设定；可设置录像计划的开始时间、结束时间，可选择录像码流、同步录音和补录。
4) 报警与远程控制管理
监控中心需支持报警管理实现从布防／撤防设置、报警类型管理、报警等级管理、报警接收、报警联动处理、报警处理情况记录全过程管理。同时监控中心需要进行远程控制，实现对前端设备等的联动控制。
5) 服务器管理
管理服务器，是整个系统运行的核心，提供对服务器的管理功能。
6) 用户管理
对系统用户（和用户组）及其权限进行管理。可以创建和修改用户，可以对用户进行分组，用户的权限分为系统权限和设备访问权限，系统权限限定用户对软件系统的访问、操作权限，设备访问权限规定了用户对系统设备的访问、操作、控制权限。系统提供多级权限等级，权限等级限定了用户对设备争用时的仲裁机制。例如：当同时有几个用户提出请求要控制某个云台的时候，系统将自动根据它们的权限级别进行仲裁。
7) 日志管理
系统支持日志类别维护，同时支持日志的模糊查询、组合条件查询。
3.1.1.2 业务功能
1) 实时图像监控
实现客户端和监控中心平台的实时音视频浏览。可在计算机上实时监控，亦可通过解码器在监视器、电视墙上观看实时视频。浏览客户端可采用B/S 或C/S 架构。可实现对电视墙投放视频的灵活控制。
4.2.2 AE900防爆型分布智能温/烟/火三复合光谱成像火灾探测器
分布智能温/烟/火三复合光谱成像火灾探测器除了必须具备国家图像型火灾探测器的CCCF认证证书外，其高清图像型探测器必须获得国家安全防范报警系统产品质量监督检验中心出具的高清探测器检验报告，检验内容包含摄像机高清分辨率参数。
系统采用彩色/黑白、红外图像分析，同时实现温度异常（差温/定温）、烟雾和火焰的三复合探测；
可实现视场覆盖区域内温度异常（差温、定温）探测报警，温度探测范围-20~300℃；
全天候工作，自带红外背景光源，保证在全黑条件下探测烟雾；
探测器应能输出火灾报警信息、火灾概率信息、火灾位置信息，并且可以在一台探测器的视场保护范围内进行探测分区的划分；
探测器具有被遮挡、被偏转、被污染故障侦测功能，故障响应时间不超过2min；
探测器应能在50%遮挡减光率条件下可靠探测火焰和测温；
标准镜头探测器测温灵敏度：AE900-HD-160型0.15m2热区@ 20m distance，AE900-HD-380型0.15m2热区@ 60m distance；火焰最高灵敏度不应低于0.1m2汽油火（或正庚烷火）探测范围75m以上；
报警响应时间：感温报警响应≤0.5s（达标条件下）；标准火焰响应时间≤15s；烟雾响应时间≤20s（成像可见且达到报警面积条件下）
图像采集单元参数：
可见光高清视频分辨率: 200万像素，分辨率1080P高清，具有高清探测器高清分辨率对应的检验报告。
红外摄像机传感器探头分辨率如下：
AE900-HD-160型：160×128；
AE900-HD-380型：384×288。
工作温度：-25℃~+70℃，耐环境湿度95%无凝露，短时期可达100%RH；
IP防护等级：防爆型探测器不低于IP67；
探测器输出：预警、报警、故障继电器无源触点输出（触点容量：1A @ 30VDC or 0.5A @ 250VAC）
RJ45，IP Via Ethernet （网络型探测器）
工作电压：18~32VDC；
探测器输出红外/可见融合视频信号、火灾报警复合视频信号，可与其它CCTV系统兼容连接；网络型探测器提供标准H.264编码和SDK软件包，可接入到其他网络监控系统中。
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