CCTV型火焰探測系統(tǒng)在海洋油氣平臺的應用

李 紅，白 寧

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

海上平臺石油生產(chǎn)過程中，火災探測與消防控制系統(tǒng)是平臺中央控制系統(tǒng)的重要組成部分。對初期火災進行有效的探測、報警和啟動消防保護，是火焰探測與消防控制系統(tǒng)的主要任務?；鹧嫣綔y器是自動檢測火焰的設備，它關系到系統(tǒng)能否盡早檢測出火情。只有在火災發(fā)生的初期，及時探測到火情，并由操作人員或自動邏輯啟動消防保護和采取人員撤離等措施，才能避免火災蔓延、爆炸等災難性的嚴重后果。

由于海洋石油平臺生產(chǎn)危險性高，場所密集布置，人員逃生難度大等特點，火焰探測器的選擇、布置和火焰探測系統(tǒng)的設計對平臺的人員和生產(chǎn)安全至關重要。

1 海洋石油平臺火焰探測設備類型及選擇

海洋石油平臺使用的火焰探測器歸納起來大致有兩種。其中，一種是輻射式探測器。此類探測器是視線類裝置，收集探測區(qū)域的熱輻射，并把區(qū)域內(nèi)的熱輻射累加起來，分析其光照強度及火焰的閃爍頻率，判斷是否發(fā)生火災[1]。因為輻射能是以光速傳播的，所以此類探測器有快速動作的能力。根據(jù)對探測火災輻射能的波長的不同，可以分為紫外線探測器、單頻紅外線探測器、紫外/紅外探測器和多頻紅外等類型探測器[1]。另外一種探測器則是一種可視的火焰探測器，依靠內(nèi)部自帶的CCTV攝像頭采集的現(xiàn)場圖像，通過圖像軟件分析來判定其監(jiān)控的現(xiàn)場區(qū)域是否存在火災。

紫外（UV）型感應探測器總體上來講是一種不錯的火焰探測器。基本上，所有的火災都會放射出紫外線。紫外探測器對在紫外線區(qū)內(nèi)，即波長趨于4000 ?的不可見的輻射能可做出反應。通常情況下，對波長在約1800 ?~2500 ?范圍內(nèi)的紫外線做出反應。然而，眾所周知，它對電焊所產(chǎn)生的電火花，X射線以及閃電很敏感，容易產(chǎn)生誤報警。由氣體壓縮機或者柴油機等的潤滑油所產(chǎn)生的碳氫化合物會污染探測器的窗口，可能導致探測器失效，甚至溶解于大氣的少量碳氫化合物也會影響探測器的反應。

為了解決以上問題，紅外（IR）型感應探測器出現(xiàn)了。紅外探測器利用一個帶有濾鏡和透鏡系統(tǒng)的光電池或光電敏電阻作為感應元件，對于波長高于7700 ?的不可見的輻射能做出反應。同紫外線探測器相同，紅外線探測器也是快速動作型的探測器。紅外探測器可探測到1Hz～10Hz頻率范圍內(nèi)的火焰閃爍和4.1μm～4.6μm范圍內(nèi)的波長。紅外探測器解決了很多與紫外探測器相關的誤報警問題并且不受碳氫化合物的影響，但是黑體射線又成為了新的誤報警源。紅外探測器最大的問題在于用二氧化碳（CO2）熱輻射來判定火災，導致探測器幾乎只對碳氫化合物火災敏感。

紫外/紅外（UV&IR）型雙感應探測器在報警前通常需要兩種傳感器做出反應，這就使它避免了單獨使用紅外或紫外傳感器誤報警的影響（如太陽光、電焊光以及其他強光產(chǎn)生的誤報警）。然而需要注意的是，這種探測器不是只結合以上兩種探測器的優(yōu)點，它們的缺點也同樣被繼承下來。這種探測器只能監(jiān)測到碳氫化合物火焰，同時水汽、結冰、油膜及其空氣溶解物會導致探測器失效，導致不能及時發(fā)現(xiàn)危險情況。

多頻紅外探測器的出現(xiàn)解決了以上提到的很多問題，它增加了4.4μm紅外傳感器在降低誤報警的同時，提高了探測器的靈敏度。從傳感器傳出的信號是與兩個或者3個光波相關聯(lián)的。然而，這項技術在減少誤報警方面并沒有什么大的進展，只是增加了靈敏度。對于壓縮機產(chǎn)生的CO2熱輻射的漫反射，甚至電焊產(chǎn)生的電弧都會有反應。盡管熱發(fā)動機產(chǎn)生的黑體射線不會引起探測器的誤報警，但黑體射線對傳感器有影響，有可能降低探測器的敏感度甚至失靈，海面反射的太陽光對探測器也有相似的影響。

CCTV型火焰探測器通過與人的眼睛大小感光類似的攝像頭獲取現(xiàn)場圖像，并對圖像進行處理分析，判斷是否發(fā)生火情，基本避免了以上幾種探測器的缺點，如焊接、摩擦、熱輻射（如壓縮機等發(fā)出的余熱)以及閃電現(xiàn)象引起的誤報警。同樣，CCTV火焰探測器也存在缺點，那就是對于“看不見”的火焰，如純氫氣火焰和純甲醇火焰，存在一定的盲區(qū)[2]。

針對各類火焰探測器的誤報警與污染物及遮擋等因素總結見表1。

表1 各類探測器的誤報警和污染物影響Table 1 False alarms and pollutant effects of various detectors

目前，多頻紅外由于其高靈敏度是在海洋石油平臺應用最廣泛的火焰探測器，紫外探測器由于其較快的響應速度，在發(fā)電機罩殼內(nèi)等場所應用較多。而CCTV火焰探測器作為新發(fā)展的火焰探測技術，由于其在避免誤報警與能提供現(xiàn)場圖像等方面的優(yōu)勢，在海洋石油平臺近年也得到越來越多的應用。

2 CCTV型火焰探測系統(tǒng)

CCTV可視火焰探測器是一種組合型的火焰探測器以及監(jiān)測系統(tǒng)。探測技術利用攝像機監(jiān)控現(xiàn)場環(huán)境，并通過對所得視頻的處理和分析實現(xiàn)對火災的探測[3]。CCTV攝像頭拍攝到類似著火的視頻圖像，通過經(jīng)驗證的火焰檢測算法和數(shù)字信號處理，處理實時視頻圖像，從視覺上檢測火焰的特性，區(qū)分哪些是真正的火災情形以及哪些是容易引起誤報警的其它光源。

2.1 CCTV火焰探測器的特點

2.1.1 避免和區(qū)分

CCTV可視火焰探測器能夠避免一些經(jīng)常容易引起誤報警的干擾源，如焊接、摩擦熱、熱輻射（如壓縮機等發(fā)出的余熱）以及閃電現(xiàn)象。

2.1.2 實時圖像

當CCTV火焰探測器探測到設定范圍的火焰報警時，將在監(jiān)視器中自動彈出火警區(qū)域的實時動態(tài)畫面，操作員在中控室內(nèi)就可以了解現(xiàn)場火災的情況，并及時采取相應的措施，不僅提高了效率，縮短操作員的事故反應時間，而且降低了操作員出現(xiàn)在危險場所的概率。發(fā)生火焰的實時圖像還可以設定為自動記錄，為將來分析火災發(fā)生的原因提供幫助。CCTV火焰探測器可以當作結合CCTV功能的火焰探測器，也可以僅僅把它當作一個CCTV監(jiān)視系統(tǒng)。

2.1.3 環(huán)境適應性

CCTV火焰探測器適用于各種極端條件下的自然環(huán)境，同樣適用于海洋環(huán)境。對于海洋環(huán)境下的冷凝結冰等情況，CCTV探測器安裝有智能加熱元件，由攝像機鏡頭上方的溫度傳感器控制，防止光學元件上結冰和被雪遮擋。

圖1 CCTV火焰探頭探測范圍圖[4]Fig.1 Detection range of CCTV flame probe[4]

2.2 CCTV火焰探測器探測范圍

CCTV火焰探測器可以在40m（有的已經(jīng)達到60m）90°角的范圍內(nèi)靈敏地探測到10kW的熱輻射，并且靈敏度可以設定調(diào)整，精確度范圍在10kW～50kW之間。該技術與傳統(tǒng)輻射類檢測器之間的區(qū)別在于，在離軸45°時，靈敏度不會降低50%，但仍保持在軸上靈敏度的100%。這將使每個點的覆蓋率提高了20%，這意味著探測器數(shù)量減少。CCTV火焰探測器可以通過減小探測的視角范圍，以增加探測距離。這就像在標準攝像機上使用長焦鏡頭一樣，在100m處可以檢測到10kW的火災。

2.3 火焰視頻及報警信號接口

CCTV火焰探測器提供多種信號接口，包括常規(guī)0mA～20mA電流信號、報警干觸點信號、RS485通訊信號、視頻信號等，如圖2。

圖2 CCTV火焰探頭接口連接圖[5]Fig.2 Connection diagram of CCTV flame probe interface[5]

2.4 系統(tǒng)的配置

CCTV火焰探測系統(tǒng)的系統(tǒng)構成一般是設備采用單獨控制柜安裝，不論是硬件上還是軟件上，都相對于其他系統(tǒng)相對獨立，以此來保證系統(tǒng)結構簡單，避免影響中央控制系統(tǒng)的正常運行[6]。

CCTV火焰探測器可以“獨立”工作，也可以把它連接到控制系統(tǒng)中去，并且可以在報警情況下，“看見”火災的變化情況。把這個探頭當作一個結合CCTV功能的火焰探測器，也可以僅僅把它當作一個CCTV監(jiān)測系統(tǒng)（取消它的火焰探測功能）。

圖3 某項目CCTV火焰探測系統(tǒng)配置圖Fig.3 Configuration diagram of CCTV flame detection system in a project

3 在南海某項目的應用

CCTV火焰探測器近年研發(fā)出來后，盡管在國外BP的平臺上有應用的經(jīng)驗，但在國內(nèi)海洋平臺還是首次應用。在南海某氣田項目中，通過充分了解論證后，確定了采用CCTV火焰探測系統(tǒng)的方案。

在探頭布置方面，根據(jù)區(qū)域危險性和設備分級進行初步布置后，通過覆蓋分析軟件進行模擬分析，確定現(xiàn)布置方案下探測區(qū)域的覆蓋率，然后通過調(diào)整探測器的數(shù)量、位置、高度和探測角度等，達到相對合理的探測器覆蓋效果。

南海某氣田項目CCTV火焰探測系統(tǒng)的系統(tǒng)配置如圖3。CCTV火焰探測器需要接入24V直流電源，通訊RS485，VIDEO電纜，以及4mA～20mA信號。

一個MASTER HUB下面有若干個SLAVE HUB，一個PRIMARY VSW下面有若干個子VSW。VIDEO信號接入VSW，RS485信號接入HUB，經(jīng)過HUB與VSW的集成卡件的轉換，輸出信號到監(jiān)控計算機（CONTROL PC）。其中，RS485通訊信號在進入CONTROL PC之前，還要經(jīng)過232/485轉換器。CCTV火焰探測器輸出的4mA～20mA信號接入中央控制系統(tǒng)的火氣系統(tǒng)中進行報警和關停及消防聯(lián)鎖等動作。同時輸出視頻信號到中控室的監(jiān)視器，而且與中控系統(tǒng)有RS485接口，可以在中控室中修改CCTV型探測器的參數(shù)。考慮到視頻信號占用較大網(wǎng)絡帶寬，為避免對控制系統(tǒng)信號的傳輸造成干擾，因此視頻信號沒有接入中控系統(tǒng)網(wǎng)絡，CCTV火焰探測視頻信號采用了一臺專用的顯示設備。

探測系統(tǒng)（包括火焰探頭、圖像接口卡件、監(jiān)視器等）由火焰探測系統(tǒng)廠家供貨，在現(xiàn)場只需進行電纜連接，探頭定位和現(xiàn)場調(diào)試。

整個調(diào)試的過程方便易行，查找問題簡單快捷。由于探頭本身自帶攝像頭，在發(fā)現(xiàn)探頭故障時可以先通過視頻初步判斷問題后，再去現(xiàn)場解決。在南海某氣田平臺的應用中驗證發(fā)現(xiàn)，CCTV火焰探測器避免了以往經(jīng)常遇到的電焊施工誤報警和海面反射的太陽光，以及設備表面反射的光線等造成的誤報警。

4 總結

目前，南海某氣田平臺的CCTV型火焰探測系統(tǒng)處于正常平穩(wěn)運行階段，應用效果較好。同時在海洋油氣陸上處理終端、LNG、渤海油氣平臺等項目中均陸續(xù)采用。由于CCTV型火焰探測系統(tǒng)結合了火焰探測和視頻監(jiān)控的功能，能在發(fā)生火災的第一時間將現(xiàn)場視頻圖像傳輸?shù)街锌叵到y(tǒng)進行報警，相當于把操作員的視野直接擴展到了現(xiàn)場，使操作員可以通過視頻第一時間了解現(xiàn)場情況，并及時啟動相關的消防措施，保證把初期火災控制在較小影響，較大提高了整個平臺設施的安全性。隨著技術的發(fā)展和成本的下降，CCTV火焰探測系統(tǒng)必將在海上生產(chǎn)設施上有更廣闊的應用空間。