狹長(zhǎng)空間光纖測(cè)溫火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

大中型船舶存在較多空間低矮狹長(zhǎng)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜且密集布置了大量電纜等設(shè)備的場(chǎng)所，如電纜管井、電纜夾層以及其他特殊的場(chǎng)所，有的是封閉空間，有的是半封閉空間，環(huán)境條件復(fù)雜，外部的流淌火可能誘發(fā)空間內(nèi)可燃物發(fā)生火災(zāi)；由于電纜密集布置，間距很小，電纜主要靠絕緣材料絕緣，電纜的絕緣材料、填充物及覆蓋層為橡膠、塑料等，很容易過(guò)熱被引燃；由于外因造成電纜保護(hù)層損傷及電纜絕緣層擊穿等易產(chǎn)生電弧，導(dǎo)致絕緣層和填料層起火，極易發(fā)生電纜火災(zāi)[1-4]。該類型火災(zāi)初期多為陰燃，如通風(fēng)條件不好，電纜管井、電纜夾層等特殊場(chǎng)所內(nèi)熱量不斷集聚，空間的溫度提升很快，將較早出現(xiàn)劇烈燃燒現(xiàn)象。由于空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間狹小，內(nèi)部能見(jiàn)度幾乎為零，使得火災(zāi)的撲救變得較為困難。對(duì)于船舶狹長(zhǎng)空間場(chǎng)所火災(zāi)的初期識(shí)別和精確定位，以及采取相應(yīng)的消防措施，對(duì)保證消防安全尤為重要[5-6]。針對(duì)船舶狹長(zhǎng)空間火災(zāi)的特點(diǎn)，介紹光纖測(cè)溫在火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1 火災(zāi)探測(cè)手段選型

由于船舶狹長(zhǎng)特殊空間有的屬于半封閉空間，與外界大氣直接相通，煙霧擴(kuò)散易受環(huán)境因素影響，不宜采用煙霧探測(cè)手段；主動(dòng)吸氣式探測(cè)器對(duì)環(huán)境清潔度要求較高，在海洋濕熱等環(huán)境中耐用性比較差；狹長(zhǎng)空間內(nèi)局部可能存在陽(yáng)光干擾，火焰探測(cè)器也可能受到一定的影響，對(duì)早期陰燃情況下的探測(cè)響應(yīng)慢。針對(duì)船舶狹小空間火災(zāi)，火災(zāi)發(fā)生部位及附近空間一定會(huì)伴隨明顯的溫度變化，采用監(jiān)測(cè)溫度及溫度變化率的手段進(jìn)行火災(zāi)探測(cè)，可及時(shí)探測(cè)危險(xiǎn)、保障安全。

常用的溫度探測(cè)方式有點(diǎn)式熱電偶、點(diǎn)式熱電阻、感溫電纜、線型光纖感溫等。對(duì)于船舶狹長(zhǎng)空間的溫度探測(cè)，點(diǎn)式熱電偶和點(diǎn)式熱電阻需要配置的數(shù)量很多，易受電磁場(chǎng)環(huán)境干擾出現(xiàn)誤報(bào)。感溫電纜火災(zāi)探測(cè)手段，報(bào)警時(shí)無(wú)法定點(diǎn)定位，誤報(bào)率高，易老化、使用壽命短等缺點(diǎn)[7-9]。線型光纖感溫探測(cè)手段具有抗電磁干擾強(qiáng)、響應(yīng)速度快、測(cè)量距離遠(yuǎn)、可靠性高、抗腐蝕等特點(diǎn)，適用于船舶狹長(zhǎng)空間環(huán)境下的火災(zāi)探測(cè)。

2 線型光纖感溫探測(cè)應(yīng)用現(xiàn)狀

線型光纖感溫探測(cè)是依據(jù)光纖的散射效應(yīng)、光頻域反射(OFDR)及光時(shí)域反射(OTDR)等光學(xué)機(jī)理的溫度探測(cè)技術(shù)，光纖中注入一定功率和寬度的激光脈沖，利用光纖作為傳感敏感元件和傳輸信號(hào)介質(zhì)，將攜溫信號(hào)的背向反斯托克斯光強(qiáng)與參比光對(duì)比，實(shí)現(xiàn)對(duì)整條傳感光纖中不同位置上的火災(zāi)溫度探測(cè)報(bào)警[10-12]。工業(yè)應(yīng)用中，線型光纖感溫探測(cè)技術(shù)經(jīng)過(guò)十幾年的研究、應(yīng)用和發(fā)展，現(xiàn)已在國(guó)內(nèi)外的公路隧道、軌道交通、電廠、石油化工等場(chǎng)合廣泛應(yīng)用，技術(shù)成熟可靠。

針對(duì)線型感溫探測(cè)器技術(shù)的發(fā)展及產(chǎn)品應(yīng)用，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委于2005年批準(zhǔn)發(fā)布了GB 16280-2005《線型感溫火災(zāi)探測(cè)器》，2007年批準(zhǔn)發(fā)布了GB/T 21197-2007《線型光纖感溫火災(zāi)探測(cè)器》。隨著技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)品的更新?lián)Q代，線型感溫火災(zāi)探測(cè)器產(chǎn)品在探測(cè)方式、產(chǎn)品形式、應(yīng)用特點(diǎn)、報(bào)警定位等方面都發(fā)生了變化，2014年，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委批準(zhǔn)發(fā)布了GB 16280-2014《線型感溫火災(zāi)探測(cè)器》，取代原有標(biāo)準(zhǔn)。

3 線型光纖感溫探測(cè)典型指標(biāo)

衡量線型光纖感溫探測(cè)器性能的主要技術(shù)指標(biāo)包括溫度變化時(shí)的響應(yīng)時(shí)間、測(cè)溫精度、溫度分辨率、定位精度、報(bào)警單元長(zhǎng)度(空間分辨率)等。報(bào)警單元長(zhǎng)度是保證測(cè)溫精度的最小單元長(zhǎng)度，是定位精度的重要保證。目前典型線型光纖感溫探測(cè)器主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。報(bào)警單元長(zhǎng)度(空間分辨率)在0.5～3 m范圍內(nèi)。

表1 典型線型光纖感溫探測(cè)器主要技術(shù)指標(biāo)

4 光纖感溫火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)功能要求

針對(duì)某船舶狹長(zhǎng)空間場(chǎng)所的火災(zāi)探測(cè)要求，監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具有以下主要功能。

1)監(jiān)測(cè)功能。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與處理被監(jiān)控空間內(nèi)各個(gè)位置處的溫度、溫度變化率及相應(yīng)的氣體滅火裝置等的運(yùn)行狀態(tài)信息。

2)報(bào)警功能。對(duì)被監(jiān)控區(qū)域的溫度異常、火災(zāi)信號(hào)等進(jìn)行聲光報(bào)警；對(duì)線型光纖感溫探測(cè)器等監(jiān)控設(shè)備的異常狀態(tài)進(jìn)行聲光報(bào)警；在氣體滅火裝置投入工作時(shí)進(jìn)行聲、光報(bào)警；對(duì)氣體滅火裝置等的異常狀態(tài)進(jìn)行聲、光報(bào)警。

3)控制功能。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，通過(guò)遙控啟動(dòng)氣體滅火裝置、通風(fēng)排煙裝置等。

4)顯示功能。對(duì)被監(jiān)控區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)的線型光纖感溫探測(cè)器狀態(tài)信息以及相應(yīng)氣體滅火裝置等的運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行集中顯示。

5)信息記錄功能。記錄并存儲(chǔ)線型光纖感溫探測(cè)器的狀態(tài)信息以及對(duì)應(yīng)消防設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息。

4.2 硬件設(shè)備組成

火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備主要由安全監(jiān)控箱、線型光纖感溫火災(zāi)探測(cè)器等組成，其中線型光纖感溫火災(zāi)探測(cè)器由信息處理器、接線盒、感溫光纜等組成。

1)安全監(jiān)控箱。安全監(jiān)控箱硬件主要由箱體結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)、液晶顯示器、電源模塊、綜合報(bào)警指示燈、遙控按鈕等組成。軟件以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，包括主程序模塊、火災(zāi)識(shí)別模塊、報(bào)警處理模塊、信息查詢模塊、界面信息顯示模塊、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、I/O數(shù)據(jù)輸入輸出模塊等組成。

2)信息處理器。信息處理器主要由箱體、激光器、光學(xué)模塊、信息處理模塊、雙冗余以太網(wǎng)模塊等組成。軟件主要由光纖熔接檢測(cè)模塊、故障檢測(cè)模塊、激光器驅(qū)動(dòng)模塊、溫度信息解析模塊、以太網(wǎng)通信模塊、顯示控制模塊等組成。

3)感溫光纜。感溫光纜主要由光纖、鎧裝金屬外護(hù)套組成。

4.3 系統(tǒng)原理

火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1。

圖1 火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備原理

1)感溫光纜作為傳感介質(zhì)，處于被監(jiān)控的狹長(zhǎng)空間內(nèi)，為提高探測(cè)的可靠性、準(zhǔn)確性和保證火災(zāi)監(jiān)測(cè)的空間全覆蓋，沿著空間方向布置2根或以上感溫光纜，假如每個(gè)空間感溫光纜總長(zhǎng)度為1 000 m，按空間分辨率2 m來(lái)計(jì)算，相當(dāng)于布置了500個(gè)點(diǎn)式感溫探測(cè)器。

2)信息處理器將激光發(fā)射耦合進(jìn)入感溫光纜，從光纖背向散射光中的拉曼散射光分離出反斯托克斯光和斯托克斯光，反斯托克斯光與斯托克斯光光電轉(zhuǎn)換采集后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到溫度值、位置和狀態(tài)信息。為提高系統(tǒng)可靠性，每臺(tái)信息處理器配置多個(gè)光纜通道，分別連接在同一空間的2根或多根感溫光纜，各通道依次工作、相互隔離、功能上互為備份。信息處理器通過(guò)以太網(wǎng)接口與安全監(jiān)控箱進(jìn)行通信，將采集的感溫光纜上每一段報(bào)警單元長(zhǎng)度的溫度值、位置和狀態(tài)等信息實(shí)時(shí)上傳給安全監(jiān)控箱。

3)安全監(jiān)控箱通過(guò)以太網(wǎng)從各信息處理器獲取對(duì)應(yīng)區(qū)域感溫光纜上每段報(bào)警單元的溫度值、位置和狀態(tài)等信息，進(jìn)行處理后通過(guò)綜合信息顯示屏以光纖布置模擬圖的形式顯示被監(jiān)控區(qū)域的溫度信息，以列表形式顯示相關(guān)消防設(shè)備和通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息。

安全報(bào)警分為兩個(gè)等級(jí)，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)到的溫度數(shù)據(jù)信息融合分析判定，當(dāng)監(jiān)測(cè)區(qū)域溫度指標(biāo)達(dá)到預(yù)警報(bào)警閾值時(shí)，發(fā)出預(yù)警報(bào)警信號(hào)；當(dāng)監(jiān)測(cè)區(qū)域溫度指標(biāo)達(dá)到火災(zāi)報(bào)警閾值時(shí)，發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，通過(guò)安全監(jiān)控箱能夠遙控啟動(dòng)氣體滅火裝置和通風(fēng)排煙系統(tǒng)。

4.4 系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

采用光纖測(cè)溫探測(cè)技術(shù)的火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)除了精度高、分辨率高、精確定位、響應(yīng)迅速等之外，針對(duì)船舶狹小、復(fù)雜環(huán)境場(chǎng)所還有如下特點(diǎn)。

1)良好的環(huán)境適應(yīng)性。船舶狹小空間內(nèi)使用環(huán)境較差、電磁環(huán)境復(fù)雜，需要考慮鹽霧、霉菌等海洋環(huán)境條件，感溫光纖具有耐腐蝕、抗電磁干擾、抗振動(dòng)、本質(zhì)安全、阻燃、防爆，適應(yīng)性強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)，能在各種惡劣環(huán)境中長(zhǎng)期正常工作。

2)良好的船舶適裝性。光纖測(cè)溫系統(tǒng)的傳感器只需要1根或幾根感溫光纖，布線非常簡(jiǎn)單，可以隨船舶電纜并行敷設(shè)，不需要額外固定安裝傳感器，在狹小空間內(nèi)優(yōu)勢(shì)更為明顯。

3)良好的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于狹長(zhǎng)空間，為了提高感溫的位置精度，需要布設(shè)較多的傳統(tǒng)溫度傳感器，如1 km距離上間隔2 m布設(shè)，需要約500個(gè)傳感器，而光纖測(cè)溫僅需要1根或2根感溫光纜，經(jīng)濟(jì)性較好，同時(shí)隨著距離的增加，成本進(jìn)一步降低。

4)良好的使用可靠性。為保證火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，采用在同一空間并行布設(shè)2根感溫電纜，相互隔離、功能上互為備份，可以大幅提高可靠性；對(duì)兩根感溫電纜的傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析，可以提高火災(zāi)判別的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)使用的靈活性。

5 結(jié)論

考慮到在大中型船舶低矮狹長(zhǎng)、電纜密布、環(huán)境復(fù)雜的特殊空間內(nèi)，極易發(fā)生火災(zāi)且初期難以發(fā)現(xiàn)、撲救較為困難的現(xiàn)狀和特點(diǎn)，針對(duì)性地分析了各種火災(zāi)探測(cè)手段的適用性；結(jié)合線型光纖感溫探測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)了船舶狹長(zhǎng)空間內(nèi)集火災(zāi)探測(cè)、監(jiān)控、報(bào)警、消防一體的火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，并分析該系統(tǒng)在環(huán)境適應(yīng)性、船舶適裝性、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、使用可靠性等方面的技術(shù)特點(diǎn)。該火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于狹長(zhǎng)空間場(chǎng)所火災(zāi)的初期識(shí)別和精確定位具有重要作用。