浅析火灾自动报警系统中的火焰探测技术

赵建强

（中国轻工业西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710001）

化工企业建设项目的不断增加，企业消防安全问题越来越突出，火灾自动报警系统中防爆型火焰探测器作为其重要组成部分，在企业防爆车间用得越来越广泛。

1 火焰探测器的分类

点型火焰探测器是一种感光式火灾探测器，是响应火焰辐射光谱中的红外和紫外光的点型火灾探测器。探测器为模块化光学结构、微处理器逻辑处理单元和多种输出单元。点型火焰探测器又分为三类：第一类，红外探测器，用于火焰中波长较长的红外光探测；第二类，紫外探测器，用于探测火焰中波长较短的紫外光；第三类，紫外/红外混合探测器，用于探测火焰中波长较短的紫外线和波长较长的红外线。目前，使用较为广泛的是紫外、双红外、三红外以及红外紫外复合型火焰探测器等。

2 各类火焰探测器的原理

针对以上几种火焰探测器，简单介绍一下其原理。

2.1 点型红外火焰探测器

点型红外火焰探测器又称感光式火灾探测器，它是用于响应火灾的光特性。内含一个红外传感器和光学过滤器，它响应火焰辐射光谱中的波长较长的红外辐射。是用来检测高温火焰和因火焰引起的高温气体辐射出的各种频带的红外线。红外火焰探测器一般选取在4.35um波长附近的红外辐射波段。由于乙醇、汽油等含有碳氢类物质燃烧时所产生的气体主要成分为C02，而热的C02气体辐射强度最大的波段在4.35um附近，且由于地表对C02和水蒸气吸收的影响，光谱中位于2.7～4.35um处的太阳光辐射的红外光存在很少，因此，接收火焰产生的红外辐射主要在4.35um波段左右。红外火焰探测器内的光学过滤器，主要用于滤除日光灯或电焊机弧光等一些不需要的红外辐射光，采用对红外光敏感的光电管或光敏电阻收集起来。 红外火焰探测器反应速度快，灵敏度中等，造价低。常用的有双波段红外和三波段红外火焰探测器。

（1）双波段红外火焰探测器含有两个红外探测波长的传感器和光学过滤器，适用于两种在火焰燃烧时能产生不同窄带滤波的光谱，一只红外传感器探测碳氢类物质燃烧产出的发射光谱，另一只红外传感器用于对环境光线、热辐射等干扰光谱的探测。利用探测器的微处理器对探测参数进行逻辑运算，对符合火焰特征的辐射频谱进行识别。通过分析烃类气体的火焰光谱可以发现，燃烧产物中炽热的CO2气体在4.3μm附近有一个独特的峰值辐射谱段，双谱段红外探测器一般都被设计为对这个峰值辐射产生响应，另外，再选用位于这个峰值谱段附近3.8～4.1μm背景辐射作为其参考探测目标。

（2）三红外火焰探测器是在双红外火焰探测器的基础上增加了一个红外传感器，含有三个红外探测波长的传感器和光学过滤器，一只红外传感器探测碳氢类物质燃烧产出的发射光谱，另外两只红外传感器用于对环境光线、热辐射干扰的光谱的探测。与双红外相比，具有更高的误报免疫力，覆盖范围也更大。

2.2 紫外火焰探测器

紫外火焰探测器用于探测可燃物资刚燃烧时，快速辐射出强大能量的紫外线。紫外火焰探测器一般使用盖革-弥勒管作为传感器，多采用钨作为阴极，典型工作谱段处于0.185～0.215μm，具有90°的视觉，可以探测到10～15m远处，面积0.1m²的汽油火焰。因此，与红外火焰探测器相比，紫外火焰探测器具有灵敏度高，火焰响应速度快、造价低的优点，特别适用要求对火焰信息快速响应和发出警报的工业设施场所。它既可以检测碳氢化合物火焰，也可以识别非碳氢化合物火焰，但是，电弧、太阳光和水蒸气、灰尘聚集的环境下等会降低紫外线型火焰探测器的灵敏度，因此，它不适用在经常产生焊接弧光、电弧的场所使用，也不适于在闪电下暴露的场所使用。

2.3 红/紫外复合火焰探测器

红/紫外复合火焰探测器采用三通道传感器设计，紫外/红外火焰探测器融合了探测紫外线波长的紫外探测器和探测红外线波长的红外探测器，采用一个对太阳光具有抗干扰能力的紫外传感器和两个窄谱段红外传感器制成。此探测器，只有当接收到相应频带的红外信号，同时，又接收到相应频带的紫外线信号时，才可以确认火焰的存在。三通道传感器中一个通道使用太阳光盲波段的紫外火焰探测器，其余两个通道使用了工作在不同波长的红外传感器，一个传感器作为红外火焰主传感器监测特定的火焰辐射波段，另一只传感器为主传感器提供可靠的检测基准，用于消除监测环境中非火焰信息对主红外火焰传感器的影响。复合火焰探测器对特定的相对短小的波长段敏感，可以抑制错误报警，其还带有高敏感度的传感器，对火焰的判断能力增强，火灾探测的准确度得到了提高，实现了对火焰信号的快速响应和准确识别。

紫外红外复合火焰探测器输出方式有多种，既可以提供无源节点输出，也可以根据客户的要求提供标准的电流输出或485通讯输出功能。

以上几种点型火焰探测器可以根据不同工程需求，制成隔爆型结构，其防爆标志：Exd II CT6。用于化工厂或其他达到IIA、IIB、IIC防爆区域，引燃温度组别为T1～T6的1区、2区可燃性气体或挥发蒸汽与空气形成的爆炸混合物的场所。

3 火焰探测器在钢铁工业煤气生物发酵法制燃料乙醇项目中的应用

依据《火灾自动报警系统设计规范》 GB50116-2013、《石油化工企业设计防火标准》GB50160-2018，在河北首朗新能源科技有限公司4.5万吨/年钢铁工业煤气生物发酵法制燃料乙醇项目-蒸馏脱水工段设计中选用了火焰探测。

钢铁工业煤气制乙醇为节能环保项目，项目单体蒸馏脱水工段建筑地上四层，生产火灾危险性类别为甲类，爆炸危险性分区为2区，建筑物内易燃易爆物质为乙醇挥发出的蒸汽，其燃烧后产物主要成分为CO2和水，综合分析火焰探测器的特性，本设计选用防爆型四波段红紫外复合火焰探测器（IIA）。

爆炸危险场所使用的紫外/红外火焰探测器。具有90°的宽阔视野，30m的有效性能范围。输出包括继电器，4～20mA信号，RS-485通信方式。

防爆四波段红/紫外复合火焰探测器含三个红外传感器和一个紫外传感器及光学过滤器。紫外传感器能够在火灾和爆炸物点燃的瞬间对紫外线放射作出反应，其他三个传感器，一个对CO2发射光谱具有最高的灵敏性，另两个传感器对环境光线、热体辐射的干扰进行探测，探测器对发生火灾的红外线、紫外线进行双通道火焰探测并进行多信号处理，同时，避免环境热源各种环境光线的干扰，结合对火灾发生时火焰闪烁频率的逻辑综合判断，能够抑制错误报警及达到最佳火灾探测性能，提高了探测器的灵敏度和响应时间。根据车间环境需要，探测器设置为红外、紫外探测与、或逻辑关系，且能够在高/低温、高湿、震动等恶劣的厂房内工作。

防爆四波段红/紫外复合火焰探测器的安装中主要应注意以下几点：（1）把探测器安装在保护区内最高探测点高度的两倍。且在探测器的有效保护范围内，不能被障碍物阻挡，包括透明材料。此时，探测器可以覆盖所有需要保护的区域。（2）探测器需要向下倾斜30°～45°安装，可以向下和向前看，同时，探头不宜被落下的灰尘遮挡，减少了镜面污染。所有可能发生火灾的保护区内的探测器应保持直线，以避免造成间接事故和反射。（3）依据所选用复合探测器的探测距离进行设计，一般对角安装火焰探测器，以满足保护点的全覆盖，避免了探测盲区的出现。当其中一个火焰探测器发生故障时，它也可以提供备用保护。（4）防爆紫外红外复合火焰探测器均通过I/O模块和信号总线及电源线接至火灾报警系统主机，以实现监测火灾并发出报警信号的要求，达到联动消防水系统灭火的目的。

本化工项目消防于2018年7月经专业消防队施工调试完毕，8月经当地有关主管部门竣工验收合格，于10月正式投入使用。

工厂经过近段时间的持续运营，没有出现过因消防安全引起的事故停产，表明项目设计的火灾自动报警系统及蒸馏脱水工段所选用的防爆四波段红/紫外复合火焰探测器安全可靠，可以满足本工厂对消防安全的需求，并为本厂长期无故障运行提供了切实的保证。

4 结语

火焰探测器已经发展多年，形成了各种传感器组合，而使用新逻辑和数学技术的新一代火焰探测器，其灵敏度高、报警准确、保护范围更大。但其在工业场所火灾报警系统使用中，要综合考虑、规范运用。需对不同工程的特殊性选择合理实用的探测器。