王乃民 李 紅 付勃昌 婁雅瓊

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

海洋平臺作業(yè)空間有限，機械和電氣設備高度集中，存在大量易燃易爆的烴類物質，以及大量的油氣存儲設備、輸送管道、法蘭及閥門等油氣泄漏源，可燃氣聚集到一定濃度就會造成重大火災和爆炸事故，這些事故不僅會破壞海洋平臺的結構和承載力，還會造成大量的人員傷亡、嚴重的經(jīng)濟損失、惡劣的環(huán)境污染并破壞海洋生態(tài)。為此，建立性能穩(wěn)定、安全、動作響應及時的火氣系統(tǒng)至關重要。首先，在不同工況的火區(qū)布置類型各異的火氣探頭，用于檢測報警；其次，將所檢測到的信息由儀表電纜傳送到中控室的火氣控制系統(tǒng)，火氣系統(tǒng)根據(jù)設定的組態(tài)邏輯進行判斷；最后，啟動相應的報警、消防及關斷等系統(tǒng)。但在某些關鍵位置(如中控室地板夾層、開關間機柜內及電纜豎井等)，傳統(tǒng)的光電/離子式煙霧探測器由于受安裝空間的限制，安裝和后期維護困難，而且只有在火災產生可見煙時才會報警。按照火災發(fā)展的幾個階段進行時間定位[1]，此時已經(jīng)過了控制火災的最佳時機，這嚴重地影響了平臺的安全與生產。

為此，筆者將極早期吸氣式煙霧探測系統(tǒng)(Very Early Smoke Detection Apparatus，VESDA)應用于海洋作業(yè)平臺，以期能夠對危險及早警示，并提示操作人員進行相關維護。

1 VESDA的特點與工作原理①

1.1 特點

VESDA是一種基于光學空氣監(jiān)測技術和微處理器控制技術的吸氣式煙霧探測系統(tǒng)，它是針對火災初級階段(過熱、陰燃、低熱輻射和無可見煙)的探測與報警，報警時間比傳統(tǒng)的煙霧探測器提前數(shù)小時，能夠在火災初期消除安全隱患，VESDA與傳統(tǒng)光電/離子式探測器的性能比較見表1。

表1 VESDA與光電/離子式探測器的性能比較

(續(xù)表1)

1.2 系統(tǒng)組成與工作原理

VESDA由采樣管網(wǎng)、抽氣泵、一級過濾器、二級過濾器、激光探測腔、微處理器和報警顯示單元組成，如圖1所示。

圖1 VESDA組成框圖

抽氣泵主動連續(xù)不斷地將保護區(qū)內的空氣吸入采樣管，采樣空氣經(jīng)過一級過濾器后，灰塵及油霧等大顆粒雜質被過濾掉，然后作為空氣樣本進入激光探測腔；探測腔內的激光遇到煙霧粒子發(fā)生散射，散射光使高靈敏的光接收器產生光信號，經(jīng)微處理器分析完成光電轉換，保護區(qū)內煙霧濃度值及其報警由顯示單元輸出。同時，微處理器過濾掉灰塵對煙霧探測的干擾，避免了誤報警。另外，VESDA主機通過繼電器或通信接口將報警信號傳送至平臺主火氣系統(tǒng)進行關斷和集中顯示。

部分采樣空氣經(jīng)二級過濾器后產生高潔凈氣流，用于吹洗激光探測腔內的光學元件表面，確保探測精度不會隨使用時間而降低，延長了其使用壽命。

2 應用

2.1 收集區(qū)域信息

海洋作業(yè)平臺上機柜集中、設備發(fā)熱量較大的房間很多，如變壓器間、開關間、電潛泵控制間及中控室等，重點收集這些區(qū)域的環(huán)境條件、通風情況、區(qū)域結構和設備布置。

2.2 確定保護范圍

根據(jù)已經(jīng)存在和預留的設備位置，規(guī)劃要布置的采樣管網(wǎng)的范圍，包括電纜豎井、機柜內、空調回風區(qū)、天花板、地板夾層及通風管道等。

2.3 確定空氣采樣方式

每種空氣采樣方式都有各自的應用特點，為有效地對保護區(qū)進行采樣，應根據(jù)場所條件選擇最佳的采樣方式，筆者在機柜內部和天花板上采用毛細管采樣；而機柜上方、電纜豎井、天花板和地板夾層則宜采用標準采樣方式；通風管道和空調回風格柵則采用回風采樣。在實際應用中，特別是氣流變化較大的場所，一般同時采用多種采樣方式。

2.4 選擇探測器類型

根據(jù)確定的保護范圍和空氣采樣方式，針對探測器應用的海洋環(huán)境條件，參考不同類型探測器的技術規(guī)格，選擇適宜的探測器類型。此處筆者選用了具有船級社認證的VLC-505(VN)型主機。

2.5 設計采樣管網(wǎng)

此環(huán)節(jié)的重點是確定采樣孔的位置和探測器的位置，遵循采樣管長度最短、彎管和彎頭數(shù)量最少原則，對于機柜眾多的房間采取多個探測器分區(qū)布置。其中電潛泵控制間的采樣管網(wǎng)平面布置如圖2所示。

采樣管網(wǎng)設計完成后，采用ASPIRE2軟件驗證其性能，包括采樣孔平衡度、采樣空氣的最大傳輸時間和采樣孔靈敏度，其中采樣孔平衡度一般要求不小于70%，最大傳輸時間不大于60s，采樣孔靈敏度滿足設計要求。如果不能滿足以上要求，則需對采樣管的長度、采樣孔數(shù)量、彎管數(shù)量及半徑等進行調整后重新驗證。各參數(shù)的校正算式分別如下：

式中Fave——所有采樣孔的平均氣流量；

Fmin——采樣孔中的最小氣流量；

Frat——采樣孔的氣流量與采樣管氣流總量的比值；

Sdet——探測器靈敏度。

圖2 電潛泵控制間采樣管網(wǎng)平面布置

2.6 確定通信方式

分級報警信號通過硬線以干接點形式連接到主火氣系統(tǒng)，設定最高級別的報警進行火氣關斷。另外，所有探測器通過RS485連接成環(huán)形網(wǎng)絡，通過Modbus或TCP/IP協(xié)議連接到上位機，通過專用軟件實時監(jiān)測保護區(qū)的煙霧濃度值和報警狀態(tài)。

3 典型安裝

筆者在海洋平臺上布置的VESDA典型位置包括：電纜豎井、機柜內、空調回風格柵、天花板、地板夾層和通風管道。

3.1 電纜豎井

生活樓內電纜豎井貫穿不同的甲板層，各層間的電纜豎井不做密封隔斷時，會有很強的空氣流動，光電/離子式探測器很難發(fā)揮作用，而且電纜豎井空間有限，不利于傳統(tǒng)探測器的安裝，且密布的電纜也會對傳統(tǒng)探測器產生較強的電磁干擾；如果各層豎井間隔斷，電纜豎井就會被分割成幾段密閉空間，不利于空間內的熱量散發(fā)，更容易引發(fā)火災。

VESDA采樣管沿電纜方向敷設，按照GB 50116-2008《火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范》和GB 50174-2008《子信息系統(tǒng)機房設計規(guī)范》的要求，在需要空氣采樣的位置設采樣孔，當電纜過熱時揮發(fā)的煙霧粒子就能被探測器檢測到，采樣管由PVC材料制作，不存在電子元器件，主機布置在電纜豎井外，避免了電纜電磁干擾的影響，電纜豎井的探測器布置如圖3所示。

圖3 電纜豎井的探測器布置示意圖

3.2 機柜內

海洋作業(yè)平臺上機柜眾多的房間有很多，傳統(tǒng)的煙霧探測器只能布置在天花板上，當機柜內部元器件或電纜過熱僅產生微量煙霧時，傳統(tǒng)探測器就會失去作用。

采用VESDA探測器，對于有排風扇的機柜，可以將采樣管布置在機柜的排風口；對于沒有排風扇的機柜，可以根據(jù)項目要求采用毛細管采樣布置在機柜內部，或直接按標準將采樣系統(tǒng)布置在機柜上方約10cm處，如圖4所示，當機柜內有煙霧粒子時，即可在第一時間被檢測并報警。

圖4 機柜內探測器布置示意圖

3.3 空調回風格柵

平臺上機柜眾多的房間都配有空調，在空調運行過程中，房間內的煙霧粒子將隨著空調風的流向在室內循環(huán)，并不會到達天花板，而是隨氣流返回空調回風口，這種情況下，安裝在天花板上的傳統(tǒng)煙霧探測器就會失效。將VESDA采樣管安裝在空調的回風格柵，在空調風速較大的情況下仍然能夠檢測到煙霧粒子的存在?？照{回風格柵的探測器布置如圖5所示。

圖5 空調回風格柵探測器布置示意圖

3.4 天花板和地板夾層

電氣房間和中控室的天花板和地板夾層電纜縱橫交錯，發(fā)熱量很大，而且這類位置通風不暢，熱量不易散發(fā)，極易引發(fā)火災。為了檢測天花板和地板夾層的煙霧粒子，通常會在這些位置安裝帶遠程指示的煙霧探測器，傳統(tǒng)的煙霧探測器不但檢測不到極早期的煙霧粒子，而且受安裝空間的限制，每次維護都要拆裝天花板和地板，極為不便，特別是中控室地板夾層，電纜錯綜復雜，拆裝地板還可能影響系統(tǒng)安全，產生誤關斷。采用VESDA探測器，采樣管沿著天花板或地板夾層內的電纜布置，維護時只需在探測器主機的安裝位置進行管路吹掃即可。中控室地板夾層的探測器布置如圖6所示。

圖6 中控室地板夾層探測器布置示意圖

3.5 通風管道

大部分房間都有通風管道與外界相連，特別是由中央空調調節(jié)的房間，室內氣體通過回風管道排走，火災煙霧粒子也隨之排出，傳統(tǒng)探測器根本無法安裝檢測。如圖7所示，將VESDA探測器安裝在通風管道內的采樣管，采集被測區(qū)域的空氣，即可對這些煙霧粒子進行更集中、快速地檢測了。

圖7 通風管道內采樣管網(wǎng)布置示意圖

4 系統(tǒng)配置

本項目中，各房間內布置的VLC-505(VN)探測器的數(shù)量如圖8所示，布置探測器的房間包括電潛泵控制間、應急開關間、主開關間、中控室、主變壓器間、電潛泵變壓器間和生活樓電纜豎井。

圖8 VLC-505(VN)探測器布置示意圖

VESDA探測器通過硬線連接到海洋平臺主火氣系統(tǒng)，干接點信號分為3個等級，分別對應煙霧濃度的3個級別，針對實際情況，設定報警的緊急級別，編制相應級別的應急預案，其中最高級別報警與傳統(tǒng)煙霧探測器設置相同。

同時，每個探測器通過RS485通信接口與其他探測器串連成環(huán)網(wǎng)，接到網(wǎng)絡模塊VRT-300上，經(jīng)接口轉換VHX-0200(如果配置其他型號的接口轉換模塊，可以使用Modbus或TCP/IP等)后，對整個環(huán)網(wǎng)內的每臺探測器的狀態(tài)進行配置與讀取。上位機通過專用軟件實時監(jiān)測煙霧濃度值的報警狀態(tài)，包括是否報警或故障、報警設定值及報警記錄等。

5 結束語

筆者設計的極早期吸氣式煙霧探測系統(tǒng)在海洋平臺上投運的實際應用結果表明：該系統(tǒng)能夠及早發(fā)現(xiàn)危險，較傳統(tǒng)煙霧探測器提前數(shù)小時報警。極早期吸氣式煙霧探測系統(tǒng)在海洋平臺的應用目前還處于起步階段，通常會與傳統(tǒng)煙霧探測器并用，最高級別的報警與傳統(tǒng)光電/離子式煙霧探測器同樣進行邏輯關斷，其他級別的報警只進行警示。鑒于VESDA探測系統(tǒng)的優(yōu)良特性，其在空間受限，煙霧等火警現(xiàn)象極微弱的環(huán)境下，具有廣闊的應用前景。