舰船大空间场所火灾探测系统设计研究

, ,雪峰

(中国船舶重工集团公司第七二六研究所，上海 201108)

舰船的大空间场所与其它场所相比涉及的系统和设备更加复杂，火灾荷载更多，因而火灾风险和危害性更大。根据国外的事故统计，船上典型大空间场所——机库的火灾在大型舰船火灾中占有一定比例，且均造成了重大经济和军事损失。根据舰船消防“早期探测 快速灭火”的要求，火灾探测系统对抑制初期火灾并控制火灾的危害程度能起关键作用。本文以机库为例讨论舰船上的大空间场所火灾探测系统的设计，内容仅涉及火灾探测器的选型、布置和性能试验，不包括火警系统的设计。

1 规范要求

《GJB 4000—2000 舰船通用规范》[1](以下简称《规范》)和《GJB 868—91 舰船消防要求》[2](以下简称《要求》)是目前舰船火灾探测系统设计的主要依据。《规范》中“528章 火灾探测、报警和灭火控制系统”，《要求》中“8 探火、失火报警系统及灭火设施的设置”和“9 固定式探火和失火报警系统”规定了舰船探火、失火报警设施的配置及系统设计的一般要求。它们对机库火灾探测设置的要求是一致的，主要可以归纳为：安装固定式可燃气体浓度探测器。根据环境条件、火灾的危险程度和火灾发生时的燃烧物，选择感温、感烟、感光或组合型等不同型式的防爆型探测器。探测器的安装部位应能保证取得最佳的探火效能，并使所有潜在的失火点均能被探测到，且应不致受到灰尘、气流、油雾和热气的影响而产生误动作。此外，民规《GB 50284—98飞机库设计防火规范》[3]“8.4 火灾自动报警系统”中规定，飞机停放和维修区的屋顶承重构件宜选用感温探测器；飞机维修工作区宜选用火焰探测器、红外光束感烟探测器；在有可燃蒸汽聚集的空间宜选用可燃气体探测器。

根据规范要求初步可确定机库中设置的探测器种类为可燃气体浓度探测器、感温探测器、感烟探测器和光学火焰探测器。虽然点式感温或感烟探测器的布置(保护面积、安装高度和间距等)在规范中也有规定，总体上各类探测器的布置方案还需联系保护区内的实际情况后确定。

2 性能设计及实例

探测器实际效能易受环境因素的影响，而国家标准对点型感温或感烟火灾探测器技术要求及试验方法，以及点型红外或紫外火焰探测器性能要求及试验方法，只能给出指定实验室环境下的探测器性能试验方法及要求。探测器型式试验结果并不能完全反映出探测器在真实复杂环境下的效能。国外在制订适用于军用机库的探测器性能评价标准方面曾开展过专门研究。以美国、加拿大对光学火焰探测器的研究工作为例进行说明。

从美国NRL《军用飞机库光学火焰探测器：光学火焰探测器对燃料流淌火和光学干扰的性能最终报告》(2000年5月)看，之前美国在军用机库中采用的主要消防策略是由光学火焰探测器发出报警信号后由手动启动翼下的AFFF系统，并且要求安装在低位(low-level)的光学火焰探测器采用紫/红外复合探测器。由于更为先进的光学探测技术要投入使用以及海军对探测器工作中出现的一些常见误报情况的经验，美国海军设施工程司令部(NAVFAC)提出了制订军用机库光学火焰探测器性能标准的需求。该项目由HAI公司选取了多型火焰探测器(包括紫/红外，双波段红外和波段三红外)进行大量试验，测试探测器对JP-5或JP-8燃料火的探测能力以及对特殊光源、焊接等常见干扰的免疫能力，其中关于抗干扰能力的试验借鉴了加拿大国家研究委员会(NRC)在1994～1998年的部分研究成果。基于大量的试验结果，报告最后对建立光学火焰探测器性能标准提出了多项建议，如关于试验探测器的安装(距离和角度)，探测器在不同距离至少能探测到的火源功率，通过对飞机进行破坏性试验确定最大火灾规模，遮挡物的放置方式，虚假火源模拟装置以及不必要的试验项目等。由NRC编制的《军用机库中光学火焰探测器性能规范草案》可以被看作是一部验证机库或飞机掩体中光学火焰探测器探测火源及抗误报能力的试验大纲，主要分为响应试验和干扰光源试验两部分，各部分均包括合格判据。试验的火源等由NAVFAC指定，较为符合机库的实情。以上文献虽距今已有很长时间，但这种通过大量试验研究成果，形成探测器性能测试规范的方法值得借鉴。

大型舰船的飞机库是舰载机停放、维修和加油的场所，具有非常高的火灾风险。机库空间大、遮挡严重和风速高等特点对探测器的探测距离和灵敏度提出了更高的要求。机库中最严重的火灾场景是飞机燃料箱或油管受到外部因素碰撞而破裂，燃油蒸发形成的可燃气体受点火能的意外激发导致火灾。库内其它火灾场景还包括电气设备线路老化、短路形成的阴燃，机库的通风系统会将烟雾很快稀释，这类潜在火源较难被发现。机库内对探测器报警的干扰主要源于机翼或机身的遮挡、强日光、水雾等静态因素和机械通风及战时信号灯快速变换等动态因素。由于机库内火源类型较多，而不同工作原理的探测器对各类火源的探测能力以及环境适应性差异很大，在机库中必须结合多种判据(光学、烟雾、温度)进行火灾探测，这也符合国内规范对机库中火灾探测器设置的要求。以下说明各类探测器系统的选型设计过程，总体上最终确定的探测器型号是相同试验场景中响应最快，抗干扰能力最强的。

1)光学火焰探测器。紫外火焰探测器易受雷电、电焊等常见强紫外光源的干扰，紫外辐射波长较短，易被烟尘、烟雾粒子和蒸汽等吸收，虽然响应快，但探测距离较短。红外火焰探测器特别适用于碳氢化合物的火焰探测，由于红外线穿透能力强，红外探测器的探测距离较长，增加了辅助监视通道的双波段红外或三波段红外探测器误报率和漏报率较低，响应时间更短。结合光电技术和图像处理的图像感焰探测器与传统的火焰探测器相比，扩大了探测器的感焰面积，能给用户提供更多的火场信息。参与选型的探测器包括三波段红外探测器(2型)，图像型感焰探测器。选型试验包括对探测器响应能力和抗干扰能力的测试，响应能力试验的变量为火源尺寸、探测角度和探测距离，抗干扰能力试验的变量为光线和障碍物，试验参数的设计都源于真实工况。对光学探测器布置也进行了专门试验，目的是确定安装高度。

2)感烟探测器。从烟雾的采样方式不同可以分为被动式感烟探测器和主动吸气式感烟探测器。通常离子感烟探测器不适用潮湿环境，适合探测小粒径的颗粒，而光电感烟探测器适合探测油火产生的大粒径颗粒。在机库大空间上送风下回风的气流环境中，燃烧产生的烟雾达到探测器分析腔的时间较长，除非是较大规模的油池火。参与选型的探测器包括空气采样感烟探测器(3型)，光截面感烟探测器和点式感烟探测器。选型试验包括对探测器响应能力和抗干扰能力的测试，响应能力试验针对电缆和油火两种型式，干扰因素为环境气流，试验参数的设计都源于真实工况。感烟探测器的布局遵循现有烟雾探测火灾报警系统设计、施工及验收规范。

3)感温探测器。相关规范都提到要在机库中安装感温探测器。但烟气运动规律和计算结果表明，机库大空间机械通风(8～12 m/s)条件下，火灾早期烟气温度上升缓慢，达到感温探测器报警阈值点(68 ℃)的时间很长，场景模拟计算结果见图1、表1。

场景说明如下。

计算空间：48.5 m×26.0 m×7.5 m;

计算时间：120 s;

火源：0.6 m×0.6 m,煤油。

图1 计算实例

表1 计算结果(120 s时) ℃

4)可燃气体探测器。航空燃油在贮存容器中处于静止状态时，会通过容器阀门或细小空隙不断向外扩散，环境的昼夜温差还会引起小呼吸现象。如遇管道或油箱破损，燃油会被喷散为雾状蒸发。航空燃油的静蒸发和动蒸发状态使得机库中不可避免会存在一定量的易燃易爆混合油气，当混合气体中可燃气体的浓度处于爆炸极限(燃油：0.6%～4.6%)时，只要具备足够的点燃能量，就会发生爆炸。可燃气体探测器挂接在数据采集箱上，通过分析监测数据，决定通风、油路等外设的工作状态，其性能的优劣直接影响机库大空间安全防护的效果。机库的可燃气体探测器除了要考虑灵敏度、响应时间、气体选择性和稳定性等基本特性参数，还必须满足可靠性、维修性、防爆和船用环境适应性的要求，参与选型的包括扩散式和吸入式的催化型探测器，点式红外探测器。对于此类多评价准则的系统分析，可借助层次分析法[4]等优选方法进行决策。

3 结论

在火灾探测系统设计过程中，先依据规范设置必要的探测器类型，要达到规范对探测系统效能的要求，必然还要进行深入的依据探测器性能的设计分析。制订探测器性能试验方案需花费较多的时间和精力，建立针对特殊场所的火灾探测器性能要求及测试方法，有益于推广新的探测技术和提高火灾防护能力。对大量试验结果进行分析是形成探测器性能要求及测试方法的基础，要形成规范的测试方法还需进一步深化研究科学、通用的测试装置。

[1] 国防科学技术工业委员会.GJB4000—2000舰船通用规范[S].北京：国防科工委军标出版发行部，2000.

[2] 国防科学技术工业委员会.GJB868—91舰船消防要求[S].北京：国防科工委军标出版发行部，1991.

[3] 中华人民共和国建设部.GB50284—98飞机库设计防火规范[S].北京：中国标准出版社，1998.

[4] 胡运权，郭耀煌.运筹学教程[M].北京：清华大学出版社，1998.