圖像型火焰探測器在煤化工領域中的應用

冷蕓菲

(中國天辰化學工程公司，天津 300400)

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圖像型火焰探測器在煤化工領域中的應用

冷蕓菲

(中國天辰化學工程公司，天津 300400)

稿件收到日期： 2015-05-22，修改稿收到日期： 2015-08-13。

圖像型火焰探測器是GB 15631—2008《特種火災探測器》中正式確立的一種火災探測器，通過成像探測、處理方式及對監視場合中的火災進行有效探測，具備火災探測和視頻監視的雙重功能，優于點式和線式探測器，適用于室外場所和室內大空間場所。

1圖像型火焰探測技術

1．1發展歷史

圖像型火焰探測的發展大致經歷以下四個階段： 純學術研究階段(1960—1985)；特定應用開發階段(1985—2005)；工業應用開發階段(2000—2020)；商業應用開發階段(2020—)。純學術研究階段主要是國外的某些高校和研究機構在進行的一些基礎算法的研究，國內在該階段尚沒有進行任何研究工作。特定應用開發階段主要集中在森林防火以及隧道火災探測的研究，森林防火主要有地面探測方式和衛星探測方式兩種，采用了CCD成像、熱成像和相應的火災處理算法，早已發展成熟并進行了大量的應用；國外交通監視中的視頻探測方式開展很早，目前已大規模應用，隧道火災探測隨著應用的深入加入了新的功能需求，國內在此階段基本還停留在基礎性的算法研究工作。工業應用開發階段是隨著智能視頻分析技術的發展而發展的，該階段國內和國外的技術水平存在3～5年的差距，初期視頻火災探測技術作為智能視頻分析功能的子項出現，并作為安防領域的功能來應用。隨著在工業領域和高端民用領域的大量應用，視頻火災探測技術必將向民用領域轉化，整個發展進入商業應用開發階段，形成了真正大規模商業應用的局面。

從火災探測技術的角度來看，從過去的點式探測、線式探測，必將過渡到成像式的探測，這是技術發展的必然趨勢，也是解決更復雜條件下(特別是室外環境)火災探測的必然選擇。因為點式探測和線式探測無法提供更多的探測維度來過濾干擾源，也無法將真實的火災和假的火災進行區分。只有成像探測方式能提供多維度的綜合判斷，能非常可靠地解決復雜條件下的火災探測。成像探測方式可以根據應用場合的不同選擇不同譜段的成像器件，如目前主要選擇可見光和近紅外波段的CCD相機，后續的發展可以考慮選擇短波紅外SWIR、中波紅外MWIR、長波紅外LWIR以及紫外成像器件，針對不同的成像方式，火災探測算法會相對不同。

圖像型火焰探測目前處于工業應用階段的前期，技術日趨成熟，民用高端領域的應用已經被認可并已大面積應用，工業領域的應用范圍也在逐步擴大，特別在國外，已在很多工業場所成功應用。

1．2技術現狀

火焰探測技術發展到現在，產生了不同的技術原理，同時表現出了不同的性能，下面將詳細論述運用各種不同原理的差異。

1．2．1各種探測技術的性能對比

運用不同技術原理的探測器性能比較見表1所列。

表1　3種火災探測器的性能對比

由表1可知，圖像型探測器具備了其他探測器無法比擬的技術優勢，主要體現在以下方面：

1) 圖像型探測器可在5個維度對火災進行區分，而點型探測器最多只能在3個維度進行區分，這也是圖像型探測器能更好地屏蔽各種干擾的最大原因。

2) 圖像型探測器最大的優勢是具備空間分辨率，因而能區分真火和干擾源，且不受一些污損和遮擋因素影響。

3) 圖像型探測器的探測元件是焦平面的，有30～40萬個像素，而點型探測器只有幾個像素，因而靈敏度很差。

4) 圖像型探測器可在其他維度上(如極性)進行更多判斷，或多種維度協同判斷。

1．2．2圖像型火焰探測器應用現狀

圖像型火焰探測器經過十多年的發展，日趨成熟，具備了大面積使用的條件。

目前在穩定的環境光照條件下，能進行火焰檢測和煙霧檢測的品牌很多，上百家智能視頻分析廠商均表示能提供這些功能；而在有變化的光照環境條件下，能穩定檢測到火焰和煙霧的品牌，約有幾十家；但在變化很大的條件下，能穩定檢測到火焰和煙霧的設備卻并不多。因此，在未來很長時間，解決環境適應性問題是所有廠家共同面臨的問題，只有這樣才能拓展圖像型火焰探測器的應用場合。目前圖像型火焰探測器的形態包括：

1) 前端相機方式，將火災檢測功能集成到相機內。

2) 前端視頻服務器方式，將火災檢測功能集成到視頻服務器中。

3) 后端視頻服務器方式，多路視頻回傳到后端的服務器，由后端的服務器統一進行檢測處理。

4) 點型火焰探測器+相機方式，在火焰探測器的旁邊加1個監視相機。具體的檢測功能又區分單火焰探測、單煙霧探測和火焰煙霧綜合探測。

2圖像型火焰探測器應用領域

2．1國內外應用情況

圖像型火焰探測器出現至今，國際上一直在尋求該新型火災探測器的應用研究，其中最重要的研究項目包括：

1) 國際公路隧道火災探測研究項目。主要目的是研究各種火災探測技術在公路隧道防火應用中的性能，開發公路隧道中火焰和煙霧檢測的性能標準和應用標準，圖像型火災探測器也是該項目中重點研究的對象，與其他各種探測方式進行了相應的對比。

2) 視頻圖像探測系統安裝性能標準。是專門針對圖像型火焰探測器開展的研究項目，該項目針對大空間和工業應用場合(化工場所)進行應用性研究，確立該類型探測方式的安裝性能標準。

3) BP液化天然氣研究項目。該項目中把視頻火災探測技術和基于熱成像的探測技術作為液化天然氣火災探測的兩種非常重要的方式，通過該項目的驗證，視頻火災探測器在BP的液化天然氣場所得到了大面積的應用。

在國外，視頻火災探測器的應用大致分4個階段： 第一階段是視頻火焰探測器的應用，主要應用于石油化工領域；第二階段是視頻煙霧探測器的應用，主要應用于室內高大空間；第三階段是綜合視頻煙霧探測和火焰探測器(后端處理)的應用，主要應用于室內高大空間和工業領域；第四階段將視頻煙霧和火焰探測集中到相機中的應用，主要應用領域開始向室外和工業領域拓展。國外的視頻火災探測器應用經過了約10 a，特別在石油化工領域經過了大量的應用，證明了其應用的必要性和可行性。高大空間是所有視頻火災探測專家認可的應用場所，同樣具有大量的實際應用案例。

在國內，視頻火災探測器在高大空間的應用也經歷了10 a的時間，而在工業領域的應用相對滯后，2009年GB 15631—2008《特種火災探測器》的頒布才進一步推動了在大空間和工業領域的應用，目前在工業領域應用還較少，基本集中在一些試點項目上。

2．2國外相關標準規范制定進展情況

在美國消防報警協會火災報警規范NFPA 72—2007中，與圖像型火焰探測器對應的探測器類型為視頻圖像探測系統(VID)，又分成視頻圖像火焰檢測(VIFD)、視頻圖像煙霧檢測(VISD)。視頻圖像火災探測系統被歸類為輻射能量傳感型的火災探測器，被視為與光學火焰探測器類似。由于各品牌VID性能和算法上的差異，NFPA 72—2007中規定，對VID進行檢測、測試和維護均應按照各廠家提供的說明進行。

3圖像型火焰探測器在煤化工中的應用

3．1煤化工火災危險性分析

煤化工項目各主要裝置在生產及儲存過程中所使用和產生的原料、中間品及成品，多為易燃、易爆危險物，如煤氣、甲醇、一氧化碳、硫化氫、甲烷、氨氣、石腦油等，各主要生產裝置火災危險性多為甲、乙類。

根據生產性質及對危險物質特性的分析，參照GB 50058—2014《爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范》的規定，項目中可能出現的爆炸危險性環境為爆炸性氣體環境、爆炸性粉塵環境和火災危險環境。爆炸性氣體環境主要存在于裝車站、低溫甲醇洗、氣柜、硫回收、變換及冷卻、加壓氣化、成品罐區、酚回收、煤氣水分離、壓縮制冷、甲烷合成、煤氣壓縮、丙烯庫、氨庫、火炬等；爆炸性粉塵環境主要存在于造氣備煤工段、硫回收裝置成型機廠房；火災危險環境存在于各主要生產裝置。其他火災危險類別為丙類；其余公用輔助設施為丁、戊類。

煤化工項目生產過程中使用或產生的甲類危險物如煤氣(一氧化碳、氫氣、甲烷、硫化氫)、火炬氣(氫氣、一氧化碳、甲烷、氨氣)、合成氣(氫氣、甲烷)、甲醇、天然氣、丙烯、石腦油等，在生產過程中均系密閉運行，一般情況下不會泄漏；其余物料為丙類危險化學品，燃燒爆炸級別小。所以在正常生產情況下不易發生火災，只有在操作失誤、管理不當等非安全操作情況下，才有可能發生火災。主要生產場所火災及爆炸危險分類等級見表2所列。

表2　主要生產場所火災及爆炸危險分類等級

3．2煤化工火災探測方式比較

從上述分析可以得出： 在煤化工的生產裝置區、儲罐區和儲運設施處可能存在高等級火災隱患，這些區域存在易燃易爆氣體，大多為室外開放環境，與石油化工類似區域的火災危險性相似，因而上述場所火災探測的解決方案為火和氣體探測同時進行，以保證及時有效地制止火災的蔓延和重大事故的發生。

氣體探測方式包括點式的可燃氣體探測器、紅外開路氣體探測器以及紅外氣體成像探測器；火探測方式包括紫外火焰探測器、紫外/紅外火焰探測器、紅外單波段火焰探測器、紅外多波段火焰探測器以及圖像型火焰探測器。

圖像型火焰探測器由于采用了成像探測處理方式，用于表征火災的維度高于點型的探測器，具有更高的屏蔽外界干擾和探測微小火源的能力，特別適合于空間開放的工業場合，同時圖像型火焰探測器可以提供視頻監視的功能，具備遠程確認火情和火災現場情況應急處理的能力。而其他類型的探測器無法屏蔽外界的各種干擾，會帶來大量的誤報，也無法探測微小的火源，會產生漏報，特別是在室外環境條件下，誤報和漏報十分頻繁，基本喪失了火災探測的能力。

對于易燃和易爆的化工場所，最好的火災探測解決方式是兩種探測方式的協調配合。一個潛在危險的場景假設： 某一遠端的火源不斷消耗泄漏的氣體，使得氣體濃度始終達不到點型氣體探測器的探測門限，導致點型的火焰探測器和氣體探測器都無法報警。而如果采用圖像型的火災探測器+紅外開路氣體探測器或圖像型火焰探測器+紅外氣體成像探測器結合就會很好地解決這些問題，因為紅外開路型氣體探測器探測的是區域的氣體濃度，而不是點的氣體濃度，而紅外氣體成像探測器是專門對氣體成像的，只要區域中有氣體出現，就會有氣體的圖像出現，類似于人眼看到的有色氣體在空間擴散，因而無論是明火還是靜電引起的火災都可以在事故發生前得到有效探測，確保得到有效的預防。

3．3煤化工場所應用適宜性分析

3．3．1儲罐區火災特點

根據LASTFIRE項目研究顯示： 浮頂油罐火災有5種類型： 浮頂密封圈火災、浮頂泄漏引起的火災、全浮頂表面火災、防火堤火災和浮頂爆炸油罐火災，而其中浮頂密封圈火災是最常見的火災類型，在大量的油罐火災中出現的頻率最高(見表3所列)，因而很多研究也是針對此種火災類型進行的。

表3　各種油罐故障及火災類型的統計結果

在浮頂罐中儲存的原油和石油可從環型密封處揮發，遇火花點燃形成火災，如不能及時檢測到，并采取相應的措施，將鑄成災難性的后果。這種火災出現的頻率在所有的浮頂油罐火災中最高。

3．3．2儲罐區火災檢測方法

目前油罐區火災檢測主要有3種方式，而相應的探測器的適應能力比較見表4所列。

表4　不同種類探測器的適應能力

1) 感溫型探測器。如線性感溫電纜和光纖分布式感溫，這主要是基于油罐火災起火過程中伴隨著明顯的溫度升高。

2) 光學火焰探測器。如雙波段IR火焰探測器，三波段的UV/IR火焰探測器。

3) 基于視頻的火焰探測器。是最近兩三年出現的新型火焰探測器。

3．4煤化工場所應用安全性分析

圖像型火焰探測器在煤化工場所應用是否存在安全隱患，比如是否會成為引火源，一直是大家關注的問題。由于易燃易爆場所內爆炸混合物氣體和可燃物是客觀存在的，所以造成電氣火災的主要原因是場所內存在電氣引火源，電氣設備設施安裝不規范，采用非防爆電氣設備是造成電氣火災事故的最重要因素。 常見的電氣方面的不安全因素一般表現在以下幾個方面：

1) 電氣設備不符合防爆要求。未根據爆炸危險區域的要求及爆炸性氣體混合物的級別和組別，正確選擇相應級別的防爆電氣設備： 如用普通插座代替防爆插座，用普通開關代替防爆開關，用防水防潮燈具代替隔爆型燈具等。

2) 線路敷設不符合防爆要求。如用塑料管或普通電線管代替厚鋼管敷設電線路，導線連接處未采用防爆接線盒，導線的接頭處未采用釬焊、熔焊而造成接觸不良，架空導線跨越易燃易爆場所屋面或與危險場所間距不足等。

3) 沒有接地、接零或處理不好。如金屬設備、管道和構架等未和接地體連成整體，零線的最小截面不符合要求，接地線未接到標志處，沒有采取防松、防銹、防機械損傷措施等。

4) 其他電氣設備等原因。如使用未采取防爆措施的各種通信設備、電子設備、攜帶式電器等。另外，防靜電和防雷擊措施不當，也可能引起電氣火災事故。

圖像型火焰探測器在煤化工應用中是否會成為引火源取決于以上4個方面做的是否符合規范。按照GB 3836—2000 《爆炸性氣體環境用電氣設備》、GB 12476—2010《可燃性粉塵環境用電氣設備》、GB 50115—2009 《工業電視系統工程設計規范》進行探測器的工程設計，就不會存在安全隱患。

3．5煤化工場所應用性價比分析

圖像型火焰探測器在煤化工領域應用的性價比也是很多煤化工廠家、工程設計、施工方普遍關注的問題，從以下3個方面進行說明。

1) 圖像型火焰探測器同時具備火災探測和工業電視監視的功能，因而圖像型火焰探測器至少相當于工業領域中火災探測報警系統和工業電視監控系統兩者相加的能力。

2) 傳統的點型火焰探測器，特別是在室外使用時，存在大量的漏報和誤報，最嚴重的情況是操作人員不得不降低其靈敏度以減少誤報，而圖像型火焰探測器卻能大量抑制誤報和漏報，非常準確、可靠地提供報警信息，探測報警的效率大幅提高。

3) 從工業電視監視的角度來看，過去的監視主要靠人來完成，由于視覺疲勞等因素，40 min后效率基本降至零。而帶有火災探測的圖像型火焰探測器在有情況出現后，畫面會自動彈出，帶有警示作用，提高了報警效率。

通過上述分析可知，圖像性火災探測器不僅同時具備了火災探測報警系統和工業電視監控系統的功能，而且在此基礎上，大幅提升了效率，具備很高的性價比。

4結論

從圖像型火焰探測器的優越性能著手，討論了現有火災探測技術在上述環境中的應用并指出其局限性。作為對比，介紹了圖像型火焰探測器的基本原理并深入分析其在煤化工領域中的應用優勢。作為一種新型的特種火災探測器，圖像型火焰探測器為工程設計的設備選型提供了更好的選擇。

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《石油化工自動化》征訂啟事

《石油化工自動化》創刊于1964年，由中國石化集團公司主管，中石化寧波工程有限公司、全國化工自控設計技術中心站、中國石化集團公司自控設計技術中心站主辦，面向全國化工、石化、石油、紡織、輕工等行業的自動化科技刊物。

本刊為中國科技核心期刊，中國石化集團公司核心科技期刊，并入選“中國期刊方陣”。本刊入選《中國學術期刊(光盤版)》，被全文收錄；榮獲全國優秀期刊評比三等獎；加入“中國期刊網”和“萬方數據資源系統(ChinaInfo)數字化期刊群”，并被列為“中國學術期刊綜合評價數據庫”來源期刊；被美國《化學文摘》(CA)、《劍橋科學文摘》(CSA)、俄羅斯《文摘雜志》(AJ)、波蘭《哥白尼索引》(IC)列為檢索源期刊。

《石油化工自動化》的內容突出實用性、指導性、知識性，報道國內外自控領域的科研成果和先進技術，介紹新產品、新工藝、最新動態。讀者對象主要為化工、石化、石油、紡織、輕工等行業的自動化專業技術人員，大專院校、科研單位從事自動化教學和科研工作的人員等，擁有大量的讀者。主要欄目有發展與評述、工程設計及標準、過程控制技術、信息技術、儀器儀表、創新與實踐等。

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摘要：通過對圖像型火焰探測器的發展歷史、技術發展階段及國內外相關標準制定情況的論述，介紹了圖像型火焰探測器的特點，對其在煤化工領域的應用現狀及前景進行了詳細的分析。用圖表的方式闡明了在當前的技術背景下該探測器在分辨率、敏感度及各種探測參數上均優于其他設備，可智能識別火災并降低誤報率。針對工業環境下引起火災的多種因素，通過對比幾種探測方式的有效性，說明圖像型火焰探測器能更快、更準、有效地防止煤化工領域中火災的蔓延和重大事故的發生。

關鍵詞：圖像型火焰探測器煤化工分辨率敏感度蔓延

Application of Image Flame Detector in the Field of Coal Chemical IndustryLeng Yunfei

(China Tianchen Engineering Corporation， Tianjin， 300400， China)

Abstracts： Through discussion of development history， technology development stage and standards formulation at home and abroad for image flame detector， characteristics of image flame detector are introduced． Application situation and prospects in the field of coal chemical industry are analyzed in detail． Under the background of current technology， it indicates with charts and tables that the resolution， sensitivity and all other kinds of detection parameters of image flame detector are superior to those of other devices． It can identify fire and reduce failure alarm rate intelligently． In allusion to multiple factors causing fire in industrial environment， compared with effectiveness of several detection modes, it is indicated image flame detector can prevent fire spread and occurrence of major accidents in the field of coal chemical industry faster， more accurately and effectively．

Key words：image flame detector; coal chemical industry; resolution; sensitivity; spread

中圖分類號：TN215

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)05-0008-05

作者簡介：冷蕓菲(1988—)，女，天津人，2010年畢業于山東建筑大學通信工程專業，獲學士學位，現就職于中國天辰化學工程公司，主要從事電信設計工作，任工程師。