快速灭火抑爆系统设计及验证
2020-01-03
(中国船舶重工集团公司第七一三研究所,郑州 450015)
对于舰船某些贮存弹药等物资的舱室,一旦发生爆燃或发动机意外点火,对舰船的安全将产生致命的影响[1]。为此,设计一型快速、可靠的灭火抑爆系统,以提升其火灾尤其是爆燃及发动机意外点火的早期监控及自动扑救能力。灭火抑爆系统具备以下功能。
1)能够对舱内发生的油气爆燃和常规火灾及时响应并进行灭火抑爆。
2)能够实现爆燃火和常规火灾的识别,并根据危险等级实施相应的消防处置。
3)舱内火灾被扑灭后,系统能够自动发送排风装置启动信号。
4)灭火抑爆瓶故障时,能够自动增援,满足抑爆需求。
5)能够对探测器及灭火抑爆瓶的状态信息进行显示。
6)系统故障时,能够通过应急按键手动启动灭火抑爆瓶。
1 控制单元设计
1.1 硬件
控制单元由壳体、信号处理模块、负载控制模块、I/O采集模块、通信模块、显示模块、电源模块、连接器等组成,硬件组成见图1。
图1 控制单元硬件组成
其中,控制板共有多路4~20 mA电流采集模块,每一路的电流采集模块都采用相同的硬件电路设计,通过I/V转换芯片RCV420将电流信号转换成0~5 V电压,然后再通过分压的方式供单片机AD采集。
图2 4~20 mA采集模块
控制盒共有多路输出信号,每一路输出模块都采用相同的硬件电路设计,通过控制继电器的吸合来实现控制信号输出。
1.2 软件
主要由信号采集与显示模块,灭火抑爆瓶控制模块,排风装置控制模块,数据发送模块等组成。其主要功能是通过I/O接口采集乘员舱内各火焰探测器的报警信号、灭火抑爆瓶的状态信号,并对信息进行处理与显示;实施对灭火抑爆瓶的自动启动控制;实施对排风装置的控制;并能够将报警信息上传至监控台。控制单元软件流程图见图4。
图3 控制信号输出模块
图4 控制单元软件流程
2 快速紫红外火焰探测器设计
快速紫红外火焰探测器能够对舱内的油气爆燃与常规火灾快速反应,上传报警信号,并能够排除干扰源,只对火灾危险反应[2]。
2.1 火焰探测器硬件设计
火焰探测器由两种不同波长的光学敏感器件、信号处理电路、报警信号显示电路、接口电路、防爆壳体等组成,硬件组成见图5。
图5 火焰探测器硬件组成
其中,紫外传感器选用日本滨松的紫外光电管R2868,其工作电压DC325±25 V。首先通过变压器T1产生直流高压供给R2868,从而驱动紫外光电管正常工作。然后通过CD4093、HCF4017和HEF4538对紫外光电管输出的脉冲进行整形、计数以及滤波,消除干扰。最后通过高速光偶将脉冲输入到主控芯片的引脚。
红外传感器选用的是PYD-1220 A型热释电红外传感器。通过OPA2335运算放大器将红外传感器输出的毫伏信号进行两级放大,最后通过主控芯片自带的AD进行采集。
2.2 火焰探测器软件设计
微控制器采集紫红外探测模块输出的脉冲信号和强度信号。其程序流程图见图6。
图6 获取紫外脉冲与红外信号强度的流程
根据硬件采集到的紫外探测模块发送的脉冲数量、红外探测模块发送的光谱强度信号制定火灾识别判定算法:每2.5 ms时间内,定时器模块和AD模块将每个100 μs检测一次紫外和红外传感器的输出信号,并连续分析最近的若干次数据,将分析结果与存储的火灾特征库的发生火灾时的红外和紫外特征进行对比。针对紫外传感器,设定脉冲数量阈值N,当微处理器接收到的脉冲数量大于N,紫外报警状态位置1;针对红外传感器,设定光强度阈值T,当微处理器接收到的红外光强大于阈值T,红外报警状态位置1;当紫外报警状态位于红外报警状态位均为1时,该探测器输出报警信号,程序流程见图7。
图7 火灾判定流程
3 试验验证及结果分析
试验模型的形状、容积及密封性能应与真实车型等效;试验模型内对油气爆燃的探测和抑制有影响的物件用模拟物代替。
3.1 探测性能试验结果分析
3.1.1 响应时间
距离火焰探测器400 mm摆放内径127 mm、深度76 mm的火盆,使得火焰探测器对标准火焰直射,通过高速摄像机记录标准火盆点燃瞬间至火焰探测器报警指示灯点亮的画面,通过10次真实点火试验,验证了火焰探测器对爆燃火的响应时间,试验场景见图8,结果见表1。
图8 响应时间试验场景
表1 火焰探测器对爆燃火响应时间试验结果
3.1.2 探测角度
在距离火焰探测器400 mm处摆放标准火盆,将火焰探测器沿探测视角中心轴线分别沿水平和竖直方向旋转,调整探测视角的中心轴线与标准火盆在同一水平和竖直方向形成±45°的夹角,通过10次试验验证探测器均能正确报警。
3.1.3 抗干扰能力
将火焰探测器分别对标准要求的各种干扰源直射,火焰探测器均未发出报警信号,抗干扰能力试验场景见图9,试验结果见表2。
图9 干扰源试验
表2 火焰探测器抗干扰试验结果
3.2 灭火抑爆效能试验结果分析
3.2.1 控制输出
通过真是点火试验使得火焰探测器报警,控制单元显示屏显示对应报警火焰探测器的状态,火灾报警指示灯闪烁,蜂鸣器鸣叫,模拟负载的1~4号灭火抑爆装置指示灯全部点亮;通过示波器观察控制单元采集到报警信号至发出控制输出指令所需时间,均在10 ms以内。
3.2.2 状态采集
将灭火抑爆将模拟负载的灭火抑爆装置状态选择开关依次由“正常”拨至“释放”,检查控制单元显示屏中各灭火抑爆装置的状态变化均能正常反应其释放状态。
3.2.3 自动增援
将模拟负载上任一灭火抑爆装置状态选择开关拨至“故障”状态,通过真实点火使得火焰探测器报警,备用灭火抑爆装置指示灯点亮。
3.3 灭火抑爆效能试验结果分析
在试验模型中搭建灭火抑爆系统样机,放置300 mm×300 mm×100 mm的油池,倒入适量柴油,用电子点火器进行点燃(通过正庚烷引燃),火焰探测器报警后由控制单元启动灭火抑爆瓶。通过高速摄像机拍摄灭火抑爆瓶的释放画面,从灭火抑爆瓶释放出灭火剂那一帧算起,到压力开关动作(通过示波器或万用表检测),计算有效释放时间[3],火盆熄灭且不复燃。试验结果见表3。其中,83 ms为10次试验的最长释放时间。
表3 灭火抑爆瓶功能性能验证试验记录表
4 结论
系统能够实现对爆燃火灾的5 ms内的探测响应,并有效排除可能出现的干扰源;控制单元能够实现10 ms内的控制输出,结合灭火抑爆装置的释放时间,本系统从发生爆燃至完成灭火抑爆的全过程所需时间不大于100 ms,功能性能满足设计要求。