極早期吸氣式煙霧探測系統(tǒng)在海洋平臺的應(yīng)用研究

王乃民 李 紅 付勃昌 婁雅瓊

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

海洋平臺作業(yè)空間有限，機(jī)械和電氣設(shè)備高度集中，存在大量易燃易爆的烴類物質(zhì)，以及大量的油氣存儲設(shè)備、輸送管道、法蘭及閥門等油氣泄漏源，可燃?xì)饩奂揭欢舛染蜁斐芍卮蠡馂?zāi)和爆炸事故，這些事故不僅會破壞海洋平臺的結(jié)構(gòu)和承載力，還會造成大量的人員傷亡、嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失、惡劣的環(huán)境污染并破壞海洋生態(tài)。為此，建立性能穩(wěn)定、安全、動作響應(yīng)及時(shí)的火氣系統(tǒng)至關(guān)重要。首先，在不同工況的火區(qū)布置類型各異的火氣探頭，用于檢測報(bào)警；其次，將所檢測到的信息由儀表電纜傳送到中控室的火氣控制系統(tǒng)，火氣系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的組態(tài)邏輯進(jìn)行判斷；最后，啟動相應(yīng)的報(bào)警、消防及關(guān)斷等系統(tǒng)。但在某些關(guān)鍵位置(如中控室地板夾層、開關(guān)間機(jī)柜內(nèi)及電纜豎井等)，傳統(tǒng)的光電/離子式煙霧探測器由于受安裝空間的限制，安裝和后期維護(hù)困難，而且只有在火災(zāi)產(chǎn)生可見煙時(shí)才會報(bào)警。按照火災(zāi)發(fā)展的幾個階段進(jìn)行時(shí)間定位[1]，此時(shí)已經(jīng)過了控制火災(zāi)的最佳時(shí)機(jī)，這嚴(yán)重地影響了平臺的安全與生產(chǎn)。

為此，筆者將極早期吸氣式煙霧探測系統(tǒng)(Very Early Smoke Detection Apparatus，VESDA)應(yīng)用于海洋作業(yè)平臺，以期能夠?qū)ξｋU(xiǎn)及早警示，并提示操作人員進(jìn)行相關(guān)維護(hù)。

1 VESDA的特點(diǎn)與工作原理①

1.1 特點(diǎn)

VESDA是一種基于光學(xué)空氣監(jiān)測技術(shù)和微處理器控制技術(shù)的吸氣式煙霧探測系統(tǒng)，它是針對火災(zāi)初級階段(過熱、陰燃、低熱輻射和無可見煙)的探測與報(bào)警，報(bào)警時(shí)間比傳統(tǒng)的煙霧探測器提前數(shù)小時(shí)，能夠在火災(zāi)初期消除安全隱患，VESDA與傳統(tǒng)光電/離子式探測器的性能比較見表1。

表1 VESDA與光電/離子式探測器的性能比較

(續(xù)表1)

1.2 系統(tǒng)組成與工作原理

VESDA由采樣管網(wǎng)、抽氣泵、一級過濾器、二級過濾器、激光探測腔、微處理器和報(bào)警顯示單元組成，如圖1所示。

圖1 VESDA組成框圖

抽氣泵主動連續(xù)不斷地將保護(hù)區(qū)內(nèi)的空氣吸入采樣管，采樣空氣經(jīng)過一級過濾器后，灰塵及油霧等大顆粒雜質(zhì)被過濾掉，然后作為空氣樣本進(jìn)入激光探測腔；探測腔內(nèi)的激光遇到煙霧粒子發(fā)生散射，散射光使高靈敏的光接收器產(chǎn)生光信號，經(jīng)微處理器分析完成光電轉(zhuǎn)換，保護(hù)區(qū)內(nèi)煙霧濃度值及其報(bào)警由顯示單元輸出。同時(shí)，微處理器過濾掉灰塵對煙霧探測的干擾，避免了誤報(bào)警。另外，VESDA主機(jī)通過繼電器或通信接口將報(bào)警信號傳送至平臺主火氣系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)斷和集中顯示。

部分采樣空氣經(jīng)二級過濾器后產(chǎn)生高潔凈氣流，用于吹洗激光探測腔內(nèi)的光學(xué)元件表面，確保探測精度不會隨使用時(shí)間而降低，延長了其使用壽命。

2 應(yīng)用

2.1 收集區(qū)域信息

海洋作業(yè)平臺上機(jī)柜集中、設(shè)備發(fā)熱量較大的房間很多，如變壓器間、開關(guān)間、電潛泵控制間及中控室等，重點(diǎn)收集這些區(qū)域的環(huán)境條件、通風(fēng)情況、區(qū)域結(jié)構(gòu)和設(shè)備布置。

2.2 確定保護(hù)范圍

根據(jù)已經(jīng)存在和預(yù)留的設(shè)備位置，規(guī)劃要布置的采樣管網(wǎng)的范圍，包括電纜豎井、機(jī)柜內(nèi)、空調(diào)回風(fēng)區(qū)、天花板、地板夾層及通風(fēng)管道等。

2.3 確定空氣采樣方式

每種空氣采樣方式都有各自的應(yīng)用特點(diǎn)，為有效地對保護(hù)區(qū)進(jìn)行采樣，應(yīng)根據(jù)場所條件選擇最佳的采樣方式，筆者在機(jī)柜內(nèi)部和天花板上采用毛細(xì)管采樣；而機(jī)柜上方、電纜豎井、天花板和地板夾層則宜采用標(biāo)準(zhǔn)采樣方式；通風(fēng)管道和空調(diào)回風(fēng)格柵則采用回風(fēng)采樣。在實(shí)際應(yīng)用中，特別是氣流變化較大的場所，一般同時(shí)采用多種采樣方式。

2.4 選擇探測器類型

根據(jù)確定的保護(hù)范圍和空氣采樣方式，針對探測器應(yīng)用的海洋環(huán)境條件，參考不同類型探測器的技術(shù)規(guī)格，選擇適宜的探測器類型。此處筆者選用了具有船級社認(rèn)證的VLC-505(VN)型主機(jī)。

2.5 設(shè)計(jì)采樣管網(wǎng)

此環(huán)節(jié)的重點(diǎn)是確定采樣孔的位置和探測器的位置，遵循采樣管長度最短、彎管和彎頭數(shù)量最少原則，對于機(jī)柜眾多的房間采取多個探測器分區(qū)布置。其中電潛泵控制間的采樣管網(wǎng)平面布置如圖2所示。

采樣管網(wǎng)設(shè)計(jì)完成后，采用ASPIRE2軟件驗(yàn)證其性能，包括采樣孔平衡度、采樣空氣的最大傳輸時(shí)間和采樣孔靈敏度，其中采樣孔平衡度一般要求不小于70%，最大傳輸時(shí)間不大于60s，采樣孔靈敏度滿足設(shè)計(jì)要求。如果不能滿足以上要求，則需對采樣管的長度、采樣孔數(shù)量、彎管數(shù)量及半徑等進(jìn)行調(diào)整后重新驗(yàn)證。各參數(shù)的校正算式分別如下：

式中Fave——所有采樣孔的平均氣流量；

Fmin——采樣孔中的最小氣流量；

Frat——采樣孔的氣流量與采樣管氣流總量的比值；

Sdet——探測器靈敏度。

圖2 電潛泵控制間采樣管網(wǎng)平面布置

2.6 確定通信方式

分級報(bào)警信號通過硬線以干接點(diǎn)形式連接到主火氣系統(tǒng)，設(shè)定最高級別的報(bào)警進(jìn)行火氣關(guān)斷。另外，所有探測器通過RS485連接成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，通過Modbus或TCP/IP協(xié)議連接到上位機(jī)，通過專用軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測保護(hù)區(qū)的煙霧濃度值和報(bào)警狀態(tài)。

3 典型安裝

筆者在海洋平臺上布置的VESDA典型位置包括：電纜豎井、機(jī)柜內(nèi)、空調(diào)回風(fēng)格柵、天花板、地板夾層和通風(fēng)管道。

3.1 電纜豎井

生活樓內(nèi)電纜豎井貫穿不同的甲板層，各層間的電纜豎井不做密封隔斷時(shí)，會有很強(qiáng)的空氣流動，光電/離子式探測器很難發(fā)揮作用，而且電纜豎井空間有限，不利于傳統(tǒng)探測器的安裝，且密布的電纜也會對傳統(tǒng)探測器產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾；如果各層豎井間隔斷，電纜豎井就會被分割成幾段密閉空間，不利于空間內(nèi)的熱量散發(fā)，更容易引發(fā)火災(zāi)。

VESDA采樣管沿電纜方向敷設(shè)，按照GB 50116-2008《火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB 50174-2008《子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，在需要空氣采樣的位置設(shè)采樣孔，當(dāng)電纜過熱時(shí)揮發(fā)的煙霧粒子就能被探測器檢測到，采樣管由PVC材料制作，不存在電子元器件，主機(jī)布置在電纜豎井外，避免了電纜電磁干擾的影響，電纜豎井的探測器布置如圖3所示。

圖3 電纜豎井的探測器布置示意圖

3.2 機(jī)柜內(nèi)

海洋作業(yè)平臺上機(jī)柜眾多的房間有很多，傳統(tǒng)的煙霧探測器只能布置在天花板上，當(dāng)機(jī)柜內(nèi)部元器件或電纜過熱僅產(chǎn)生微量煙霧時(shí)，傳統(tǒng)探測器就會失去作用。

采用VESDA探測器，對于有排風(fēng)扇的機(jī)柜，可以將采樣管布置在機(jī)柜的排風(fēng)口；對于沒有排風(fēng)扇的機(jī)柜，可以根據(jù)項(xiàng)目要求采用毛細(xì)管采樣布置在機(jī)柜內(nèi)部，或直接按標(biāo)準(zhǔn)將采樣系統(tǒng)布置在機(jī)柜上方約10cm處，如圖4所示，當(dāng)機(jī)柜內(nèi)有煙霧粒子時(shí)，即可在第一時(shí)間被檢測并報(bào)警。

圖4 機(jī)柜內(nèi)探測器布置示意圖

3.3 空調(diào)回風(fēng)格柵

平臺上機(jī)柜眾多的房間都配有空調(diào)，在空調(diào)運(yùn)行過程中，房間內(nèi)的煙霧粒子將隨著空調(diào)風(fēng)的流向在室內(nèi)循環(huán)，并不會到達(dá)天花板，而是隨氣流返回空調(diào)回風(fēng)口，這種情況下，安裝在天花板上的傳統(tǒng)煙霧探測器就會失效。將VESDA采樣管安裝在空調(diào)的回風(fēng)格柵，在空調(diào)風(fēng)速較大的情況下仍然能夠檢測到煙霧粒子的存在?？照{(diào)回風(fēng)格柵的探測器布置如圖5所示。

圖5 空調(diào)回風(fēng)格柵探測器布置示意圖

3.4 天花板和地板夾層

電氣房間和中控室的天花板和地板夾層電纜縱橫交錯，發(fā)熱量很大，而且這類位置通風(fēng)不暢，熱量不易散發(fā)，極易引發(fā)火災(zāi)。為了檢測天花板和地板夾層的煙霧粒子，通常會在這些位置安裝帶遠(yuǎn)程指示的煙霧探測器，傳統(tǒng)的煙霧探測器不但檢測不到極早期的煙霧粒子，而且受安裝空間的限制，每次維護(hù)都要拆裝天花板和地板，極為不便，特別是中控室地板夾層，電纜錯綜復(fù)雜，拆裝地板還可能影響系統(tǒng)安全，產(chǎn)生誤關(guān)斷。采用VESDA探測器，采樣管沿著天花板或地板夾層內(nèi)的電纜布置，維護(hù)時(shí)只需在探測器主機(jī)的安裝位置進(jìn)行管路吹掃即可。中控室地板夾層的探測器布置如圖6所示。

圖6 中控室地板夾層探測器布置示意圖

3.5 通風(fēng)管道

大部分房間都有通風(fēng)管道與外界相連，特別是由中央空調(diào)調(diào)節(jié)的房間，室內(nèi)氣體通過回風(fēng)管道排走，火災(zāi)煙霧粒子也隨之排出，傳統(tǒng)探測器根本無法安裝檢測。如圖7所示，將VESDA探測器安裝在通風(fēng)管道內(nèi)的采樣管，采集被測區(qū)域的空氣，即可對這些煙霧粒子進(jìn)行更集中、快速地檢測了。

圖7 通風(fēng)管道內(nèi)采樣管網(wǎng)布置示意圖

4 系統(tǒng)配置

本項(xiàng)目中，各房間內(nèi)布置的VLC-505(VN)探測器的數(shù)量如圖8所示，布置探測器的房間包括電潛泵控制間、應(yīng)急開關(guān)間、主開關(guān)間、中控室、主變壓器間、電潛泵變壓器間和生活樓電纜豎井。

圖8 VLC-505(VN)探測器布置示意圖

VESDA探測器通過硬線連接到海洋平臺主火氣系統(tǒng)，干接點(diǎn)信號分為3個等級，分別對應(yīng)煙霧濃度的3個級別，針對實(shí)際情況，設(shè)定報(bào)警的緊急級別，編制相應(yīng)級別的應(yīng)急預(yù)案，其中最高級別報(bào)警與傳統(tǒng)煙霧探測器設(shè)置相同。

同時(shí)，每個探測器通過RS485通信接口與其他探測器串連成環(huán)網(wǎng)，接到網(wǎng)絡(luò)模塊VRT-300上，經(jīng)接口轉(zhuǎn)換VHX-0200(如果配置其他型號的接口轉(zhuǎn)換模塊，可以使用Modbus或TCP/IP等)后，對整個環(huán)網(wǎng)內(nèi)的每臺探測器的狀態(tài)進(jìn)行配置與讀取。上位機(jī)通過專用軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測煙霧濃度值的報(bào)警狀態(tài)，包括是否報(bào)警或故障、報(bào)警設(shè)定值及報(bào)警記錄等。

5 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)的極早期吸氣式煙霧探測系統(tǒng)在海洋平臺上投運(yùn)的實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠及早發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)，較傳統(tǒng)煙霧探測器提前數(shù)小時(shí)報(bào)警。極早期吸氣式煙霧探測系統(tǒng)在海洋平臺的應(yīng)用目前還處于起步階段，通常會與傳統(tǒng)煙霧探測器并用，最高級別的報(bào)警與傳統(tǒng)光電/離子式煙霧探測器同樣進(jìn)行邏輯關(guān)斷，其他級別的報(bào)警只進(jìn)行警示。鑒于VESDA探測系統(tǒng)的優(yōu)良特性，其在空間受限，煙霧等火警現(xiàn)象極微弱的環(huán)境下，具有廣闊的應(yīng)用前景。