研究火花檢測(cè)熄滅系統(tǒng)

文/陳麗娟

本文作者供職于重慶川維石化工程有限責(zé)任公司。

一種用于易燃易爆場(chǎng)合火花檢測(cè)及快速滅火系統(tǒng)的研究——在火炸藥生產(chǎn)車間、儲(chǔ)存場(chǎng)所以及裝填作業(yè)區(qū)域，設(shè)置高速響應(yīng)的火焰探測(cè)器，會(huì)在火災(zāi)萌芽初期就檢測(cè)到火焰，或者在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，能夠在6ms內(nèi)高速響應(yīng)，觸發(fā)安全聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)出指令，聯(lián)鎖打開噴淋電磁閥，進(jìn)行快速滅火。從火花檢測(cè)到聯(lián)鎖噴淋系統(tǒng)，響應(yīng)時(shí)間理論上為92.4ms。本系統(tǒng)快速響應(yīng)的特性確保了火炸藥生產(chǎn)、儲(chǔ)存、裝填等作業(yè)安全、可靠的運(yùn)行。

在火炸藥的生產(chǎn)、儲(chǔ)存以及裝填等特殊的生產(chǎn)作業(yè)場(chǎng)所，很容易產(chǎn)生火花，如果在火花產(chǎn)生前期沒有預(yù)測(cè)到或者在火花產(chǎn)生后未及時(shí)采取滅火措施，造成的經(jīng)濟(jì)損失是無法估量的。本文針對(duì)該種特殊場(chǎng)合，研究了一種火花滅火系統(tǒng)，在火災(zāi)萌芽時(shí)期就探測(cè)到火源，或者在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，從檢測(cè)到火焰并快速啟動(dòng)噴淋系統(tǒng)，在限定的時(shí)間內(nèi)完成滅火工作，使經(jīng)濟(jì)損失控制在最低。

系統(tǒng)構(gòu)成及特點(diǎn)

系統(tǒng)組成及工作流程

1.系統(tǒng)組成

火花滅火系統(tǒng)主要由高速火焰探測(cè)器、火焰監(jiān)控&安全聯(lián)鎖系統(tǒng)、以及快速噴淋系統(tǒng)等組成，火花滅火系統(tǒng)示意如圖1所示。

2.工作流程

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)某個(gè)檢測(cè)區(qū)域發(fā)現(xiàn)火源或者火災(zāi)萌芽初期，火焰探測(cè)器高速響應(yīng)，輸出兩路信號(hào)，其中一路信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA信號(hào)，進(jìn)入火焰監(jiān)控&安全聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)行火焰的連續(xù)監(jiān)視和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，另一路信號(hào)為開關(guān)量，進(jìn)入火焰監(jiān)控&安全聯(lián)鎖系統(tǒng)報(bào)警并啟動(dòng)聯(lián)鎖程序，系統(tǒng)輸出聯(lián)鎖指令驅(qū)動(dòng)快速噴淋系統(tǒng)電磁閥打開噴淋進(jìn)行滅火。

系統(tǒng)主要技術(shù)特點(diǎn)

1.火焰探測(cè)器：采用先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)，高速響應(yīng)能力可達(dá)6 ms以內(nèi)；采用獨(dú)特的抗誤報(bào)警技術(shù)，能夠避開星光、焊接弧光、日光和黑體發(fā)射源等干擾因素，精確探測(cè)到火花并無誤報(bào)警。具有TüV安全認(rèn)證，可靠性高。

2.安全聯(lián)鎖系統(tǒng)：安全PLC系統(tǒng)和SIS系統(tǒng)，均選用TüV SIL2/SIL3安全認(rèn)證產(chǎn)品，系統(tǒng)響應(yīng)快、安全、穩(wěn)定及可靠。其中SIS系統(tǒng)對(duì)快速響應(yīng)回路時(shí)間可達(dá)26 ms（回路時(shí)間包括信號(hào)輸入掃描1 ms,邏輯運(yùn)算控制器的處理時(shí)間可以設(shè)定10～500 ms，信號(hào)輸出掃描15 ms）。

3.系統(tǒng)配置靈活：針對(duì)單點(diǎn)或點(diǎn)數(shù)很少的場(chǎng)合，選擇安全PLC系統(tǒng)；針對(duì)生產(chǎn)車間連續(xù)生產(chǎn)作業(yè)、檢測(cè)點(diǎn)較多的場(chǎng)合，選擇SIS系統(tǒng)。

4.自動(dòng)噴淋系統(tǒng)電磁閥，響應(yīng)時(shí)間可達(dá)61 ms以內(nèi)，電磁閥具有TüV SIL2/SIL3安全認(rèn)證。

5.整個(gè)系統(tǒng)的探測(cè)元件、信號(hào)輸入/輸出單元、邏輯控制運(yùn)算單元、執(zhí)行元件均具有快速響應(yīng)特性，從火花檢測(cè)到聯(lián)鎖噴淋系統(tǒng)，響應(yīng)時(shí)間理論上為92.4 ms。

高速火焰探測(cè)器

火焰檢測(cè)原理

根據(jù)火焰的光特性，目前使用的火焰探測(cè)器有3種：一種是對(duì)火焰波長(zhǎng)較短的紫外光輻射敏感的紫外探測(cè)器；另一種是對(duì)火焰波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外光輻射敏感的紅外探測(cè)器；第3種是同時(shí)探測(cè)火焰波長(zhǎng)較短的紫外線和波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外線的紫外/紅外混合探測(cè)器。

具體根據(jù)探測(cè)波段可分為：?jiǎn)巫贤狻渭t外、雙紅外、三重紅外、紅外紫外以及附加視頻等火焰探測(cè)器。

探測(cè)器選型

根據(jù)火炸藥的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、裝填等各現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)特點(diǎn)，對(duì)火焰檢測(cè)響應(yīng)速度的需求不同，本系統(tǒng)配置兩款不同響應(yīng)速度的火焰探測(cè)器。

1.高速響應(yīng)紫外火焰探測(cè)器

紫外火焰探測(cè)器，可以對(duì)所有波段的火焰輻射進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)多數(shù)火焰可以做到快速可靠的響應(yīng)，且抗星光（STAR）、抗弧光（ARC）和抗日光干擾的能力強(qiáng)，紫外火焰探測(cè)器視錐如圖2所示。

紫外火焰探測(cè)器主要由檢測(cè)單元、信號(hào)處理和輸出單元、LED指示單元和接線單元等組成。

檢測(cè)單元采用高速、高靈敏度的測(cè)量管和卓越的機(jī)械設(shè)計(jì)，具有更先進(jìn)的探測(cè)能力、抗干擾能力以及更高的靈敏度。

檢測(cè)單元經(jīng)信號(hào)處理單元處理后，將火焰信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出，其中標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出包括繼電器輸出和模擬量輸出。

探測(cè)器面板上具有三色 LED狀態(tài)指示燈，用于指示正常情況、火警情況和故障情況。

性能特點(diǎn)：1）高速響應(yīng)時(shí)間可達(dá)6 ms以下；2）強(qiáng)大的抗誤報(bào)警技術(shù)，對(duì)存在的調(diào)制好的黑體發(fā)射源（如加熱器、烤箱、渦輪等）時(shí)，能夠?qū)鹧骓憫?yīng)且無誤報(bào)警；3）現(xiàn)場(chǎng)視角：90°視角，軸線為最高靈敏區(qū)。

2.多光譜紅外火焰探測(cè)器

多光譜紅外火焰探測(cè)器，是一種最新技術(shù)的光學(xué)火焰探測(cè)器。主要用來檢測(cè)碳?xì)漕惢鹧妫冗M(jìn)的專利信號(hào)處理技術(shù)確保了在有黑體模塊及其他誤報(bào)警源的情況下依然具備火災(zāi)報(bào)警能力，能夠極好地從輕質(zhì)和重質(zhì)碳?xì)浠衔锶剂现刑綔y(cè)到火焰，而且可在最大程度上抑制錯(cuò)誤報(bào)警。探測(cè)器具有各類防爆等級(jí)的產(chǎn)品，適合室內(nèi)和室外應(yīng)用。

性能特點(diǎn)：1）高靈敏度；2）響應(yīng)時(shí)間1 s以內(nèi)；3）擴(kuò)展的探測(cè)視野；4）優(yōu)化的誤報(bào)警抑制能力；5）真正的光學(xué)可靠性自檢能力；6）卓越的短距離探測(cè)能力：火災(zāi)萌芽時(shí)期即可探測(cè)到火源（見圖3）；7）測(cè)量范圍長(zhǎng)：同軸范圍210 ft，偏軸覆蓋率100%；8）在紅外干擾下也能看到火災(zāi)（見圖4）。

火焰監(jiān)控&安全聯(lián)鎖系統(tǒng)

根據(jù)火炸藥生產(chǎn)、儲(chǔ)存、裝填的生產(chǎn)作業(yè)特點(diǎn)，火焰監(jiān)控、安全聯(lián)鎖系統(tǒng)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式，即每個(gè)火焰點(diǎn)從檢測(cè)到監(jiān)控、到執(zhí)行都是獨(dú)立的回路，點(diǎn)與點(diǎn)之間的聯(lián)鎖相互無交叉。

根據(jù)各現(xiàn)場(chǎng)火焰探測(cè)器布點(diǎn)規(guī)模，針對(duì)幾點(diǎn)或十幾個(gè)點(diǎn)的場(chǎng)合選用PLC系統(tǒng)，針對(duì)生產(chǎn)車間點(diǎn)數(shù)規(guī)模較多的選用SIS系統(tǒng)。PLC系統(tǒng)和SIS系統(tǒng)均是ABB公司的具有TüV安全認(rèn)證的產(chǎn)品。本文主要介紹選用的SIS系統(tǒng)。

ABB的800xA是 唯 一 采 用嵌入式的差異性結(jié)構(gòu)的SIS系統(tǒng)，系統(tǒng)符合IEC61508、DIN V19250標(biāo)準(zhǔn)，取得IEC61508 SIL3級(jí)認(rèn)證，連續(xù)25年無事故運(yùn)行，最新一代的安全系統(tǒng)800xA High Integrity提供了領(lǐng)先的集成能力，該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1.采用高安全完整性控制器并行運(yùn)行差異技術(shù)的邏輯運(yùn)算。

2.AC800 MHI冗余控制器配置有效性高達(dá)99.9999%。

3.通過設(shè)備管理軟件包 （FDT/DTM)對(duì)ESD閥進(jìn)行部分行程測(cè)試 PST （Partial Stroke Test）。

4.系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間及掃描速度

SIS系統(tǒng)的掃描周期由T1、T2、T3三個(gè)時(shí)間構(gòu)成。

1）信號(hào)輸入卡件掃描時(shí)間T1：1ms。

2）邏輯運(yùn)算器處理時(shí)間T2：針對(duì)快速回路為10 ms，正常情況下掃描時(shí)間決定于系統(tǒng)的設(shè)置。

3）信號(hào)輸出卡件掃描時(shí)間T3：10 ms。

4）事件順序記錄（SOE）的分辨率為10 ms。

快速噴淋系統(tǒng)

根據(jù)火檢系統(tǒng)的高速響應(yīng)要求，本系統(tǒng)選用開式自動(dòng)噴淋系統(tǒng)，由開式噴淋頭、電磁閥組、加壓泵、緩沖罐及管道和供水設(shè)施等。

1.工作流程

正常情況下，確保儲(chǔ)水罐儲(chǔ)存一定的噴淋水，該管路保證有2.0 MPa的壓力。電磁閥和噴淋頭緊鄰安裝。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)某個(gè)檢測(cè)區(qū)域發(fā)現(xiàn)火源或者火災(zāi)萌芽初期，火焰探測(cè)器高速響應(yīng)，輸出兩路信號(hào)，其中一路信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA信號(hào)，進(jìn)入安全PLC/SIS系統(tǒng)進(jìn)行火焰的連續(xù)監(jiān)視和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；另一路信號(hào)為開關(guān)量，進(jìn)入PLC/SIS系統(tǒng)報(bào)警并啟動(dòng)聯(lián)鎖程序，系統(tǒng)輸出聯(lián)鎖指令驅(qū)動(dòng)噴淋系統(tǒng)電磁閥打開，開始噴淋，系統(tǒng)保證持續(xù)噴淋1 min。

2.部件說明

（1）電磁閥：噴淋系統(tǒng)中最關(guān)鍵的是電磁閥，關(guān)系到噴淋系統(tǒng)的啟動(dòng)響應(yīng)速度。本系統(tǒng)的電磁閥選用直動(dòng)式電磁閥，具有SIL2認(rèn)證，且在2.0 MPa的壓力情況下快速響應(yīng)時(shí)間可達(dá)61 ms，如圖5所示。

（2）開式噴淋頭：開式噴淋頭選用下噴式，一直處于常開狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，安全系統(tǒng)PLC/SIS聯(lián)鎖雨淋電磁閥打開，開式噴淋頭直接噴水進(jìn)行滅火。

系統(tǒng)全流程響應(yīng)時(shí)間

如圖6所示，高速火花滅火系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間由火焰探測(cè)器的檢探測(cè)時(shí)間T4、系統(tǒng)信號(hào)輸入卡件掃描時(shí)間T1、系統(tǒng)邏輯控制器運(yùn)算時(shí)間T2、系統(tǒng)信號(hào)輸出卡件掃描時(shí)間T3、噴淋系統(tǒng)電磁閥動(dòng)作時(shí)間T5決定。

表1中列出了TI～T5的最快響應(yīng)時(shí)間和常規(guī)響應(yīng)時(shí)間。

表1 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間

供電系統(tǒng)

1.系統(tǒng)供電：主控制中心的SIS系統(tǒng)可以采用2路UPS持續(xù) 供 電；SIS系統(tǒng)機(jī)柜內(nèi)照明、排風(fēng)系統(tǒng)可以采用市電供電。

2.現(xiàn)場(chǎng)儀表供電：現(xiàn)場(chǎng)火焰探測(cè)器和電磁閥由SIS系統(tǒng)直接供電。

安全防護(hù)措施

1. 防雷

考慮到火炸藥生產(chǎn)、儲(chǔ)存、裝填區(qū)域可能在雷擊多發(fā)地區(qū)，本系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)側(cè)和系統(tǒng)側(cè)均考慮必要的防雷保護(hù)措施，均考慮設(shè)置防浪涌保護(hù)模塊，以確保減少和降低雷擊風(fēng)險(xiǎn)帶來的直接損失和間接損失。

2.接地

本項(xiàng)目PLC/SIS系統(tǒng)機(jī)柜和現(xiàn)場(chǎng)儀表、儀表電纜托盤等的接地根據(jù)中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《儀表系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)規(guī)范》（HG/T20513—2014）和 中 石 化《石油化工儀表接地設(shè)計(jì)規(guī)范》（SH/T3081—2019）要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。接地系統(tǒng)為保護(hù)接地和工作接地，由機(jī)柜內(nèi)接地端子排引至電氣專業(yè)在機(jī)柜室內(nèi)設(shè)置的接地匯流點(diǎn)。接地電阻應(yīng)不大于4Ω。

結(jié)論

本系統(tǒng)不僅適用于火炸藥生產(chǎn)車間、儲(chǔ)存場(chǎng)所以及裝填作業(yè)等特殊領(lǐng)域，也適用于對(duì)火花探測(cè)要求快速響應(yīng)、易燃易爆的工序或領(lǐng)域。選用一套設(shè)置高速響應(yīng)、安全穩(wěn)定可靠性高的檢測(cè)和安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，在火災(zāi)萌芽初期就做出響應(yīng)，采取相應(yīng)的措施，將風(fēng)險(xiǎn)和損失降至最低。 ●