火灾探测报警系统设计研究

王 荣 黄运佳

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

0 前言

船舶的安全事故中除了海难，火灾也占一定的比例。当发生火灾时，船上狭小的空间让船员自救变得困难重重。机舱存放的燃油、货舱装载的危险品都是火灾扩大的主导因素。海难事故有时存在不可抗力，但火灾是可以通过船员的规范操作和可靠性高的火灾探测报警来避免。让火灾事故的苗子在第一时间被火警系统探测到并进行智能识别及时发出报警，通过自动或者手动释放二氧化碳、水雾可以对火灾区域（如机舱、厨房、货舱、车辆舱）进行灭火，将事故的危害降到最小。所以火警系统设计的合理性、可靠性是保障船舶财产和人员安全的先行条件。本文从货船和客滚船两大类船型出发，研究火警系统的设计以及未来智能化火警系统的探讨。作为保障船舶安全的重要部分，火警系统从探测器的类型、布置位置、保护区域以及回路的分区是否满足要求都是船级社审查的重点。

1 火警系统组成及主要要求

火灾探测报警系统（简称“火警系统”）的设置满足SOLASⅡ－2 C部分的要求，目的是探测火源处的火灾，并发出安全撤离和采取灭火行动的警报。船舶火警系统一般由中央控制单元、分显视板、感烟探测器、感温探测器和手动呼叫报警按钮等组成；同时火警信号2 min延时后发送至通用报警、机舱报警灯柱、机舱监测报警延伸板向全船发出连续的火警声报警和红色的光报警信号。火警释放信号、系统故障发送至航行数据记录仪和机舱监测报警系统，用于记录和监测系统的报警和故障；同时，火警信号还送至客船防火门系统，用于自动关闭主竖区和梯道环围的防火门，防止火灾事故的蔓延。

海安会MSC.311（88）的决议于2012年7月1日强制执行，诸如对固定式火灾探测报警系统的电源要求、客船的分区要求等规定不再模糊。另外，客船安全返港时要求，在直接受到火灾事故影响的处所和在同一甲板上且为相同分区中的部分处所探火和探烟系统可视作无法使用外，所有其他探测器在该分区服务的任何其他甲板须保持运行。新生效的规范对船舶安全的要求越来越高，火警系统的组成越来越复杂，功能也越来越强大。

2 火警系统的配置

如何按照ⅠC法、ⅡC法、ⅢC法配置火警系统？寻址式和非寻址式火警系统在货船和客船上如何分回路？机器处所、起居处所、货舱区域如何实现保护？这一系列问题在系统设计之初就需要确定，对于搭建系统才会顺理成章，才能对全船的安全起保护作用。本章主要介绍ⅠC法、ⅡC法、ⅢC法配置火警系统。

对液货船以外的货船，机器处所认为是机舱，设置1套单独的火警系统，也可以是全船火警系统的一部分。对于起居处所根据舾装的防火分隔图分3种情况讨论，选择其中一种就可以。

1）ⅠC法：以不燃的B级或C级分隔作为内部的分隔舱壁，在起居处所的所有走廊、梯道和脱险通道内设置感温或者感烟探测器就能满足要求。这种保护方法比较简单易操作，但实际设计过程中还需要参考挂旗国和船东的特殊要求。在散货船上有船东要求每个船员舱室都安装感烟探测器的情况。这种设计高于规范的要求，对于船厂而言成本增加，但对于船东安全系数提高了。

2）ⅡC法：如果舾装对内部分隔舱壁的型式不予限制，那么在可能成为失火源的所有处所，如起居处所、厨房和其他服务处所需要设置1套喷淋系统和1套火警系统。但一般都不采用这种方法，因为设置2套系统后，在船上有限的空间里既要敷设电缆又要额外加装水喷淋的管路和喷嘴，给详细设计和现场施工都带来麻烦。

3）ⅢC法相比前面2种保护法，一般对内部分隔舱壁的型式不予限制，但任一起居处所的保护面积不得超过50 m2，配置1套火警系统。

综合散货船、多用途船、化学品船、沥青船等货船，在起居处所火警系统的设计大多选用IC法。对于液货船（闪点不超过60℃）仅采用货船的IC法设计。

货舱区域的保护考虑设备安装和所装货品的原因，一般用大舱抽烟探火系统来保护货舱，如散货船、多用途船、化学品船、沥青船等货船。但是集装箱船会考虑在货舱里安装火警探测器。

ⅠC法、ⅡC法、ⅢC法不适用于客船，客船起居处所所有回路分区按主竖区来分，而且每一个回路不得超出一个主竖区，机器处所、车辆舱处所都须设单独的回路。客船在分区的脉络上很清楚，但是每个回路内部比较复杂，因为要考虑电缆的走向合理性和使用耐火电缆等情况。另外客船需要配置舱室喷淋系统。

3 火警系统的探测器

火警系统根据保护处所的特点，可选用感烟式、感温式、火焰探测器等。因为工作原理不同探测效果也有差异，所以需要根据保护的区域来选择，实现高效的保护和低误报警率。

3.1 感烟式探测器

感烟式探测器能探测可见或不可见的由燃烧产生的颗粒，一般可探测70%以上的火灾。通常分为光电感烟式和离子感烟式两种。

光电感烟式探测器应用光电感应的原理，当一定浓度的烟雾通过光电管时造成光的散射引发报警。以图1光电感烟式探测器为例。红外线LED每隔1 s向光敏二极管发送平行光束。红外线LED和光敏二极管间以钝角布置，无烟雾时，光无法射到光敏二极管上，电路维持平衡状态。当发生火灾有烟雾时，红外线LED发出的光通过烟雾粒子的反射或散射到达光敏二极管。该信号经处理后向探测器发出火灾报警信号。

图1 光电感烟式探测器

离子感烟式探测器利用放射元素Am241所电离产生的正负离子，在电场的作用下各向正负电极移动。一旦有烟雾窜进外电离室干扰了带电粒子的正常运动，使外室的离子电流减小，等效电阻值增大，分压电位升高。当烟雾浓度达到检测的限定浓度时，则电位升高到能触发开关电路而报警。

因为离子式探测器会产生污染，所以现在船上选用较多的是光电感烟式探测器，一般安装在起居处所的梯道、走廊、脱险通道和舱室内以及机舱、货舱，车辆等面积较大的场所，监视视角可达140°。根据FSS Code的推荐，感烟探测器的最大地板保护面积74 m2，中心点间最大间距11 m，离开舱壁的最大距离5.5 m。

在海工平台上对于火警系统的探测精度要求更高，采用双光源感烟探测器，可以大大减少误报率，价格要比常规的单光源探测器贵。

3.2 感温探测器

感温探测器选用热敏元件来探测火警。一般分定温式、差温式和差定温式探测器。定温式探测器是在规定的时间内，火灾引起的温度上升超过某个定值时启动报警。根据不同的厂家和安装的处所要求，船上的定温式探测器的温度设定值一般为高于环境温度20～30℃，机舱平均温度较高，用的感温探测器一般考虑80℃左右。图2是典型的定温式感温探测器，一般推荐安装在厨房、吸烟室、船员的餐厅、娱乐室、洗衣干衣间和蓄电池间等处所。有烟雾或者蒸汽产生的处所如果用感烟探测器容易引起误报警。差温式探测器是在规定的时间内，火灾引起的温度上升速率超过某个定值时启动报警。差定温式探测器是将定温式和差温式组合在一起。根据FSS Code的推荐，感温探测器的最大地板保护面积37 m2，中心点间最大距离9 m，离开舱壁的最大距离4.5 m。

图2 定温式感温探测器

3.3 复合型探测器

除了以上的感温、感烟探测器外，还有多功能烟温复合型探测器、一氧化碳/差定温复合型探测器、红外火焰探测器，通过软件调节灵敏度。机舱的环境较差、温度又高，属于高失火危险区域，特别是主机和发电机上方，选用感温感烟复合型、感温加火焰探测器的组合或者机舱内以感烟探测器为主，再增加2～3个感温探测器来实现保护。各种探测器根据保护区域的特点灵活配置，确保火警系统对船舶安全的可靠保护。

3.4 手动呼叫报警按钮

图3 手动报警按钮

手动呼叫报警按钮（如图3所示）由人工触发。当发现火情时就近按下遍布起居处所、服务处所和控制站及每个出口的手动报警按钮将发出火灾报警信号，通知船员第一时间采取灭火措施和安全撤离。为保证能在发生火警时快速报警，SOLASⅡ－2 Part C Regulation 7要求，手动报警按钮的位置应便于到达，在每层甲板走廊的任何部位距手动报警按钮的距离都不得超过20 m。

4 火灾报警系统框图

4.1 非寻址式的火灾报警系统

对于货船，满足IC法保护且从经济性考虑，非寻址式的火警系统是船厂和船东的首选，系统图如图4所示。

图4 非寻址式火灾报警系统图

根据FSS Code的规定，每一个回路只能覆盖一层甲板的起居处所、服务处所和控制站，并且不能与A类机器处所同一个回路。按照这一原则，一般货船的火警系统设16个回路左右，感温、感烟探测器和手动报警按钮串接在回路中。这种设计的优点是：经济且满足FSS基本的要求，但缺点如下：

1）不能点对点识别。如果船上某处发生火灾，在各终端显示器上只显示这个回路有火警，需要船员到实地勘察后才能确定火灾发生点。

2）中央控制单元都设在桥楼，所以每一个回路都要从桥楼接出，电缆很浪费。

3）系统由主/应急2路独立的馈线供电，但当某个回路发生故障时，故障点后面的探测器就无法正常工作，降低了火警系统的安全系数。

综合以上原因，如图5所示的寻址式火灾报警系统逐渐成为货船火警系统的标配。

4.2 寻址式的火灾报警系统

寻址式的火警系统主单元通过内置CPU，识别每一个探测器的地址码，实现点识别功能。还可以根据环境中的颗粒密度、自动调整探测器的灵敏度以降低误报率，所以机舱和舱室探测器的灵敏度是有差别的，从而保证被保护区域的安全。以3 800 TEU集装箱船为例，采用寻址式的火灾报警系统图如图5所示。整个系统分上层建筑、A类机器处所（机舱）、其他机器处所共3个回路。每个回路最多可以带150多个探测器，大大增加了系统的容量。点对点的识别功能让每个地址码处所的火警直观地显示在终端上，便于船员快速处理事故。环网设计的优点是，当环路中某个探测器发生故障，系统将自动剔除故障点，故障端两侧的探测器与中央控制单元保持通路状态，不影响线路上其他探测器正常工作，提高了系统的可靠性；MSC.311（88）增加了“每个探测器须带短路电流隔离器，确保当回路发生短路时将不会导致整个回路失效，以及客船必须要用可寻址式的火灾报警系统的规定”，从设备着手加强系统的功能。

图5 寻址式火灾报警系统图

客滚船的火警系统，以渤海轮渡2 300客/2 500 m车道客滚船举例，系统图与图5类似。客滚船的分区要求：覆盖于控制站、服务处所或起居处所的探测器，所有分区不能超出1个主竖区；A类机器处所设置独立的一个分区，覆盖滚装处所的探测器设置独立的一个分区。客滚船一般有3～4个的主竖区，每个舱室都需要设置探头。按照规范分区的要求来分回路，在起居处所的垂直主竖区，No.10，No.9，No.8，No.7甲板前部、中部、尾部来分。这样节约电缆，也方便船员集中管理。如果回路的容量超出厂家设计容量，在垂直的同一主竖区里再分出一个回路。根据客滚船的大小，起居处所一般分8～9个回路，再加上机舱、车辆甲板、其他机器处所单独的回路，所以客滚船一般有12～14路。容量大了，对于主单元的要求也高。客滚船火警主单元上还有防火门的mimic图，直观地给驾驶人员指示门的开闭状态和火警的发生区域。

寻址式的火灾报警系统在货船和客滚船的系统图类似。但分区的理念不同，对主单元及系统的要求也有很大的差异。

4.3 满足客船安全返港的寻址式火灾报警系统

2010年7月1日生效的海安会MSC.1/Circ.1369对载重线船长大于120 m，或具有3个或3个以上主竖区的客船（包括客滚船）满足SOLAS公约第Ⅱ－2第21条，船舶在发生火灾事故后（事故发生未超出事故界限）依靠自身动力安全返回港口和第Ⅱ－2第22条，船舶在发生火灾事故后（事故发生超出事故界限）要求系统保持运行以支持船舶有序撤离和弃船。渤海轮渡2 200客/1 100 m车道客滚船按照安全返港的要求设计。通过与火灾探测报警厂家的沟通，系统设置了2套中央控制单元，主用控制单元放驾驶室，辅用控制单元放备用驾驶室，每一个回路分别接主、辅用控制单元，单元间通过数据线连接实时接收探测器的状态、监测断线，实现数据共享，主、辅控制单元间热备用。所有的电缆都采用耐火电缆，系统的可靠性达到最强。最恶劣的状况是主用控制单元所在的驾驶室发生火灾了，全船12个分路除了驾驶室所属主竖区的甲板分区探测器和主用控制单元无法工作，其他都能正常工作，火灾探测报警系统的设计完全满足安全返港的要求，系统图如图6。通过可靠的设备和便利的数据共享，使本来需要完全双冗余的系统变成只要加一个中央控制单元就能满足要求。

5 智能化火警系统的设计展望

图6 满足客船安全返港寻址式火灾报警系统框图

未来智能化的探测器将内置CPU，把感烟、感温、火焰3种功能集中在同一个探测器中，通过精准的微处理技术，消除误识别率，提高自我诊断能力。无线电传输的计算机网络系统也将被用到控制单元和探测器的通信中，实现系统的高效、安全、便利。

客船在公共处所安装摄像头是出于安全的考虑，将上述处所的摄像头和火警探测器集成一体，通过这个集成的系统就可以高效率地完成防火防盗功能，所以智能化火警系统的设计理念将翻开系统设计的新篇章。

6 结语

火灾探测报警系统涉及船舶财产和人身共同安全。通过本文从电气设计的角度对该系统进行了研究和分析，从非寻址和可寻址式系统的优缺点比较以及新生效规范MSC.311（88）的要求在货船、客滚船的设计实例中的运用分析。以船为本，面对未来火警系统复杂分路的船型，可以运用智能化火警系统的设计理念实现系统的安全和可靠，保障船舶财产和人员的安全。