淺析火災自動報警系統中的火焰探測技術

趙建強

（中國輕工業西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710001）

化工企業建設項目的不斷增加，企業消防安全問題越來越突出，火災自動報警系統中防爆型火焰探測器作為其重要組成部分，在企業防爆車間用得越來越廣泛。

1 火焰探測器的分類

點型火焰探測器是一種感光式火災探測器，是響應火焰輻射光譜中的紅外和紫外光的點型火災探測器。探測器為模塊化光學結構、微處理器邏輯處理單元和多種輸出單元。點型火焰探測器又分為三類：第一類，紅外探測器，用于火焰中波長較長的紅外光探測；第二類，紫外探測器，用于探測火焰中波長較短的紫外光；第三類，紫外/紅外混合探測器，用于探測火焰中波長較短的紫外線和波長較長的紅外線。目前，使用較為廣泛的是紫外、雙紅外、三紅外以及紅外紫外復合型火焰探測器等。

2 各類火焰探測器的原理

針對以上幾種火焰探測器，簡單介紹一下其原理。

2.1 點型紅外火焰探測器

點型紅外火焰探測器又稱感光式火災探測器，它是用于響應火災的光特性。內含一個紅外傳感器和光學過濾器，它響應火焰輻射光譜中的波長較長的紅外輻射。是用來檢測高溫火焰和因火焰引起的高溫氣體輻射出的各種頻帶的紅外線。紅外火焰探測器一般選取在4.35um波長附近的紅外輻射波段。由于乙醇、汽油等含有碳氫類物質燃燒時所產生的氣體主要成分為C02，而熱的C02氣體輻射強度最大的波段在4.35um附近，且由于地表對C02和水蒸氣吸收的影響，光譜中位于2.7～4.35um處的太陽光輻射的紅外光存在很少，因此，接收火焰產生的紅外輻射主要在4.35um波段左右。紅外火焰探測器內的光學過濾器，主要用于濾除日光燈或電焊機弧光等一些不需要的紅外輻射光，采用對紅外光敏感的光電管或光敏電阻收集起來。 紅外火焰探測器反應速度快，靈敏度中等，造價低。常用的有雙波段紅外和三波段紅外火焰探測器。

（1）雙波段紅外火焰探測器含有兩個紅外探測波長的傳感器和光學過濾器，適用于兩種在火焰燃燒時能產生不同窄帶濾波的光譜，一只紅外傳感器探測碳氫類物質燃燒產出的發射光譜，另一只紅外傳感器用于對環境光線、熱輻射等干擾光譜的探測。利用探測器的微處理器對探測參數進行邏輯運算，對符合火焰特征的輻射頻譜進行識別。通過分析烴類氣體的火焰光譜可以發現，燃燒產物中熾熱的CO2氣體在4.3μm附近有一個獨特的峰值輻射譜段，雙譜段紅外探測器一般都被設計為對這個峰值輻射產生響應，另外，再選用位于這個峰值譜段附近3.8～4.1μm背景輻射作為其參考探測目標。

（2）三紅外火焰探測器是在雙紅外火焰探測器的基礎上增加了一個紅外傳感器，含有三個紅外探測波長的傳感器和光學過濾器，一只紅外傳感器探測碳氫類物質燃燒產出的發射光譜，另外兩只紅外傳感器用于對環境光線、熱輻射干擾的光譜的探測。與雙紅外相比，具有更高的誤報免疫力，覆蓋范圍也更大。

2.2 紫外火焰探測器

紫外火焰探測器用于探測可燃物資剛燃燒時，快速輻射出強大能量的紫外線。紫外火焰探測器一般使用蓋革-彌勒管作為傳感器，多采用鎢作為陰極，典型工作譜段處于0.185～0.215μm，具有90°的視覺，可以探測到10～15m遠處，面積0.1m2的汽油火焰。因此，與紅外火焰探測器相比，紫外火焰探測器具有靈敏度高，火焰響應速度快、造價低的優點，特別適用要求對火焰信息快速響應和發出警報的工業設施場所。它既可以檢測碳氫化合物火焰，也可以識別非碳氫化合物火焰，但是，電弧、太陽光和水蒸氣、灰塵聚集的環境下等會降低紫外線型火焰探測器的靈敏度，因此，它不適用在經常產生焊接弧光、電弧的場所使用，也不適于在閃電下暴露的場所使用。

2.3 紅/紫外復合火焰探測器

紅/紫外復合火焰探測器采用三通道傳感器設計，紫外/紅外火焰探測器融合了探測紫外線波長的紫外探測器和探測紅外線波長的紅外探測器，采用一個對太陽光具有抗干擾能力的紫外傳感器和兩個窄譜段紅外傳感器制成。此探測器，只有當接收到相應頻帶的紅外信號，同時，又接收到相應頻帶的紫外線信號時，才可以確認火焰的存在。三通道傳感器中一個通道使用太陽光盲波段的紫外火焰探測器，其余兩個通道使用了工作在不同波長的紅外傳感器，一個傳感器作為紅外火焰主傳感器監測特定的火焰輻射波段，另一只傳感器為主傳感器提供可靠的檢測基準，用于消除監測環境中非火焰信息對主紅外火焰傳感器的影響。復合火焰探測器對特定的相對短小的波長段敏感，可以抑制錯誤報警，其還帶有高敏感度的傳感器，對火焰的判斷能力增強，火災探測的準確度得到了提高，實現了對火焰信號的快速響應和準確識別。

紫外紅外復合火焰探測器輸出方式有多種，既可以提供無源節點輸出，也可以根據客戶的要求提供標準的電流輸出或485通訊輸出功能。

以上幾種點型火焰探測器可以根據不同工程需求，制成隔爆型結構，其防爆標志：Exd II CT6。用于化工廠或其他達到IIA、IIB、IIC防爆區域，引燃溫度組別為T1～T6的1區、2區可燃性氣體或揮發蒸汽與空氣形成的爆炸混合物的場所。

3 火焰探測器在鋼鐵工業煤氣生物發酵法制燃料乙醇項目中的應用

依據《火災自動報警系統設計規范》 GB50116-2013、《石油化工企業設計防火標準》GB50160-2018，在河北首朗新能源科技有限公司4.5萬噸/年鋼鐵工業煤氣生物發酵法制燃料乙醇項目-蒸餾脫水工段設計中選用了火焰探測。

鋼鐵工業煤氣制乙醇為節能環保項目，項目單體蒸餾脫水工段建筑地上四層，生產火災危險性類別為甲類，爆炸危險性分區為2區，建筑物內易燃易爆物質為乙醇揮發出的蒸汽，其燃燒后產物主要成分為CO2和水，綜合分析火焰探測器的特性，本設計選用防爆型四波段紅紫外復合火焰探測器（IIA）。

爆炸危險場所使用的紫外/紅外火焰探測器。具有90°的寬闊視野，30m的有效性能范圍。輸出包括繼電器，4～20mA信號，RS-485通信方式。

防爆四波段紅/紫外復合火焰探測器含三個紅外傳感器和一個紫外傳感器及光學過濾器。紫外傳感器能夠在火災和爆炸物點燃的瞬間對紫外線放射作出反應，其他三個傳感器，一個對CO2發射光譜具有最高的靈敏性，另兩個傳感器對環境光線、熱體輻射的干擾進行探測，探測器對發生火災的紅外線、紫外線進行雙通道火焰探測并進行多信號處理，同時，避免環境熱源各種環境光線的干擾，結合對火災發生時火焰閃爍頻率的邏輯綜合判斷，能夠抑制錯誤報警及達到最佳火災探測性能，提高了探測器的靈敏度和響應時間。根據車間環境需要，探測器設置為紅外、紫外探測與、或邏輯關系，且能夠在高/低溫、高濕、震動等惡劣的廠房內工作。

防爆四波段紅/紫外復合火焰探測器的安裝中主要應注意以下幾點：（1）把探測器安裝在保護區內最高探測點高度的兩倍。且在探測器的有效保護范圍內，不能被障礙物阻擋，包括透明材料。此時，探測器可以覆蓋所有需要保護的區域。（2）探測器需要向下傾斜30°～45°安裝，可以向下和向前看，同時，探頭不宜被落下的灰塵遮擋，減少了鏡面污染。所有可能發生火災的保護區內的探測器應保持直線，以避免造成間接事故和反射。（3）依據所選用復合探測器的探測距離進行設計，一般對角安裝火焰探測器，以滿足保護點的全覆蓋，避免了探測盲區的出現。當其中一個火焰探測器發生故障時，它也可以提供備用保護。（4）防爆紫外紅外復合火焰探測器均通過I/O模塊和信號總線及電源線接至火災報警系統主機，以實現監測火災并發出報警信號的要求，達到聯動消防水系統滅火的目的。

本化工項目消防于2018年7月經專業消防隊施工調試完畢，8月經當地有關主管部門竣工驗收合格，于10月正式投入使用。

工廠經過近段時間的持續運營，沒有出現過因消防安全引起的事故停產，表明項目設計的火災自動報警系統及蒸餾脫水工段所選用的防爆四波段紅/紫外復合火焰探測器安全可靠，可以滿足本工廠對消防安全的需求，并為本廠長期無故障運行提供了切實的保證。

4 結語

火焰探測器已經發展多年，形成了各種傳感器組合，而使用新邏輯和數學技術的新一代火焰探測器，其靈敏度高、報警準確、保護范圍更大。但其在工業場所火災報警系統使用中，要綜合考慮、規范運用。需對不同工程的特殊性選擇合理實用的探測器。