极早期吸气式烟雾探测系统在海洋平台的应用研究

王乃民 李 红 付勃昌 娄雅琼

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

海洋平台作业空间有限，机械和电气设备高度集中，存在大量易燃易爆的烃类物质，以及大量的油气存储设备、输送管道、法兰及阀门等油气泄漏源，可燃气聚集到一定浓度就会造成重大火灾和爆炸事故，这些事故不仅会破坏海洋平台的结构和承载力，还会造成大量的人员伤亡、严重的经济损失、恶劣的环境污染并破坏海洋生态。为此，建立性能稳定、安全、动作响应及时的火气系统至关重要。首先，在不同工况的火区布置类型各异的火气探头，用于检测报警；其次，将所检测到的信息由仪表电缆传送到中控室的火气控制系统，火气系统根据设定的组态逻辑进行判断；最后，启动相应的报警、消防及关断等系统。但在某些关键位置(如中控室地板夹层、开关间机柜内及电缆竖井等)，传统的光电/离子式烟雾探测器由于受安装空间的限制，安装和后期维护困难，而且只有在火灾产生可见烟时才会报警。按照火灾发展的几个阶段进行时间定位[1]，此时已经过了控制火灾的最佳时机，这严重地影响了平台的安全与生产。

为此，笔者将极早期吸气式烟雾探测系统(Very Early Smoke Detection Apparatus，VESDA)应用于海洋作业平台，以期能够对危险及早警示，并提示操作人员进行相关维护。

1 VESDA的特点与工作原理①

1.1 特点

VESDA是一种基于光学空气监测技术和微处理器控制技术的吸气式烟雾探测系统，它是针对火灾初级阶段(过热、阴燃、低热辐射和无可见烟)的探测与报警，报警时间比传统的烟雾探测器提前数小时，能够在火灾初期消除安全隐患，VESDA与传统光电/离子式探测器的性能比较见表1。

表1 VESDA与光电/离子式探测器的性能比较

(续表1)

1.2 系统组成与工作原理

VESDA由采样管网、抽气泵、一级过滤器、二级过滤器、激光探测腔、微处理器和报警显示单元组成，如图1所示。

图1 VESDA组成框图

抽气泵主动连续不断地将保护区内的空气吸入采样管，采样空气经过一级过滤器后，灰尘及油雾等大颗粒杂质被过滤掉，然后作为空气样本进入激光探测腔；探测腔内的激光遇到烟雾粒子发生散射，散射光使高灵敏的光接收器产生光信号，经微处理器分析完成光电转换，保护区内烟雾浓度值及其报警由显示单元输出。同时，微处理器过滤掉灰尘对烟雾探测的干扰，避免了误报警。另外，VESDA主机通过继电器或通信接口将报警信号传送至平台主火气系统进行关断和集中显示。

部分采样空气经二级过滤器后产生高洁净气流，用于吹洗激光探测腔内的光学元件表面，确保探测精度不会随使用时间而降低，延长了其使用寿命。

2 应用

2.1 收集区域信息

海洋作业平台上机柜集中、设备发热量较大的房间很多，如变压器间、开关间、电潜泵控制间及中控室等，重点收集这些区域的环境条件、通风情况、区域结构和设备布置。

2.2 确定保护范围

根据已经存在和预留的设备位置，规划要布置的采样管网的范围，包括电缆竖井、机柜内、空调回风区、天花板、地板夹层及通风管道等。

2.3 确定空气采样方式

每种空气采样方式都有各自的应用特点，为有效地对保护区进行采样，应根据场所条件选择最佳的采样方式，笔者在机柜内部和天花板上采用毛细管采样；而机柜上方、电缆竖井、天花板和地板夹层则宜采用标准采样方式；通风管道和空调回风格栅则采用回风采样。在实际应用中，特别是气流变化较大的场所，一般同时采用多种采样方式。

2.4 选择探测器类型

根据确定的保护范围和空气采样方式，针对探测器应用的海洋环境条件，参考不同类型探测器的技术规格，选择适宜的探测器类型。此处笔者选用了具有船级社认证的VLC-505(VN)型主机。

2.5 设计采样管网

此环节的重点是确定采样孔的位置和探测器的位置，遵循采样管长度最短、弯管和弯头数量最少原则，对于机柜众多的房间采取多个探测器分区布置。其中电潜泵控制间的采样管网平面布置如图2所示。

采样管网设计完成后，采用ASPIRE2软件验证其性能，包括采样孔平衡度、采样空气的最大传输时间和采样孔灵敏度，其中采样孔平衡度一般要求不小于70%，最大传输时间不大于60s，采样孔灵敏度满足设计要求。如果不能满足以上要求，则需对采样管的长度、采样孔数量、弯管数量及半径等进行调整后重新验证。各参数的校正算式分别如下：

式中Fave——所有采样孔的平均气流量；

Fmin——采样孔中的最小气流量；

Frat——采样孔的气流量与采样管气流总量的比值；

Sdet——探测器灵敏度。

图2 电潜泵控制间采样管网平面布置

2.6 确定通信方式

分级报警信号通过硬线以干接点形式连接到主火气系统，设定最高级别的报警进行火气关断。另外，所有探测器通过RS485连接成环形网络，通过Modbus或TCP/IP协议连接到上位机，通过专用软件实时监测保护区的烟雾浓度值和报警状态。

3 典型安装

笔者在海洋平台上布置的VESDA典型位置包括：电缆竖井、机柜内、空调回风格栅、天花板、地板夹层和通风管道。

3.1 电缆竖井

生活楼内电缆竖井贯穿不同的甲板层，各层间的电缆竖井不做密封隔断时，会有很强的空气流动，光电/离子式探测器很难发挥作用，而且电缆竖井空间有限，不利于传统探测器的安装，且密布的电缆也会对传统探测器产生较强的电磁干扰；如果各层竖井间隔断，电缆竖井就会被分割成几段密闭空间，不利于空间内的热量散发，更容易引发火灾。

VESDA采样管沿电缆方向敷设，按照GB 50116-2008《火灾自动报警系统设计规范》和GB 50174-2008《子信息系统机房设计规范》的要求，在需要空气采样的位置设采样孔，当电缆过热时挥发的烟雾粒子就能被探测器检测到，采样管由PVC材料制作，不存在电子元器件，主机布置在电缆竖井外，避免了电缆电磁干扰的影响，电缆竖井的探测器布置如图3所示。

图3 电缆竖井的探测器布置示意图

3.2 机柜内

海洋作业平台上机柜众多的房间有很多，传统的烟雾探测器只能布置在天花板上，当机柜内部元器件或电缆过热仅产生微量烟雾时，传统探测器就会失去作用。

采用VESDA探测器，对于有排风扇的机柜，可以将采样管布置在机柜的排风口；对于没有排风扇的机柜，可以根据项目要求采用毛细管采样布置在机柜内部，或直接按标准将采样系统布置在机柜上方约10cm处，如图4所示，当机柜内有烟雾粒子时，即可在第一时间被检测并报警。

图4 机柜内探测器布置示意图

3.3 空调回风格栅

平台上机柜众多的房间都配有空调，在空调运行过程中，房间内的烟雾粒子将随着空调风的流向在室内循环，并不会到达天花板，而是随气流返回空调回风口，这种情况下，安装在天花板上的传统烟雾探测器就会失效。将VESDA采样管安装在空调的回风格栅，在空调风速较大的情况下仍然能够检测到烟雾粒子的存在。空调回风格栅的探测器布置如图5所示。

图5 空调回风格栅探测器布置示意图

3.4 天花板和地板夹层

电气房间和中控室的天花板和地板夹层电缆纵横交错，发热量很大，而且这类位置通风不畅，热量不易散发，极易引发火灾。为了检测天花板和地板夹层的烟雾粒子，通常会在这些位置安装带远程指示的烟雾探测器，传统的烟雾探测器不但检测不到极早期的烟雾粒子，而且受安装空间的限制，每次维护都要拆装天花板和地板，极为不便，特别是中控室地板夹层，电缆错综复杂，拆装地板还可能影响系统安全，产生误关断。采用VESDA探测器，采样管沿着天花板或地板夹层内的电缆布置，维护时只需在探测器主机的安装位置进行管路吹扫即可。中控室地板夹层的探测器布置如图6所示。

图6 中控室地板夹层探测器布置示意图

3.5 通风管道

大部分房间都有通风管道与外界相连，特别是由中央空调调节的房间，室内气体通过回风管道排走，火灾烟雾粒子也随之排出，传统探测器根本无法安装检测。如图7所示，将VESDA探测器安装在通风管道内的采样管，采集被测区域的空气，即可对这些烟雾粒子进行更集中、快速地检测了。

图7 通风管道内采样管网布置示意图

4 系统配置

本项目中，各房间内布置的VLC-505(VN)探测器的数量如图8所示，布置探测器的房间包括电潜泵控制间、应急开关间、主开关间、中控室、主变压器间、电潜泵变压器间和生活楼电缆竖井。

图8 VLC-505(VN)探测器布置示意图

VESDA探测器通过硬线连接到海洋平台主火气系统，干接点信号分为3个等级，分别对应烟雾浓度的3个级别，针对实际情况，设定报警的紧急级别，编制相应级别的应急预案，其中最高级别报警与传统烟雾探测器设置相同。

同时，每个探测器通过RS485通信接口与其他探测器串连成环网，接到网络模块VRT-300上，经接口转换VHX-0200(如果配置其他型号的接口转换模块，可以使用Modbus或TCP/IP等)后，对整个环网内的每台探测器的状态进行配置与读取。上位机通过专用软件实时监测烟雾浓度值的报警状态，包括是否报警或故障、报警设定值及报警记录等。

5 结束语

笔者设计的极早期吸气式烟雾探测系统在海洋平台上投运的实际应用结果表明：该系统能够及早发现危险，较传统烟雾探测器提前数小时报警。极早期吸气式烟雾探测系统在海洋平台的应用目前还处于起步阶段，通常会与传统烟雾探测器并用，最高级别的报警与传统光电/离子式烟雾探测器同样进行逻辑关断，其他级别的报警只进行警示。鉴于VESDA探测系统的优良特性，其在空间受限，烟雾等火警现象极微弱的环境下，具有广阔的应用前景。