开关盘柜极早期火灾预警技术在海洋石油平台的应用

王新亮

（中海油能源发展装备技术有限公司深圳分公司，广东 深圳 518000）

0 引言

近年来，随着海洋石油平台开关盘柜内设备老龄化程度越来越严重，电气设备火灾发生频率正逐步提升，给海洋石油的正常生产带来了较大的安全隐患。由于海洋石油平台上设备受远离陆地和安装维修空间狭小等因素影响，在维护和改造等方面，较陆地难度更大，成本更高。因此，对开关盘柜早期火灾预警监控的需求更迫切。

1 电气火灾原因分析

电气火灾形成原因有以下四类：

漏电火灾：线路的某一点因潮湿、高温、碰压、刮破、摩擦、腐蚀等使线路的绝缘能力下降，发生漏电。漏电遇到电阻较大位置会使局部高温，漏电点产生的漏电火花都有可能引发火灾。

短路火灾：电气线路中裸导线或线路绝缘破损，相与相之间在某一点触碰或小于安全距离，引起电流瞬间增大，线路温度升高，放电产生火花和电弧，产生火灾。

过负荷火灾：电流超过线路安全载核量，线路升温，产生火灾。

接触电阻过大引起的火灾：线路接头位置，接触面形成接触电阻过大，发热形成高温，长时间高温易引起线路绝缘层发生燃烧，产生火灾。

2 吸气式火灾预警系统

通常我们认为火情的发展一般分为四个阶段：阴燃阶段、可见烟阶段、可见火光阶段和剧烈燃烧阶段。传统火灾报警系统通常是在可见烟阶段才能探测到烟雾，发出报警，此时火情所造成的经济和财产损失已不可避免。一般认为火灾监测在阴燃阶段，是最好的火灾监测点。如果可以在阴燃阶段监测到火灾，那么可以提前在火灾发生的几个小时甚至几个月监测火灾的发生，从而及时解决隐患。吸气式火灾预警系统，针对火情发展的阴燃阶段，可主动对空气进行采样探测，使保护区内空气样品被设备内部的吸气泵吸入采样管道，送入探测器进行分析，探测器探测到烟雾粒子，即发生报警。探测精度可以做到阴燃阶段，在火灾发生前就可以检测发出报警，大大降低了火灾对海上电气盘柜造成的危害[1]。

2.1 吸气式火灾探测器的结构

吸气式火灾预警系统是一种极早期空气采样火灾预警系统，由烟雾探头、管道、吸气式火灾探测器、专用信号电缆、协议转换器、监测主机、上位机组成。

2.1.1 吸气式火灾探测器

吸气式火灾探测器是由探测器、抽气泵、真空泵、水箱、云雾室（激光探测器）组成[2]。

当材料过热时会产生比可见光波还小的粒子，其数量远远超过正常环境下存在的粒子数。吸气式火灾探测器通过抽气泵对腔室内空气进行取样送入云雾室中，云雾室通过真空泵对其增湿、降压、降温，云雾室内的烟粒子会被水粒子包裹，形成大小一致可被激光探测器检测到的水凝粒子。

激光探测器是由激光发射器、激光接收器和暗室组成，激光发射器由光源和透镜组成。它以红外发光二极管作为光源，具有可靠性高，功耗低，寿命长的特点。光源受脉冲发生器产生的电流控制，用球面式凸透镜将光源发出的光线变成平行光束。

光接收器由光敏二极管和透镜组成，光敏二极管将接收到的光能转换成电信号，光敏二极管通常与红外发光二极管发射光的峰值波长相适应的光敏二极管。透镜的作用是将被烟粒子散射的光线聚焦后，准确、集中的被光敏二极管接收，并转换成相应的电信号。

暗室的功能在于既要使烟雾粒子能畅通进入，又不能使外部的光线射入，通常制成多孔形状，内壁涂黑。

当发生火灾时，火灾烟雾进入检测暗室，通过增湿、降压形成被包裹大小一致的水凝粒子，水凝粒子将光源发出的光线遮挡，到达光敏二极管上的光能减弱，其减弱程度与进入云雾室内的烟雾浓度有关，当烟雾到达一定浓度时，光敏二极管接收到的光强度下降到预定值，经比较确认后，发出报警信号。

2.1.2 协议转换器

协议转换器可以将不同规约之间建立握手关系，将非标ModBus 协议，转换成标准ModBus RTU 协议。上位机可通过标准Modbus RTU 协议，对所对应的寄存器进行读写操作[3]。

2.1.3 监测主机

监测主机通讯协议为标准Modbus RTU 协议，以485 线与协议转换器通讯，通过我们之前在协议转换器中所存储数据，进行读写操作和数据处理，将处理完的数据关联至组态功能中呈现在显示屏上。

2.2 吸气式火灾预警系统原理

理想气体状态方程：

式中，P为气体的压强；V为气体的体积；N为摩尔数；R为普适气体常数；T为气体的温度。

根据式（1）可得：

即相同体积下气体的压强和温度成正比关系。

所以在云雾室中，水蒸气的摩尔数不变，被水凝粒子包裹的烟雾粒子越多，遮光率越高。

不可见微粒子经过云雾室增湿、降压、降温处理后，不可见微粒子会被包裹成约20μm 的水凝粒子大小相等，其产生的有效遮光率与包裹的灰尘微粒产生的有效遮光率相当，可被激光探测器辨识出来，再以激光探测器工作原理计算出粒子的数量。

采集到的数据通过485 通讯线传输给监测主机，监测主机通过解析数据，将得到的数据呈现在显示屏上。

通过采集呈现，我们可以把火灾预警提前至火灾发生的前几个小时，甚至几个月，可以有效的降低损失。

3 吸气式火灾预警系统优势

吸气式火灾预警系统作为一种极早期火灾预警系统，它具有许多优势[4]：①24 小时对盘柜抽气采样分析，报警数据实时与中控对接，做到实时在线测量。②吸气式火灾探测器中抽气泵配合基于激光的绝对烟雾检测，可检测到空气中微量烟雾颗粒。③系统设备自动循环诊断，故障输出报警。④多级空气过滤，激光腔自清洁，维护工作量少。⑤系统设备安装维护成本较低，性价比高。⑥系统可移植推广性强。

4 常见故障及解决方式

根据吸气式火灾预警系统的特性，系统常见故障、原因及排除方法汇总如下：

表1 系统常见故障及解决方法

5 结论

吸气式火灾预警系统作为一种极早期空气采样火灾预警系统，可以尽早探测到火情，及时采取措施，以保证工作不中断；可减少灭火系统不必要的工作和成本消耗；可弥补海上平台原有传统火气系统探测不到开关柜内的缺陷；可更充分的在火灾前争取时间，保证人员安全。

吸气式火灾预警系统，作为极早期火灾预警系统中的一员，是工业生产中不可少的一部分，它可以有效的保护人身财产安全，降低火灾发生率，为安全生产保驾护航。