分布智能圖像火災(zāi)探測(cè)器在儲(chǔ)油罐的應(yīng)用研究

陳超聲，王明勇，呂喆明，甘瓊

（中國(guó)石油西部管道公司， 烏魯木齊 830013）

0 引言

近幾年來，各大企業(yè)非常重視安全問題，但是油罐火災(zāi)仍然不少，油罐失火的主觀原因往往是有關(guān)人員的思想不重視，責(zé)任心不強(qiáng)，違反操作規(guī)程等；客觀原因方面通過對(duì)國(guó)內(nèi)煉油廠油罐火災(zāi)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果表明：明火引起占64%，靜電引起占 12%，油溫達(dá)到自燃點(diǎn)引起占8%，雷擊引起占12%，其它原因占4%。由于這一類油罐的儲(chǔ)量往往比較大，火災(zāi)損失和控制的難度很大，因此所有的自動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)都應(yīng)該在 3 min內(nèi)反應(yīng)，而實(shí)際情況是系統(tǒng)往往達(dá)不到，主要問題在于：

1）靈敏度差。以往采用的火焰探測(cè)器，響應(yīng)距離有限，對(duì)于 5 萬m3油罐（罐體直徑60m，液位高度17.86m）和10 萬m3罐（罐體直徑80m，液位高度20.2m），探測(cè)距離達(dá)到 60m和 100m，根據(jù)火焰探測(cè)器的平方律關(guān)系，距離每增加 1 倍，響應(yīng)的火災(zāi)規(guī)模必須增加 4 倍[1]，而對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)火（0.1m2汽油火），一般國(guó)產(chǎn)火焰探測(cè)器一級(jí)靈敏度響應(yīng)距離為 25m，進(jìn)口產(chǎn)品最遠(yuǎn)距離為45m，這意味著要比較大的火才能觸發(fā)報(bào)警。

2）火情確認(rèn)時(shí)間長(zhǎng)，可視化程度差。目前，除了罐頂?shù)幕馂?zāi)報(bào)警系統(tǒng)外，會(huì)在周邊設(shè)置工業(yè)電視系統(tǒng)。一旦發(fā)現(xiàn)報(bào)警，一般需要通過攝像機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)去查看火災(zāi)，或者需要人員就近進(jìn)行確認(rèn)，用時(shí)過長(zhǎng)。

1 研究目的

火焰探測(cè)器作為一種重要的火災(zāi)探測(cè)器已經(jīng)在許多工業(yè)場(chǎng)所得到使用，當(dāng)然隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，除了特別的應(yīng)用場(chǎng)所還會(huì)使用紫外、單波段紅外或IR/UV和IR/IR復(fù)合火焰探測(cè)器外，大部分工業(yè)場(chǎng)所都在改用三波段紅外火焰探測(cè)器。

紫外火焰探測(cè)器是基于紫外傳感器對(duì)300nm以下紫外線的響應(yīng)進(jìn)行火焰分析的，不能用于室外，因?yàn)樘柟馑淖贤饩€或閃電、人工光源等很容易引起誤報(bào)警；單波段紅外火焰探測(cè)器主要應(yīng)用4.4um的火焰響應(yīng)波段，也基本無法使用，很容易因?yàn)榄h(huán)境光、人工光源、閃電等引發(fā)誤報(bào)警，而且探測(cè)距離太短，一般為25m以內(nèi)；IR/UV和IR/IR復(fù)合探測(cè)器主要使用了260nm響應(yīng)紫外傳感器[2]，4.4um響應(yīng)紅外傳感器和3.8um參比波段傳感器，通過分析傳感器的參數(shù)變化以確定是否報(bào)警，雖然在誤報(bào)率方面有所提高，但仍然會(huì)因?yàn)槿斯す庠吹榷`報(bào)警，另外探測(cè)距離太短，一般為30m以內(nèi)。三波段火焰探測(cè)器則主要是用了一個(gè)4.4um火焰波段和兩個(gè)參比波段（3.8um和5um或其他近紅外等）較大地提高了探測(cè)距離[3]，具有一定的防誤報(bào)能力。然而，三波段火焰探測(cè)器受環(huán)境因素影響較大，維護(hù)使用并不方便，存在一些共性問題。

1）探測(cè)器受環(huán)境的影響較大，例如雨、雪天氣，探測(cè)器窗口結(jié)露，探測(cè)器窗口被油污灰塵覆蓋等，這些因素可能是致命的，造成三波段紅外火焰探測(cè)器不報(bào)警或者報(bào)警遲緩。

2）探測(cè)器的探測(cè)性能與探測(cè)距離呈平方率關(guān)系（距離平方反比），即火災(zāi)的位置距離探測(cè)器每增加一倍，探測(cè)能力衰減4倍[4]。

3）探測(cè)器受遮擋時(shí)，基本喪失探測(cè)能力。

通過近20年的發(fā)展，圖像型火災(zāi)探測(cè)器已經(jīng)完全成熟，尤其是在2007年美國(guó)NFPA72將該種探測(cè)器納入規(guī)范規(guī)定后，該種探測(cè)器在全球許多地方得到了較大量的應(yīng)用[5]。美國(guó)DHF英特威視公司的AlarmEye系列分布智能圖像型火災(zāi)探測(cè)器是目前全球國(guó)際認(rèn)證（UL, FM, ATEX, CE,FCC）和中國(guó)認(rèn)證(CCC, 防爆認(rèn)證等)最全面的圖像火災(zāi)探測(cè)器。AlarmEye探測(cè)器采用NIR和彩色/黑白復(fù)合圖像探測(cè)，可同時(shí)進(jìn)行煙霧、火焰的探測(cè)，具有探測(cè)距離遠(yuǎn)（探測(cè)能力與距離成線性反比，優(yōu)于三波段火焰探測(cè)器），耐環(huán)境性能好等特點(diǎn)。

當(dāng)然，分布智能圖像火災(zāi)探測(cè)器除了進(jìn)行火災(zāi)探測(cè)外，還有很重要的一些特性是傳統(tǒng)探測(cè)方法不能達(dá)到的，例如火災(zāi)的即時(shí)確認(rèn)功能，可增加智能監(jiān)控功能而形成三合一系統(tǒng)等，對(duì)整個(gè)被保護(hù)對(duì)象的安全防護(hù)能力大大提高。

2 對(duì)比應(yīng)考慮的關(guān)鍵問題

探測(cè)器的使用主要需要考慮兩個(gè)大方面的問題：第一，報(bào)警性能，需要符合被保護(hù)對(duì)象的特點(diǎn)；第二，探測(cè)器的環(huán)境適應(yīng)能力，尤其是室外應(yīng)用的系統(tǒng)。鑒于此，本次對(duì)比測(cè)試主要進(jìn)行兩個(gè)大的方面的功能測(cè)試：

1）報(bào)警性能。鑒于是在油罐上使用，而有關(guān)的火災(zāi)危險(xiǎn)主要出現(xiàn)的密封圈周邊，因此性能測(cè)試主要考慮針對(duì)30000m3、50000 m3及100000 m3油罐的尺寸進(jìn)行，需要在46m~60m范圍進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)火的測(cè)試對(duì)比。

2）環(huán)境適應(yīng)能力。室外使用主要面臨的環(huán)境影響在于：第一，自然氣候的影響，即雨、雪、結(jié)露等的影響；第二，灰塵、油污的覆蓋遮擋影響。按照要求，探測(cè)器應(yīng)能承受一定程度的環(huán)境影響，而不應(yīng)出現(xiàn)失效的問題。

3 對(duì)比試驗(yàn)及試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)場(chǎng)地

試驗(yàn)選擇消防大隊(duì)的場(chǎng)地進(jìn)行，具體尺寸見圖1。

圖1 試驗(yàn)場(chǎng)所平面圖Fig.1 Test plan

3.2 報(bào)警性能對(duì)比測(cè)試

標(biāo)準(zhǔn)火盤：30cm×40cm（0.12m2,可用2個(gè)盤并行,即0.24m2），燃料采用汽油。

對(duì)比測(cè)試的探測(cè)器全部安裝于消防演習(xí)塔樓上，安裝高度8m~12m。試驗(yàn)布置如圖2所示。

圖2 火焰報(bào)警測(cè)試布置圖Fig.2 Fire alarm testing layout

試驗(yàn)一：60m距離標(biāo)準(zhǔn)火測(cè)試，50000m3罐模擬，標(biāo)準(zhǔn)火。

試驗(yàn)二：46m距離標(biāo)準(zhǔn)火測(cè)試，30000m3罐模擬，標(biāo)準(zhǔn)火。

試驗(yàn)三：如果火焰探測(cè)器不能針對(duì)以上距離進(jìn)行探測(cè)報(bào)警，那么逐級(jí)減小火焰的距離直到火焰探測(cè)器報(bào)警。這一距離確認(rèn)為火焰響應(yīng)的基本距離，用于之后環(huán)境性能測(cè)試。

以上試驗(yàn)中，先讓兩類探測(cè)器穩(wěn)定運(yùn)行1min以上，火盤前方采用1.5m高和1.5m寬的木板遮擋，點(diǎn)火后待火焰穩(wěn)定，之后移開遮擋木板，開始計(jì)時(shí)。到報(bào)警時(shí)，即為響應(yīng)時(shí)間。

3.3 環(huán)境模擬對(duì)比測(cè)試

標(biāo)準(zhǔn)火設(shè)于火焰探測(cè)器的基本探測(cè)距離，試驗(yàn)方法同以上3.2的內(nèi)容。

試驗(yàn)四：模擬窗口前水膜或結(jié)露影響，將50%透過率的減光玻璃置于探測(cè)器窗口前，如圖3所示，按3.2的程序點(diǎn)火，測(cè)試響應(yīng)時(shí)間。

試驗(yàn)五：模擬油污灰塵遮擋，將磨砂塑料袋置于探測(cè)器窗口前，如圖3所示，按3.2的程序點(diǎn)火，測(cè)試響應(yīng)時(shí)間。

圖3 油污、灰塵、水露干擾模擬測(cè)試圖Fig.3 Oil, dust and water dew interference simulation test chart

試驗(yàn)六：模擬雨、雪環(huán)境，在探測(cè)器前方0.5m內(nèi)，置2kW電爐和水鍋，如圖4所示，燒開，待水蒸汽上升遮蔽窗口后，進(jìn)行火災(zāi)試驗(yàn)，記錄響應(yīng)時(shí)間。

圖4 雨、雪干擾模擬測(cè)試圖Fig.4 Rain and snow interfere w ith analog test charts

3.4 試驗(yàn)機(jī)具準(zhǔn)備

測(cè)試所用的主要設(shè)備見表1所示。

表1 測(cè)試用主要設(shè)備Table 1 Test equipment

3.5 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置

兩類、3個(gè)探測(cè)器安裝于消防訓(xùn)練塔上，每一套探測(cè)器后端連接一個(gè)聲光報(bào)警器，一旦探測(cè)器報(bào)警，相應(yīng)的聲光報(bào)警器啟動(dòng)，即可記錄響應(yīng)時(shí)間。具體布置如圖5。

圖5 圖像型火焰探測(cè)器布置圖Fig.5 Image flame detector layout

3.6 試驗(yàn)結(jié)果

分布智能圖像型火災(zāi)探測(cè)器與鄯善站使用的三波段火焰測(cè)探測(cè)器試結(jié)果見表2。

表2 分布智能圖像型火災(zāi)探測(cè)器與鄯善站使用的三波段火焰測(cè)探測(cè)器試結(jié)果Table 2 Smart image fire detectors and Shanshan station uses the three-band flame detector test results

分布智能圖像型火災(zāi)探測(cè)器與國(guó)產(chǎn)三波段火焰測(cè)探測(cè)器試結(jié)果見表3。

表3 分布智能圖像型火災(zāi)探測(cè)器與國(guó)產(chǎn)三波段火焰測(cè)探測(cè)器試結(jié)果Table 3 Distribution of intelligent image fire detectors w ith a homemade three-band flame detector test results

探測(cè)距離 環(huán)境測(cè)試結(jié)果備注圖像型火災(zāi)探測(cè)器(8mm)三波段火焰探測(cè)器（國(guó)產(chǎn)）探測(cè)范圍內(nèi)正常探測(cè)角度大探測(cè)角度小探測(cè)范圍內(nèi)煙霧可探測(cè)煙霧不可探測(cè)煙霧

夜間分布智能圖像型火災(zāi)探測(cè)器與國(guó)產(chǎn)三波段火焰測(cè)探測(cè)器試結(jié)果（圖像火災(zāi)探測(cè)器未配備紅外燈，照明依托場(chǎng)地內(nèi)照明）見表4。

表4 夜間分布智能圖像型火災(zāi)探測(cè)器與國(guó)產(chǎn)三波段火焰測(cè)探測(cè)器試結(jié)果Table 4 Night intelligent image fire detectors w ith a homemade three-band flame detector test results

3.7 結(jié)論與建議

根據(jù)對(duì)比測(cè)試結(jié)果，分布智能圖像型火災(zāi)（煙霧/火焰）探測(cè)器與三波段火焰探測(cè)器結(jié)果總結(jié)如下：

3.7.1 三波段火焰探測(cè)器特點(diǎn)

1）20m以內(nèi)探測(cè)響應(yīng)時(shí)間較圖像型火災(zāi)探測(cè)器略快或持平。

2）探測(cè)距離較近，0.12m2標(biāo)準(zhǔn)火的可靠探測(cè)距離在30m以內(nèi)。

3）探測(cè)器的探測(cè)性能與探測(cè)距離呈平方律關(guān)系（距離平方反比），即火災(zāi)的位置距離探測(cè)器每增加1倍，探測(cè)能力衰減4倍。

4）受天氣、環(huán)境影響較大，大大降低探測(cè)性能。

5）視角范圍較小，探測(cè)區(qū)域面積比圖像火災(zāi)探測(cè)器面積小。

3.7.2 圖像型火災(zāi)探測(cè)器特點(diǎn)

日間32m距離處，分布智能圖像型火災(zāi)探測(cè)器的報(bào)警截屏示意圖見圖6。

圖6 日間不同距離下火焰報(bào)警截屏圖Fig.6 Different distances during the day fire alarm screen

夜間分布智能圖像型火災(zāi)探測(cè)器的報(bào)警截屏及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境圖片如下，在視野范圍內(nèi)存在燈光干擾：

圖7 夜間不同距離下火焰報(bào)警截屏圖Fig.7 Different distances at night fire alarms screenshot

1）探測(cè)距離較遠(yuǎn)，范圍廣，更適用于油罐火災(zāi)探側(cè)。根據(jù)罐區(qū)直徑大小，可選擇不同大小鏡頭的探測(cè)器。

2）報(bào)警響應(yīng)時(shí)間為平均為11s～17s以內(nèi)。

3）受天氣、環(huán)境影響較小，基本對(duì)探測(cè)性能無影響。

4）具有可視化功能，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)起火點(diǎn)能準(zhǔn)確判斷，即時(shí)確認(rèn)。

5）可同時(shí)進(jìn)行煙霧、火焰探測(cè)。

6）視角范圍較大，相同探測(cè)距離條件下較三波段探測(cè)器探測(cè)面積更大。

7）夜間在無紅外補(bǔ)光的環(huán)境下，分布智能圖像型火災(zāi)探測(cè)器能有效檢測(cè)火焰。

8）在有較強(qiáng)光源干擾的情況下，分布智能圖像型火災(zāi)探測(cè)器能有限識(shí)別火焰并進(jìn)行報(bào)警。

通過圖像型火災(zāi)探測(cè)器與三波段火焰探測(cè)器進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，圖像型火災(zāi)探測(cè)器具有可視化監(jiān)控，即時(shí)確認(rèn)，可同時(shí)進(jìn)行煙霧、火焰的探測(cè)，探測(cè)距離遠(yuǎn)（探測(cè)能力與距離成線性反比，優(yōu)于三波段火焰探測(cè)器），耐環(huán)境性能好等特點(diǎn)，相對(duì)于100000m3（直徑80m）和500 00m3（直徑60m）等較大的罐區(qū)用分布智能圖像型火災(zāi)探測(cè)器更有利于油罐的火災(zāi)探測(cè)。

[1]Zhgang Liu，George Hadjisopbocleous，Guofeng Ding and Choonsiong Lim，V IDEOIM AGE FIRE DETECT ION SYSTEM FOR PROTECTION OF AIRCRAFT HANGARS AND LARGE INDUSTR IAL APPLICATIONS，F(xiàn)S-WORLD Fire &Safety Magazine，Special Edition for SUPDET 2011.

[2]Robert Elliott.VIDEO IMAGE DETECTION REVIEW，F(xiàn)SWORLD Fire &Safety Magazine，Special Edition for SUPDET 2011.

[3]ANSI/FM 3260，American National Standards Institute，Radiant Energy-Sensing Fire Detectors for Automatic Fire Alarm Signaling，2004 ed.

[4]Gottuk，D., Video Image Detection System Installation Performance Criteria，F(xiàn)ire Protection Research Foundation Report，OCT.2008.

[5]張啟波，袁風(fēng)麗，付鈺.大型浮頂油罐的危險(xiǎn)性分析及安全對(duì)策[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2012,6.