極早期吸氣式煙霧探測系統在海洋平臺的應用研究

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)

海洋平臺作業空間有限，機械和電氣設備高度集中，存在大量易燃易爆的烴類物質，以及大量的油氣存儲設備、輸送管道、法蘭及閥門等油氣泄漏源，可燃氣聚集到一定濃度就會造成重大火災和爆炸事故，這些事故不僅會破壞海洋平臺的結構和承載力，還會造成大量的人員傷亡、嚴重的經濟損失、惡劣的環境污染并破壞海洋生態。為此，建立性能穩定、安全、動作響應及時的火氣系統至關重要。首先，在不同工況的火區布置類型各異的火氣探頭，用于檢測報警；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，火氣系統根據設定的組態邏輯進行判斷；最后，啟動相應的報警、消防及關斷等系統。但在某些關鍵位置(如中控室地板夾層、開關間機柜內及電纜豎井等)，傳統的光電/離子式煙霧探測器由于受安裝空間的限制，安裝和后期維護困難，而且只有在火災產生可見煙時才會報警。按照火災發展的幾個階段進行時間定位[1]，此時已經過了控制火災的最佳時機，這嚴重地影響了平臺的安全與生產。

為此，筆者將極早期吸氣式煙霧探測系統(Very Early Smoke Detection Apparatus，VESDA)應用于海洋作業平臺，以期能夠對危險及早警示，并提示操作人員進行相關維護。

1 VESDA的特點與工作原理①

1.1 特點

VESDA是一種基于光學空氣監測技術和微處理器控制技術的吸氣式煙霧探測系統，它是針對火災初級階段(過熱、陰燃、低熱輻射和無可見煙)的探測與報警，報警時間比傳統的煙霧探測器提前數小時，能夠在火災初期消除安全隱患，VESDA與傳統光電/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

(續表1)

1.2 系統組成與工作原理

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

圖1 VESDA組成框圖

抽氣泵主動連續不斷地將保護區內的空氣吸入采樣管，采樣空氣經過一級過濾器后，灰塵及油霧等大顆粒雜質被過濾掉，然后作為空氣樣本進入激光探測腔；探測腔內的激光遇到煙霧粒子發生散射，散射光使高靈敏的光接收器產生光信號，經微處理器分析完成光電轉換，保護區內煙霧濃度值及其報警由顯示單元輸出。同時，微處理器過濾掉灰塵對煙霧探測的干擾，避免了誤報警。另外，VESDA主機通過繼電器或通信接口將報警信號傳送至平臺主火氣系統進行關斷和集中顯示。

部分采樣空氣經二級過濾器后產生高潔凈氣流，用于吹洗激光探測腔內的光學元件表面，確保探測精度不會隨使用時間而降低，延長了其使用壽命。

2 應用

2.1 收集區域信息

海洋作業平臺上機柜集中、設備發熱量較大的房間很多，如變壓器間、開關間、電潛泵控制間及中控室等，重點收集這些區域的環境條件、通風情況、區域結構和設備布置。

2.2 確定保護范圍

根據已經存在和預留的設備位置，規劃要布置的采樣管網的范圍，包括電纜豎井、機柜內、空調回風區、天花板、地板夾層及通風管道等。

2.3 確定空氣采樣方式

每種空氣采樣方式都有各自的應用特點，為有效地對保護區進行采樣，應根據場所條件選擇最佳的采樣方式，筆者在機柜內部和天花板上采用毛細管采樣；而機柜上方、電纜豎井、天花板和地板夾層則宜采用標準采樣方式；通風管道和空調回風格柵則采用回風采樣。在實際應用中，特別是氣流變化較大的場所，一般同時采用多種采樣方式。

2.4 選擇探測器類型

根據確定的保護范圍和空氣采樣方式，針對探測器應用的海洋環境條件，參考不同類型探測器的技術規格，選擇適宜的探測器類型。此處筆者選用了具有船級社認證的VLC-505(VN)型主機。

2.5 設計采樣管網

此環節的重點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、彎管和彎頭數量最少原則，對于機柜眾多的房間采取多個探測器分區布置。其中電潛泵控制間的采樣管網平面布置如圖2所示。

采樣管網設計完成后，采用ASPIRE2軟件驗證其性能，包括采樣孔平衡度、采樣空氣的最大傳輸時間和采樣孔靈敏度，其中采樣孔平衡度一般要求不小于70%，最大傳輸時間不大于60s，采樣孔靈敏度滿足設計要求。如果不能滿足以上要求，則需對采樣管的長度、采樣孔數量、彎管數量及半徑等進行調整后重新驗證。各參數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平面布置

2.6 確定通信方式

分級報警信號通過硬線以干接點形式連接到主火氣系統，設定最高級別的報警進行火氣關斷。另外，所有探測器通過RS485連接成環形網絡，通過Modbus或TCP/IP協議連接到上位機，通過專用軟件實時監測保護區的煙霧濃度值和報警狀態。

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、機柜內、空調回風格柵、天花板、地板夾層和通風管道。

3.1 電纜豎井

生活樓內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，會有很強的空氣流動，光電/離子式探測器很難發揮作用，而且電纜豎井空間有限，不利于傳統探測器的安裝，且密布的電纜也會對傳統探測器產生較強的電磁干擾；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，不利于空間內的熱量散發，更容易引發火災。

VESDA采樣管沿電纜方向敷設，按照GB 50116-2008《火災自動報警系統設計規范》和GB 50174-2008《子信息系統機房設計規范》的要求，在需要空氣采樣的位置設采樣孔，當電纜過熱時揮發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 機柜內

海洋作業平臺上機柜眾多的房間有很多，傳統的煙霧探測器只能布置在天花板上，當機柜內部元器件或電纜過熱僅產生微量煙霧時，傳統探測器就會失去作用。

采用VESDA探測器，對于有排風扇的機柜，可以將采樣管布置在機柜的排風口；對于沒有排風扇的機柜，可以根據項目要求采用毛細管采樣布置在機柜內部，或直接按標準將采樣系統布置在機柜上方約10cm處，如圖4所示，當機柜內有煙霧粒子時，即可在第一時間被檢測并報警。

圖4 機柜內探測器布置示意圖

3.3 空調回風格柵

平臺上機柜眾多的房間都配有空調，在空調運行過程中，房間內的煙霧粒子將隨著空調風的流向在室內循環，并不會到達天花板，而是隨氣流返回空調回風口，這種情況下，安裝在天花板上的傳統煙霧探測器就會失效。將VESDA采樣管安裝在空調的回風格柵，在空調風速較大的情況下仍然能夠檢測到煙霧粒子的存在。空調回風格柵的探測器布置如圖5所示。

圖5 空調回風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，發熱量很大，而且這類位置通風不暢，熱量不易散發，極易引發火災。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程指示的煙霧探測器，傳統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，電纜錯綜復雜，拆裝地板還可能影響系統安全，產生誤關斷。采用VESDA探測器，采樣管沿著天花板或地板夾層內的電纜布置，維護時只需在探測器主機的安裝位置進行管路吹掃即可。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 通風管道

大部分房間都有通風管道與外界相連，特別是由中央空調調節的房間，室內氣體通過回風管道排走，火災煙霧粒子也隨之排出，傳統探測器根本無法安裝檢測。如圖7所示，將VESDA探測器安裝在通風管道內的采樣管，采集被測區域的空氣，即可對這些煙霧粒子進行更集中、快速地檢測了。

圖7 通風管道內采樣管網布置示意圖

4 系統配置

本項目中，各房間內布置的VLC-505(VN)探測器的數量如圖8所示，布置探測器的房間包括電潛泵控制間、應急開關間、主開關間、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，干接點信號分為3個等級，分別對應煙霧濃度的3個級別，針對實際情況，設定報警的緊急級別，編制相應級別的應急預案，其中最高級別報警與傳統煙霧探測器設置相同。

同時，每個探測器通過RS485通信接口與其他探測器串連成環網，接到網絡模塊VRT-300上，經接口轉換VHX-0200(如果配置其他型號的接口轉換模塊，可以使用Modbus或TCP/IP等)后，對整個環網內的每臺探測器的狀態進行配置與讀取。上位機通過專用軟件實時監測煙霧濃度值的報警狀態，包括是否報警或故障、報警設定值及報警記錄等。

5 結束語

筆者設計的極早期吸氣式煙霧探測系統在海洋平臺上投運的實際應用結果表明：該系統能夠及早發現危險，較傳統煙霧探測器提前數小時報警。極早期吸氣式煙霧探測系統在海洋平臺的應用目前還處于起步階段，通常會與傳統煙霧探測器并用，最高級別的報警與傳統光電/離子式煙霧探測器同樣進行邏輯關斷，其他級別的報警只進行警示。鑒于VESDA探測系統的優良特性，其在空間受限，煙霧等火警現象極微弱的環境下，具有廣闊的應用前景。