開關盤柜極早期火災預警技術在海洋石油平臺的應用

王新亮

（中海油能源發(fā)展裝備技術有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

近年來，隨著海洋石油平臺開關盤柜內設備老齡化程度越來越嚴重，電氣設備火災發(fā)生頻率正逐步提升，給海洋石油的正常生產帶來了較大的安全隱患。由于海洋石油平臺上設備受遠離陸地和安裝維修空間狹小等因素影響，在維護和改造等方面，較陸地難度更大，成本更高。因此，對開關盤柜早期火災預警監(jiān)控的需求更迫切。

1 電氣火災原因分析

電氣火災形成原因有以下四類：

漏電火災：線路的某一點因潮濕、高溫、碰壓、刮破、摩擦、腐蝕等使線路的絕緣能力下降，發(fā)生漏電。漏電遇到電阻較大位置會使局部高溫，漏電點產生的漏電火花都有可能引發(fā)火災。

短路火災：電氣線路中裸導線或線路絕緣破損，相與相之間在某一點觸碰或小于安全距離，引起電流瞬間增大，線路溫度升高，放電產生火花和電弧，產生火災。

過負荷火災：電流超過線路安全載核量，線路升溫，產生火災。

接觸電阻過大引起的火災：線路接頭位置，接觸面形成接觸電阻過大，發(fā)熱形成高溫，長時間高溫易引起線路絕緣層發(fā)生燃燒，產生火災。

2 吸氣式火災預警系統(tǒng)

通常我們認為火情的發(fā)展一般分為四個階段：陰燃階段、可見煙階段、可見火光階段和劇烈燃燒階段。傳統(tǒng)火災報警系統(tǒng)通常是在可見煙階段才能探測到煙霧，發(fā)出報警，此時火情所造成的經濟和財產損失已不可避免。一般認為火災監(jiān)測在陰燃階段，是最好的火災監(jiān)測點。如果可以在陰燃階段監(jiān)測到火災，那么可以提前在火災發(fā)生的幾個小時甚至幾個月監(jiān)測火災的發(fā)生，從而及時解決隱患。吸氣式火災預警系統(tǒng)，針對火情發(fā)展的陰燃階段，可主動對空氣進行采樣探測，使保護區(qū)內空氣樣品被設備內部的吸氣泵吸入采樣管道，送入探測器進行分析，探測器探測到煙霧粒子，即發(fā)生報警。探測精度可以做到陰燃階段，在火災發(fā)生前就可以檢測發(fā)出報警，大大降低了火災對海上電氣盤柜造成的危害[1]。

2.1 吸氣式火災探測器的結構

吸氣式火災預警系統(tǒng)是一種極早期空氣采樣火災預警系統(tǒng)，由煙霧探頭、管道、吸氣式火災探測器、專用信號電纜、協(xié)議轉換器、監(jiān)測主機、上位機組成。

2.1.1 吸氣式火災探測器

吸氣式火災探測器是由探測器、抽氣泵、真空泵、水箱、云霧室（激光探測器）組成[2]。

當材料過熱時會產生比可見光波還小的粒子，其數(shù)量遠遠超過正常環(huán)境下存在的粒子數(shù)。吸氣式火災探測器通過抽氣泵對腔室內空氣進行取樣送入云霧室中，云霧室通過真空泵對其增濕、降壓、降溫，云霧室內的煙粒子會被水粒子包裹，形成大小一致可被激光探測器檢測到的水凝粒子。

激光探測器是由激光發(fā)射器、激光接收器和暗室組成，激光發(fā)射器由光源和透鏡組成。它以紅外發(fā)光二極管作為光源，具有可靠性高，功耗低，壽命長的特點。光源受脈沖發(fā)生器產生的電流控制，用球面式凸透鏡將光源發(fā)出的光線變成平行光束。

光接收器由光敏二極管和透鏡組成，光敏二極管將接收到的光能轉換成電信號，光敏二極管通常與紅外發(fā)光二極管發(fā)射光的峰值波長相適應的光敏二極管。透鏡的作用是將被煙粒子散射的光線聚焦后，準確、集中的被光敏二極管接收，并轉換成相應的電信號。

暗室的功能在于既要使煙霧粒子能暢通進入，又不能使外部的光線射入，通常制成多孔形狀，內壁涂黑。

當發(fā)生火災時，火災煙霧進入檢測暗室，通過增濕、降壓形成被包裹大小一致的水凝粒子，水凝粒子將光源發(fā)出的光線遮擋，到達光敏二極管上的光能減弱，其減弱程度與進入云霧室內的煙霧濃度有關，當煙霧到達一定濃度時，光敏二極管接收到的光強度下降到預定值，經比較確認后，發(fā)出報警信號。

2.1.2 協(xié)議轉換器

協(xié)議轉換器可以將不同規(guī)約之間建立握手關系，將非標ModBus 協(xié)議，轉換成標準ModBus RTU 協(xié)議。上位機可通過標準Modbus RTU 協(xié)議，對所對應的寄存器進行讀寫操作[3]。

2.1.3 監(jiān)測主機

監(jiān)測主機通訊協(xié)議為標準Modbus RTU 協(xié)議，以485 線與協(xié)議轉換器通訊，通過我們之前在協(xié)議轉換器中所存儲數(shù)據(jù)，進行讀寫操作和數(shù)據(jù)處理，將處理完的數(shù)據(jù)關聯(lián)至組態(tài)功能中呈現(xiàn)在顯示屏上。

2.2 吸氣式火災預警系統(tǒng)原理

理想氣體狀態(tài)方程：

式中，P為氣體的壓強；V為氣體的體積；N為摩爾數(shù)；R為普適氣體常數(shù)；T為氣體的溫度。

根據(jù)式（1）可得：

即相同體積下氣體的壓強和溫度成正比關系。

所以在云霧室中，水蒸氣的摩爾數(shù)不變，被水凝粒子包裹的煙霧粒子越多，遮光率越高。

不可見微粒子經過云霧室增濕、降壓、降溫處理后，不可見微粒子會被包裹成約20μm 的水凝粒子大小相等，其產生的有效遮光率與包裹的灰塵微粒產生的有效遮光率相當，可被激光探測器辨識出來，再以激光探測器工作原理計算出粒子的數(shù)量。

采集到的數(shù)據(jù)通過485 通訊線傳輸給監(jiān)測主機，監(jiān)測主機通過解析數(shù)據(jù)，將得到的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在顯示屏上。

通過采集呈現(xiàn)，我們可以把火災預警提前至火災發(fā)生的前幾個小時，甚至幾個月，可以有效的降低損失。

3 吸氣式火災預警系統(tǒng)優(yōu)勢

吸氣式火災預警系統(tǒng)作為一種極早期火災預警系統(tǒng)，它具有許多優(yōu)勢[4]：①24 小時對盤柜抽氣采樣分析，報警數(shù)據(jù)實時與中控對接，做到實時在線測量。②吸氣式火災探測器中抽氣泵配合基于激光的絕對煙霧檢測，可檢測到空氣中微量煙霧顆粒。③系統(tǒng)設備自動循環(huán)診斷，故障輸出報警。④多級空氣過濾，激光腔自清潔，維護工作量少。⑤系統(tǒng)設備安裝維護成本較低，性價比高。⑥系統(tǒng)可移植推廣性強。

4 常見故障及解決方式

根據(jù)吸氣式火災預警系統(tǒng)的特性，系統(tǒng)常見故障、原因及排除方法匯總如下：

表1 系統(tǒng)常見故障及解決方法

5 結論

吸氣式火災預警系統(tǒng)作為一種極早期空氣采樣火災預警系統(tǒng)，可以盡早探測到火情，及時采取措施，以保證工作不中斷；可減少滅火系統(tǒng)不必要的工作和成本消耗；可彌補海上平臺原有傳統(tǒng)火氣系統(tǒng)探測不到開關柜內的缺陷；可更充分的在火災前爭取時間，保證人員安全。

吸氣式火災預警系統(tǒng)，作為極早期火災預警系統(tǒng)中的一員，是工業(yè)生產中不可少的一部分，它可以有效的保護人身財產安全，降低火災發(fā)生率，為安全生產保駕護航。