Optimization Scheme on the Fire Detection for a Sightseeing Hall Whichis on the Top of an Administration Building in a Nuclear Power Plant

Zhao Yuanhua



Optimization Scheme on the Fire Detection for a Sightseeing Hall Whichis on the Top of an Administration Building in a Nuclear Power Plant

Zhao Yuanhua

AbstractNew question and challenge occur with the reconstruction of the sightseeing hall on the top of the high-rise building. Utilizing characteristic and advantage of video-imaging fire detection system, can effectively replae smoke detectors and making up its disadvantages, it can provide safe reliable fire protection for the special area.

Keywordshigh-rise building, sightseeing hall, video-imaging fire detection

0引言

对于工业及民用的高大空间、户外堆场等场所(如大型体育场馆、候车室、物流仓库、隧道、机库、油罐、石油钻井平台、核电站以及各类石油化工企业等)而言，其传统的火灾探测报警系统由于存在某些技术缺陷则不能完全满足这些场所对火灾探测的需求。因此解决高大空间的早期火灾探测、精确定位火灾发生位置、有效联动消防设备等问题，一直是火灾探测及消防灭火领域的重大难题。

图像型火灾探测器由具有高防护等级的专业摄像机采集被保护现场的视频图像，通过基于嵌入图像处理器内的智能火灾模型算法对采集到的图像进行分析处理，实现对保护现场早期火灾的探测和确认，从而有效解决高大空间、易燃、易爆等场所的火灾探测难题。

本文利用当前的技术与设备，对过去的工程案例进行反思与研究，从理论及应用层探讨对新的火灾探测手段，并与常规设计方案进行比对，从而得出有指导意义的结论，为后期的设计工作提供思路。

1工程概述

本文以国内某在建核电厂厂前区的综合办公楼为例进行论述该办公楼既是该电厂的行政办公核心，也是该电厂BOP工程通信网络系统的核心节点(BOP即balance of plant，是核电厂的配套设施)，楼内设有办公室、会议室、网络机房、地下车库等场所，其中还包括一个可容纳947人的报告厅。

办公楼地上12层，地下1层，建筑高度48.5m，占地面积3 505.4m2，总建筑面积18 220.0m2，其中地上15 735.8m2、地下2 484.2m2。办公楼各层使用功能：1层为办公及947人报告厅，2～12层为办公，地下1层为Ⅳ类车库，可停车45辆。

本工程于2010年进行设计，根据当时施行的GB 50045-95(2005年版)《高层民用建筑设计防火规范》将工程定义为二类高层民用建筑，采用钢筋混凝土框架结构，设计耐火等级为二级、地下车库耐火等级为一级。综合办公楼设有4部疏散楼梯，其中直通地下车库的楼梯共2部；主体部分的疏散楼梯为防烟楼梯间，设有消火栓系统、自动喷水灭火系统、防排烟系统和火灾自动报警系统。

在本工程竣工后，电厂业主希望对该建筑的顶层进行局部改造，将原本的上人屋面变更为一个两层楼高、可俯视整个核电厂区的观光层。为了营造出一个屋顶花园阳光房的建筑效果，主体采用了钢结构的形式，同时以玻璃幕墙、石材及金属百叶相结合的方式构成统一的外墙风格。

屋面的改造不仅调整了使用性质，也使得建筑物的类别发生了变化，给整栋建筑的消防设计带来了新的问题与挑战。

2原始设计介绍

根据当时施行的GB 50116-98《火灾自动报警系统设计规范》可知，本建筑定义为一级保护对象。面对新增的观光层，首先考虑采用红外对射感烟探测器，但是该类型探测器在钢结构建筑中会产生较为严重的误报；随后考虑采用空气采样感烟火灾探测器，其虽然拥有较高的探测灵敏度，但是受制于热障效应，且需要明敷较多的采样管，因此也并不适用。

由于没有找到更好的探测方式，因此沿用了本建筑其他楼层所选用的感烟探测器为观光层提供火灾探测保护，如图1所示。图中所有青色方块为安装在金属构建下方的感烟探测器，红线为信号线回路，均沿顶部的金属构建进行敷设。由于所有探测器都设在顶部，考虑到屋顶的热障效应，则根据规范将探测器下表面至顶棚或屋顶的距离确定为200mm。

图1　观光层点式感烟探测器设计平面图

3观光层防火设计分析

增设观光层后，综合办公楼的建筑高度将达到55.9m，如图2所示。根据GB 50045-95(2005年版)《高层民用建筑设计防火规范》中关于建筑分类的定义对其进行改造，使其由二类高层建筑变更为一类高层建筑。

图2　综合办公楼观光层剖面图

对于其建筑高度的改变带来的防火设计问题，需要运用消防安全工程学对设计方法进行分析论证，以确保其防火设计方案仍能达到规范的要求。

在设计火灾场景时应设定火源在建筑物内，考虑到建筑的空间几何特征，本文拟在综合办公楼内假设如下2个火源位置来进行火灾分析。

火源位置A：位于办公楼顶楼观光夹层休息区内，如图3所示。若当休息区内的沙发发生火灾时，火源附近疏散出口被堵，烟气会蔓延至顶部中庭。

火源位置B：位于办公楼十二楼某会议室内，如图4所示。若当会议室内的办公家具发生火灾时，火源附近疏散出口被堵，且通往楼梯间的防火门未正常关闭，烟气会蔓延至顶部中庭。

图3　观光层火源位置示意图

本文就上述两种情况时进行分析，假设自动灭火系统及排烟系统分别处于有效或失效状态下，选定2组共6个火灾场景进行模拟计算，得出最大的火灾热释放速率，如表1所示。

图4　十二层火源位置示意图

表1　火灾场景分析汇总表

各安全出口附近清晰高度处各项参数的极限值如表2所示。

表2　各设定火灾场景下烟气流动的模拟计算结果

根据所设定的火灾场景，本文设置了相对应的如下2个疏散场景，见表3。

表3　设定疏散场景汇总表

为实现安全疏散的功能目标，疏散设计应满足综合判定标准，即：人员可用疏散时间TASET>人员必需疏散时间TRSET。

通过比较必需疏散时间与可用疏散时间，可判断各个设定火灾场景和疏散场景中人员是否可以安全地疏散到室外区域。相关结果比较和分析请见表4。

表4　人员疏散安全性判定

根据表4可得知：

1) 当火灾发生在观光层时，人员可用疏散时间较长，在危险来临之前，人员均可安全离开本层。

2) 若火灾发生在12层会议室，当自动喷水灭火系统和排烟系统有效时，人员可安全离开本层；当上述消防设施有一个失效时，12层人员的安全疏散不能得到保证。综上所述，采取上述防火设计方案能够满足人员安全疏散的要求。当然，建筑的消防安全是一个相对成立的概念，为了提高建筑的消防安全性能，实现设计目标，本文将突破口设定在火灾探测器的选择上。参考现行的GB 50116-2013《火灾自动报警系统设计规范》可知，应根据保护场所可能发生火灾的部位和燃烧材料、火灾探测器的类型、灵敏度和响应时间等方面进行分析来选择相应的火灾探测器。本文拟将以下3点作为突破口，找寻合理的优化方案：

1)灵敏度高，只有提高灵敏度，才能更早地发现火情，为人员安全疏散提供必要保障。

2)抗热障效应强，由于观光层主要采用玻璃外墙，屋顶易受辐射热作用或因其他因素影响，可能在顶棚附近产生空气滞留层，形成热屏障。

3)布线简洁，基于观光层的使用功能考虑，设备布线必须简洁隐蔽，尤其不能纵横于玻璃屋顶，以免影响美观。

4IFE图像型火灾探测系统

《FM Global Property Loss Prevention Data Sheets》中5-48 AUTO MATIC FIRE DETECTION提到，对于开放式室内外建筑，需使用视频图像式探测器。

IFE图像型火灾探测系统采用了先进的智能识别算法，能够在复杂的场景中实现对火灾的快速识别和响应，并能够与传统火灾报警控制器进行无缝连接，方便系统管理的同时还能提供现场指示功能，便于现场对探测器的工作状态进行清晰识别。

IFE系统的工作原理是通过分析高性能计算机对标准闭路电视(CCTV)信号提供的图像，采用高精密算法感受场景中的微弱变化，并将这种变化与火灾特征进行比较，同时分析特征之间的相互关系，最终利用综合判据实现对火灾的早期准确探测，并以图形界面和其他输出方式向系统管理人员报警。

系统的输入信号为标准闭路电视(CCTV)信号，经过图像采集卡后会转换为可被计算机处理的数字图像序列，通过处理和分析数字视频信号提取出的有效区域，并对这些区域进行模式识别，从而确定火灾的基本特征(如灰度变化、闪烁频率、颜色差异、运动趋势等)，再利用组合判据实现对火灾的快速识别，并通过图形界面、现场指示等方式报警，同时上传给火灾报警控制器。

系统由机柜、系统主机、液晶显示器、UPS、集线器、视频采集卡、视频分配器、摄像机和视频火灾安全监控系统软件组成，如图5所示。

图5　图像型火灾探测系统构架图

该系统的技术优势包括：

1)适用于各种类型的火灾探测

不同的火灾探测器适用于不同环境及火灾的不同发展阶段。如光电感烟探测器只对烟敏感，感温探测器只在环境温度有较大变化时才敏感，而IFE由于既可感烟又可感火，所以适用于各种类型的火灾和火情发展的各个阶段。

2)适用于大空间空气采样报警

传统光电感烟探测器、红外光束等产品必须在烟雾扩散到安装位置并累积超过报警阈值后才能报警；而IFE是非接触式报警，可在火灾发生的初期就进行报警，无距离要求，发现即报警、保护范围大、灵敏度可调。

3)适用于昼夜的环境变化

由于IFE既可感烟又可感火，加之在前端摄像机同角度的位置安装红外灯，所以白天和夜间的变化不会对IFE系统造成影响。

4)用户可在第一时间发现现场情况

由于IFE为视频火灾探测系统，当发现火灾隐患时，值班人员可通过显示屏第一时间发现现场情况，为保护生命和财产安全赢得的时间。

5优化设计方案

基于对观光层防火设计的分析，将IFE图像型火灾探测器与空气采样感烟探测器、典型感烟探测器以及红外对射感烟探测器进行比对，分析其探测种类、工作原理以及保护范围等特性，并以表格的形式进行梳理比对(如表5所示)。

表5　IFE图像型火灾探测器与感烟探测器分析比较

从分析对比中可知，IFE图像型火灾探测器较其他各类感烟探测器而言，都能够给予观光层更合理地保护。

6IFE图像型火灾探测器设计效果分析

IFE图像型火灾探测器可提供较高的探测灵敏度，且抗热障效应强，但对于其是否布线简洁，还需要通过实际设计效果做判定。

图6　观光层IFE图像型火灾探测器设计(示意图)

通过分析观光层平面图和观光层点式感烟探测器平面图，本优化方案拟取消原先布置于公共区域顶部的点式感烟探测器及相关布线，现在东西两侧各设置3台摄像机，做到探测区域无死角、无盲区，同时探测器的视频线(SYV-75-5)、信号线(ZR-RVS-2x1.0)和电源线(ZR-RVV-3x2.0)均穿金属保护管沿墙角或结构梁柱敷设，如图6所示。从图6中可以看出，采用IFE图像型火灾探测器后，虽然取消原先布置于屋顶的探测器和系统布线，但还原了观光层顶棚原本的美观。摄像机安装于东西两侧墙上，自上而下地监视着整个公共区域，不但不会受到气流的干扰和热障效应的影响，还能提供更高的探测灵敏度。

7结束语

IFE图像型火灾探测系统能够解决传统点型火灾探测器在某些特殊应用场所不能有效实现消防保护的问题，为此类特殊应用场所和需要早期报警的场所提供了完善的解决方案。此外，系统还能和传统火灾报警控制器进行无缝连接，方便系统管理的同时提供现场指示功能，便于现场对探测器的工作状态进行清晰识别。

本文基于办公楼观光层的分析与研究，以灵敏度高、抗热障效应强、布线简洁作为突破口，结合该系统智能化、实时化、可视化、无接触等特点，有针对性地提出了使用IFE图像型火灾探测系统的优化方案，并通过分析设计效果论证了该方案的可行性及合理性，为此类工程的火灾探测设计提供了新的选择。

参考文献

[1]Bradley Ward, Idaho National Laboratory. Balance of Plant Requirements for a Nuclear Hydrogen Plant, 2006.

[2]GB 50116-2013 火灾自动报警系统设计规范[S].北京：中国计划出版社,2013.

[3]FM Global. Property Loss Prevention Data Sheets. 2011.

某核电厂区办公楼屋顶观光层的火灾探测优化方案

赵元华

(上海核工程研究设计院，上海 200233)

摘要高层建筑屋顶观光层的改造，给火灾探测设计带来了新的问题与挑战。利用图像型火灾探测系统的系统特性与技术优势，可有效地取代感烟探测器，弥补其不足之处，为该类特殊区域提供安全可靠的消防保护。

关键词高层建筑观光层图像型火灾探测