李 紅，白 寧

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

海上平臺石油生產(chǎn)過程中，火災(zāi)探測與消防控制系統(tǒng)是平臺中央控制系統(tǒng)的重要組成部分。對初期火災(zāi)進(jìn)行有效的探測、報(bào)警和啟動消防保護(hù)，是火焰探測與消防控制系統(tǒng)的主要任務(wù)。火焰探測器是自動檢測火焰的設(shè)備，它關(guān)系到系統(tǒng)能否盡早檢測出火情。只有在火災(zāi)發(fā)生的初期，及時(shí)探測到火情，并由操作人員或自動邏輯啟動消防保護(hù)和采取人員撤離等措施，才能避免火災(zāi)蔓延、爆炸等災(zāi)難性的嚴(yán)重后果。

由于海洋石油平臺生產(chǎn)危險(xiǎn)性高，場所密集布置，人員逃生難度大等特點(diǎn)，火焰探測器的選擇、布置和火焰探測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對平臺的人員和生產(chǎn)安全至關(guān)重要。

1 海洋石油平臺火焰探測設(shè)備類型及選擇

海洋石油平臺使用的火焰探測器歸納起來大致有兩種。其中，一種是輻射式探測器。此類探測器是視線類裝置，收集探測區(qū)域的熱輻射，并把區(qū)域內(nèi)的熱輻射累加起來，分析其光照強(qiáng)度及火焰的閃爍頻率，判斷是否發(fā)生火災(zāi)[1]。因?yàn)檩椛淠苁且怨馑賯鞑サ?，所以此類探測器有快速動作的能力。根據(jù)對探測火災(zāi)輻射能的波長的不同，可以分為紫外線探測器、單頻紅外線探測器、紫外/紅外探測器和多頻紅外等類型探測器[1]。另外一種探測器則是一種可視的火焰探測器，依靠內(nèi)部自帶的CCTV攝像頭采集的現(xiàn)場圖像，通過圖像軟件分析來判定其監(jiān)控的現(xiàn)場區(qū)域是否存在火災(zāi)。

紫外（UV）型感應(yīng)探測器總體上來講是一種不錯(cuò)的火焰探測器?；旧希械幕馂?zāi)都會放射出紫外線。紫外探測器對在紫外線區(qū)內(nèi)，即波長趨于4000 ?的不可見的輻射能可做出反應(yīng)。通常情況下，對波長在約1800 ?~2500 ?范圍內(nèi)的紫外線做出反應(yīng)。然而，眾所周知，它對電焊所產(chǎn)生的電火花，X射線以及閃電很敏感，容易產(chǎn)生誤報(bào)警。由氣體壓縮機(jī)或者柴油機(jī)等的潤滑油所產(chǎn)生的碳?xì)浠衔飼廴咎綔y器的窗口，可能導(dǎo)致探測器失效，甚至溶解于大氣的少量碳?xì)浠衔镆矔绊懱綔y器的反應(yīng)。

為了解決以上問題，紅外（IR）型感應(yīng)探測器出現(xiàn)了。紅外探測器利用一個(gè)帶有濾鏡和透鏡系統(tǒng)的光電池或光電敏電阻作為感應(yīng)元件，對于波長高于7700 ?的不可見的輻射能做出反應(yīng)。同紫外線探測器相同，紅外線探測器也是快速動作型的探測器。紅外探測器可探測到1Hz～10Hz頻率范圍內(nèi)的火焰閃爍和4.1μm～4.6μm范圍內(nèi)的波長。紅外探測器解決了很多與紫外探測器相關(guān)的誤報(bào)警問題并且不受碳?xì)浠衔锏挠绊?，但是黑體射線又成為了新的誤報(bào)警源。紅外探測器最大的問題在于用二氧化碳（CO2）熱輻射來判定火災(zāi)，導(dǎo)致探測器幾乎只對碳?xì)浠衔锘馂?zāi)敏感。

紫外/紅外（UV&IR）型雙感應(yīng)探測器在報(bào)警前通常需要兩種傳感器做出反應(yīng)，這就使它避免了單獨(dú)使用紅外或紫外傳感器誤報(bào)警的影響（如太陽光、電焊光以及其他強(qiáng)光產(chǎn)生的誤報(bào)警）。然而需要注意的是，這種探測器不是只結(jié)合以上兩種探測器的優(yōu)點(diǎn)，它們的缺點(diǎn)也同樣被繼承下來。這種探測器只能監(jiān)測到碳?xì)浠衔锘鹧?，同時(shí)水汽、結(jié)冰、油膜及其空氣溶解物會導(dǎo)致探測器失效，導(dǎo)致不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)情況。

多頻紅外探測器的出現(xiàn)解決了以上提到的很多問題，它增加了4.4μm紅外傳感器在降低誤報(bào)警的同時(shí)，提高了探測器的靈敏度。從傳感器傳出的信號是與兩個(gè)或者3個(gè)光波相關(guān)聯(lián)的。然而，這項(xiàng)技術(shù)在減少誤報(bào)警方面并沒有什么大的進(jìn)展，只是增加了靈敏度。對于壓縮機(jī)產(chǎn)生的CO2熱輻射的漫反射，甚至電焊產(chǎn)生的電弧都會有反應(yīng)。盡管熱發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的黑體射線不會引起探測器的誤報(bào)警，但黑體射線對傳感器有影響，有可能降低探測器的敏感度甚至失靈，海面反射的太陽光對探測器也有相似的影響。

CCTV型火焰探測器通過與人的眼睛大小感光類似的攝像頭獲取現(xiàn)場圖像，并對圖像進(jìn)行處理分析，判斷是否發(fā)生火情，基本避免了以上幾種探測器的缺點(diǎn)，如焊接、摩擦、熱輻射（如壓縮機(jī)等發(fā)出的余熱)以及閃電現(xiàn)象引起的誤報(bào)警。同樣，CCTV火焰探測器也存在缺點(diǎn)，那就是對于“看不見”的火焰，如純氫氣火焰和純甲醇火焰，存在一定的盲區(qū)[2]。

針對各類火焰探測器的誤報(bào)警與污染物及遮擋等因素總結(jié)見表1。

表1 各類探測器的誤報(bào)警和污染物影響Table 1 False alarms and pollutant effects of various detectors

目前，多頻紅外由于其高靈敏度是在海洋石油平臺應(yīng)用最廣泛的火焰探測器，紫外探測器由于其較快的響應(yīng)速度，在發(fā)電機(jī)罩殼內(nèi)等場所應(yīng)用較多。而CCTV火焰探測器作為新發(fā)展的火焰探測技術(shù)，由于其在避免誤報(bào)警與能提供現(xiàn)場圖像等方面的優(yōu)勢，在海洋石油平臺近年也得到越來越多的應(yīng)用。

2 CCTV型火焰探測系統(tǒng)

CCTV可視火焰探測器是一種組合型的火焰探測器以及監(jiān)測系統(tǒng)。探測技術(shù)利用攝像機(jī)監(jiān)控現(xiàn)場環(huán)境，并通過對所得視頻的處理和分析實(shí)現(xiàn)對火災(zāi)的探測[3]。CCTV攝像頭拍攝到類似著火的視頻圖像，通過經(jīng)驗(yàn)證的火焰檢測算法和數(shù)字信號處理，處理實(shí)時(shí)視頻圖像，從視覺上檢測火焰的特性，區(qū)分哪些是真正的火災(zāi)情形以及哪些是容易引起誤報(bào)警的其它光源。

2.1 CCTV火焰探測器的特點(diǎn)

2.1.1 避免和區(qū)分

CCTV可視火焰探測器能夠避免一些經(jīng)常容易引起誤報(bào)警的干擾源，如焊接、摩擦熱、熱輻射（如壓縮機(jī)等發(fā)出的余熱）以及閃電現(xiàn)象。

2.1.2 實(shí)時(shí)圖像

當(dāng)CCTV火焰探測器探測到設(shè)定范圍的火焰報(bào)警時(shí)，將在監(jiān)視器中自動彈出火警區(qū)域的實(shí)時(shí)動態(tài)畫面，操作員在中控室內(nèi)就可以了解現(xiàn)場火災(zāi)的情況，并及時(shí)采取相應(yīng)的措施，不僅提高了效率，縮短操作員的事故反應(yīng)時(shí)間，而且降低了操作員出現(xiàn)在危險(xiǎn)場所的概率。發(fā)生火焰的實(shí)時(shí)圖像還可以設(shè)定為自動記錄，為將來分析火災(zāi)發(fā)生的原因提供幫助。CCTV火焰探測器可以當(dāng)作結(jié)合CCTV功能的火焰探測器，也可以僅僅把它當(dāng)作一個(gè)CCTV監(jiān)視系統(tǒng)。

2.1.3 環(huán)境適應(yīng)性

CCTV火焰探測器適用于各種極端條件下的自然環(huán)境，同樣適用于海洋環(huán)境。對于海洋環(huán)境下的冷凝結(jié)冰等情況，CCTV探測器安裝有智能加熱元件，由攝像機(jī)鏡頭上方的溫度傳感器控制，防止光學(xué)元件上結(jié)冰和被雪遮擋。

圖1 CCTV火焰探頭探測范圍圖[4]Fig.1 Detection range of CCTV flame probe[4]

2.2 CCTV火焰探測器探測范圍

CCTV火焰探測器可以在40m（有的已經(jīng)達(dá)到60m）90°角的范圍內(nèi)靈敏地探測到10kW的熱輻射，并且靈敏度可以設(shè)定調(diào)整，精確度范圍在10kW～50kW之間。該技術(shù)與傳統(tǒng)輻射類檢測器之間的區(qū)別在于，在離軸45°時(shí)，靈敏度不會降低50%，但仍保持在軸上靈敏度的100%。這將使每個(gè)點(diǎn)的覆蓋率提高了20%，這意味著探測器數(shù)量減少。CCTV火焰探測器可以通過減小探測的視角范圍，以增加探測距離。這就像在標(biāo)準(zhǔn)攝像機(jī)上使用長焦鏡頭一樣，在100m處可以檢測到10kW的火災(zāi)。

2.3 火焰視頻及報(bào)警信號接口

CCTV火焰探測器提供多種信號接口，包括常規(guī)0mA～20mA電流信號、報(bào)警干觸點(diǎn)信號、RS485通訊信號、視頻信號等，如圖2。

圖2 CCTV火焰探頭接口連接圖[5]Fig.2 Connection diagram of CCTV flame probe interface[5]

2.4 系統(tǒng)的配置

CCTV火焰探測系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成一般是設(shè)備采用單獨(dú)控制柜安裝，不論是硬件上還是軟件上，都相對于其他系統(tǒng)相對獨(dú)立，以此來保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，避免影響中央控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行[6]。

CCTV火焰探測器可以“獨(dú)立”工作，也可以把它連接到控制系統(tǒng)中去，并且可以在報(bào)警情況下，“看見”火災(zāi)的變化情況。把這個(gè)探頭當(dāng)作一個(gè)結(jié)合CCTV功能的火焰探測器，也可以僅僅把它當(dāng)作一個(gè)CCTV監(jiān)測系統(tǒng)（取消它的火焰探測功能）。

圖3 某項(xiàng)目CCTV火焰探測系統(tǒng)配置圖Fig.3 Configuration diagram of CCTV flame detection system in a project

3 在南海某項(xiàng)目的應(yīng)用

CCTV火焰探測器近年研發(fā)出來后，盡管在國外BP的平臺上有應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，但在國內(nèi)海洋平臺還是首次應(yīng)用。在南海某氣田項(xiàng)目中，通過充分了解論證后，確定了采用CCTV火焰探測系統(tǒng)的方案。

在探頭布置方面，根據(jù)區(qū)域危險(xiǎn)性和設(shè)備分級進(jìn)行初步布置后，通過覆蓋分析軟件進(jìn)行模擬分析，確定現(xiàn)布置方案下探測區(qū)域的覆蓋率，然后通過調(diào)整探測器的數(shù)量、位置、高度和探測角度等，達(dá)到相對合理的探測器覆蓋效果。

南海某氣田項(xiàng)目CCTV火焰探測系統(tǒng)的系統(tǒng)配置如圖3。CCTV火焰探測器需要接入24V直流電源，通訊RS485，VIDEO電纜，以及4mA～20mA信號。

一個(gè)MASTER HUB下面有若干個(gè)SLAVE HUB，一個(gè)PRIMARY VSW下面有若干個(gè)子VSW。VIDEO信號接入VSW，RS485信號接入HUB，經(jīng)過HUB與VSW的集成卡件的轉(zhuǎn)換，輸出信號到監(jiān)控計(jì)算機(jī)（CONTROL PC）。其中，RS485通訊信號在進(jìn)入CONTROL PC之前，還要經(jīng)過232/485轉(zhuǎn)換器。CCTV火焰探測器輸出的4mA～20mA信號接入中央控制系統(tǒng)的火氣系統(tǒng)中進(jìn)行報(bào)警和關(guān)停及消防聯(lián)鎖等動作。同時(shí)輸出視頻信號到中控室的監(jiān)視器，而且與中控系統(tǒng)有RS485接口，可以在中控室中修改CCTV型探測器的參數(shù)?？紤]到視頻信號占用較大網(wǎng)絡(luò)帶寬，為避免對控制系統(tǒng)信號的傳輸造成干擾，因此視頻信號沒有接入中控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，CCTV火焰探測視頻信號采用了一臺專用的顯示設(shè)備。

探測系統(tǒng)（包括火焰探頭、圖像接口卡件、監(jiān)視器等）由火焰探測系統(tǒng)廠家供貨，在現(xiàn)場只需進(jìn)行電纜連接，探頭定位和現(xiàn)場調(diào)試。

整個(gè)調(diào)試的過程方便易行，查找問題簡單快捷。由于探頭本身自帶攝像頭，在發(fā)現(xiàn)探頭故障時(shí)可以先通過視頻初步判斷問題后，再去現(xiàn)場解決。在南海某氣田平臺的應(yīng)用中驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，CCTV火焰探測器避免了以往經(jīng)常遇到的電焊施工誤報(bào)警和海面反射的太陽光，以及設(shè)備表面反射的光線等造成的誤報(bào)警。

4 總結(jié)

目前，南海某氣田平臺的CCTV型火焰探測系統(tǒng)處于正常平穩(wěn)運(yùn)行階段，應(yīng)用效果較好。同時(shí)在海洋油氣陸上處理終端、LNG、渤海油氣平臺等項(xiàng)目中均陸續(xù)采用。由于CCTV型火焰探測系統(tǒng)結(jié)合了火焰探測和視頻監(jiān)控的功能，能在發(fā)生火災(zāi)的第一時(shí)間將現(xiàn)場視頻圖像傳輸?shù)街锌叵到y(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，相當(dāng)于把操作員的視野直接擴(kuò)展到了現(xiàn)場，使操作員可以通過視頻第一時(shí)間了解現(xiàn)場情況，并及時(shí)啟動相關(guān)的消防措施，保證把初期火災(zāi)控制在較小影響，較大提高了整個(gè)平臺設(shè)施的安全性。隨著技術(shù)的發(fā)展和成本的下降，CCTV火焰探測系統(tǒng)必將在海上生產(chǎn)設(shè)施上有更廣闊的應(yīng)用空間。