Optimization Scheme on the Fire Detection for a Sightseeing Hall Whichis on the Top of an Administration Building in a Nuclear Power Plant

Zhao Yuanhua

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Optimization Scheme on the Fire Detection for a Sightseeing Hall Whichis on the Top of an Administration Building in a Nuclear Power Plant

Zhao Yuanhua

AbstractNew question and challenge occur with the reconstruction of the sightseeing hall on the top of the high-rise building. Utilizing characteristic and advantage of video-imaging fire detection system, can effectively replae smoke detectors and making up its disadvantages, it can provide safe reliable fire protection for the special area.

Keywordshigh-rise building, sightseeing hall, video-imaging fire detection

0引言

對于工業及民用的高大空間、戶外堆場等場所(如大型體育場館、候車室、物流倉庫、隧道、機庫、油罐、石油鉆井平臺、核電站以及各類石油化工企業等)而言，其傳統的火災探測報警系統由于存在某些技術缺陷則不能完全滿足這些場所對火災探測的需求。因此解決高大空間的早期火災探測、精確定位火災發生位置、有效聯動消防設備等問題，一直是火災探測及消防滅火領域的重大難題。

圖像型火災探測器由具有高防護等級的專業攝像機采集被保護現場的視頻圖像，通過基于嵌入圖像處理器內的智能火災模型算法對采集到的圖像進行分析處理，實現對保護現場早期火災的探測和確認，從而有效解決高大空間、易燃、易爆等場所的火災探測難題。

本文利用當前的技術與設備，對過去的工程案例進行反思與研究，從理論及應用層探討對新的火災探測手段，并與常規設計方案進行比對，從而得出有指導意義的結論，為后期的設計工作提供思路。

1工程概述

本文以國內某在建核電廠廠前區的綜合辦公樓為例進行論述該辦公樓既是該電廠的行政辦公核心，也是該電廠BOP工程通信網絡系統的核心節點(BOP即balance of plant，是核電廠的配套設施)，樓內設有辦公室、會議室、網絡機房、地下車庫等場所，其中還包括一個可容納947人的報告廳。

辦公樓地上12層，地下1層，建筑高度48.5m，占地面積3 505.4m2，總建筑面積18 220.0m2，其中地上15 735.8m2、地下2 484.2m2。辦公樓各層使用功能：1層為辦公及947人報告廳，2～12層為辦公，地下1層為Ⅳ類車庫，可停車45輛。

本工程于2010年進行設計，根據當時施行的GB 50045-95(2005年版)《高層民用建筑設計防火規范》將工程定義為二類高層民用建筑，采用鋼筋混凝土框架結構，設計耐火等級為二級、地下車庫耐火等級為一級。綜合辦公樓設有4部疏散樓梯，其中直通地下車庫的樓梯共2部；主體部分的疏散樓梯為防煙樓梯間，設有消火栓系統、自動噴水滅火系統、防排煙系統和火災自動報警系統。

在本工程竣工后，電廠業主希望對該建筑的頂層進行局部改造，將原本的上人屋面變更為一個兩層樓高、可俯視整個核電廠區的觀光層。為了營造出一個屋頂花園陽光房的建筑效果，主體采用了鋼結構的形式，同時以玻璃幕墻、石材及金屬百葉相結合的方式構成統一的外墻風格。

屋面的改造不僅調整了使用性質，也使得建筑物的類別發生了變化，給整棟建筑的消防設計帶來了新的問題與挑戰。

2原始設計介紹

根據當時施行的GB 50116-98《火災自動報警系統設計規范》可知，本建筑定義為一級保護對象。面對新增的觀光層，首先考慮采用紅外對射感煙探測器，但是該類型探測器在鋼結構建筑中會產生較為嚴重的誤報；隨后考慮采用空氣采樣感煙火災探測器，其雖然擁有較高的探測靈敏度，但是受制于熱障效應，且需要明敷較多的采樣管，因此也并不適用。

由于沒有找到更好的探測方式，因此沿用了本建筑其他樓層所選用的感煙探測器為觀光層提供火災探測保護，如圖1所示。圖中所有青色方塊為安裝在金屬構建下方的感煙探測器，紅線為信號線回路，均沿頂部的金屬構建進行敷設。由于所有探測器都設在頂部，考慮到屋頂的熱障效應，則根據規范將探測器下表面至頂棚或屋頂的距離確定為200mm。

圖1　觀光層點式感煙探測器設計平面圖

3觀光層防火設計分析

增設觀光層后，綜合辦公樓的建筑高度將達到55.9m，如圖2所示。根據GB 50045-95(2005年版)《高層民用建筑設計防火規范》中關于建筑分類的定義對其進行改造，使其由二類高層建筑變更為一類高層建筑。

圖2　綜合辦公樓觀光層剖面圖

對于其建筑高度的改變帶來的防火設計問題，需要運用消防安全工程學對設計方法進行分析論證，以確保其防火設計方案仍能達到規范的要求。

在設計火災場景時應設定火源在建筑物內，考慮到建筑的空間幾何特征，本文擬在綜合辦公樓內假設如下2個火源位置來進行火災分析。

火源位置A：位于辦公樓頂樓觀光夾層休息區內，如圖3所示。若當休息區內的沙發發生火災時，火源附近疏散出口被堵，煙氣會蔓延至頂部中庭。

火源位置B：位于辦公樓十二樓某會議室內，如圖4所示。若當會議室內的辦公家具發生火災時，火源附近疏散出口被堵，且通往樓梯間的防火門未正常關閉，煙氣會蔓延至頂部中庭。

圖3　觀光層火源位置示意圖

本文就上述兩種情況時進行分析，假設自動滅火系統及排煙系統分別處于有效或失效狀態下，選定2組共6個火災場景進行模擬計算，得出最大的火災熱釋放速率，如表1所示。

圖4　十二層火源位置示意圖

表1　火災場景分析匯總表

各安全出口附近清晰高度處各項參數的極限值如表2所示。

表2　各設定火災場景下煙氣流動的模擬計算結果

根據所設定的火災場景，本文設置了相對應的如下2個疏散場景，見表3。

表3　設定疏散場景匯總表

為實現安全疏散的功能目標，疏散設計應滿足綜合判定標準，即：人員可用疏散時間TASET>人員必需疏散時間TRSET。

通過比較必需疏散時間與可用疏散時間，可判斷各個設定火災場景和疏散場景中人員是否可以安全地疏散到室外區域。相關結果比較和分析請見表4。

表4　人員疏散安全性判定

根據表4可得知：

1) 當火災發生在觀光層時，人員可用疏散時間較長，在危險來臨之前，人員均可安全離開本層。

2) 若火災發生在12層會議室，當自動噴水滅火系統和排煙系統有效時，人員可安全離開本層；當上述消防設施有一個失效時，12層人員的安全疏散不能得到保證。綜上所述，采取上述防火設計方案能夠滿足人員安全疏散的要求。當然，建筑的消防安全是一個相對成立的概念，為了提高建筑的消防安全性能，實現設計目標，本文將突破口設定在火災探測器的選擇上。參考現行的GB 50116-2013《火災自動報警系統設計規范》可知，應根據保護場所可能發生火災的部位和燃燒材料、火災探測器的類型、靈敏度和響應時間等方面進行分析來選擇相應的火災探測器。本文擬將以下3點作為突破口，找尋合理的優化方案：

1)靈敏度高，只有提高靈敏度，才能更早地發現火情，為人員安全疏散提供必要保障。

2)抗熱障效應強，由于觀光層主要采用玻璃外墻，屋頂易受輻射熱作用或因其他因素影響，可能在頂棚附近產生空氣滯留層，形成熱屏障。

3)布線簡潔，基于觀光層的使用功能考慮，設備布線必須簡潔隱蔽，尤其不能縱橫于玻璃屋頂，以免影響美觀。

4IFE圖像型火災探測系統

《FM Global Property Loss Prevention Data Sheets》中5-48 AUTO MATIC FIRE DETECTION提到，對于開放式室內外建筑，需使用視頻圖像式探測器。

IFE圖像型火災探測系統采用了先進的智能識別算法，能夠在復雜的場景中實現對火災的快速識別和響應，并能夠與傳統火災報警控制器進行無縫連接，方便系統管理的同時還能提供現場指示功能，便于現場對探測器的工作狀態進行清晰識別。

IFE系統的工作原理是通過分析高性能計算機對標準閉路電視(CCTV)信號提供的圖像，采用高精密算法感受場景中的微弱變化，并將這種變化與火災特征進行比較，同時分析特征之間的相互關系，最終利用綜合判據實現對火災的早期準確探測，并以圖形界面和其他輸出方式向系統管理人員報警。

系統的輸入信號為標準閉路電視(CCTV)信號，經過圖像采集卡后會轉換為可被計算機處理的數字圖像序列，通過處理和分析數字視頻信號提取出的有效區域，并對這些區域進行模式識別，從而確定火災的基本特征(如灰度變化、閃爍頻率、顏色差異、運動趨勢等)，再利用組合判據實現對火災的快速識別，并通過圖形界面、現場指示等方式報警，同時上傳給火災報警控制器。

系統由機柜、系統主機、液晶顯示器、UPS、集線器、視頻采集卡、視頻分配器、攝像機和視頻火災安全監控系統軟件組成，如圖5所示。

圖5　圖像型火災探測系統構架圖

該系統的技術優勢包括：

1)適用于各種類型的火災探測

不同的火災探測器適用于不同環境及火災的不同發展階段。如光電感煙探測器只對煙敏感，感溫探測器只在環境溫度有較大變化時才敏感，而IFE由于既可感煙又可感火，所以適用于各種類型的火災和火情發展的各個階段。

2)適用于大空間空氣采樣報警

傳統光電感煙探測器、紅外光束等產品必須在煙霧擴散到安裝位置并累積超過報警閾值后才能報警；而IFE是非接觸式報警，可在火災發生的初期就進行報警，無距離要求，發現即報警、保護范圍大、靈敏度可調。

3)適用于晝夜的環境變化

由于IFE既可感煙又可感火，加之在前端攝像機同角度的位置安裝紅外燈，所以白天和夜間的變化不會對IFE系統造成影響。

4)用戶可在第一時間發現現場情況

由于IFE為視頻火災探測系統，當發現火災隱患時，值班人員可通過顯示屏第一時間發現現場情況，為保護生命和財產安全贏得的時間。

5優化設計方案

基于對觀光層防火設計的分析，將IFE圖像型火災探測器與空氣采樣感煙探測器、典型感煙探測器以及紅外對射感煙探測器進行比對，分析其探測種類、工作原理以及保護范圍等特性，并以表格的形式進行梳理比對(如表5所示)。

表5　IFE圖像型火災探測器與感煙探測器分析比較

從分析對比中可知，IFE圖像型火災探測器較其他各類感煙探測器而言，都能夠給予觀光層更合理地保護。

6IFE圖像型火災探測器設計效果分析

IFE圖像型火災探測器可提供較高的探測靈敏度，且抗熱障效應強，但對于其是否布線簡潔，還需要通過實際設計效果做判定。

圖6　觀光層IFE圖像型火災探測器設計(示意圖)

通過分析觀光層平面圖和觀光層點式感煙探測器平面圖，本優化方案擬取消原先布置于公共區域頂部的點式感煙探測器及相關布線，現在東西兩側各設置3臺攝像機，做到探測區域無死角、無盲區，同時探測器的視頻線(SYV-75-5)、信號線(ZR-RVS-2x1.0)和電源線(ZR-RVV-3x2.0)均穿金屬保護管沿墻角或結構梁柱敷設，如圖6所示。從圖6中可以看出，采用IFE圖像型火災探測器后，雖然取消原先布置于屋頂的探測器和系統布線，但還原了觀光層頂棚原本的美觀。攝像機安裝于東西兩側墻上，自上而下地監視著整個公共區域，不但不會受到氣流的干擾和熱障效應的影響，還能提供更高的探測靈敏度。

7結束語

IFE圖像型火災探測系統能夠解決傳統點型火災探測器在某些特殊應用場所不能有效實現消防保護的問題，為此類特殊應用場所和需要早期報警的場所提供了完善的解決方案。此外，系統還能和傳統火災報警控制器進行無縫連接，方便系統管理的同時提供現場指示功能，便于現場對探測器的工作狀態進行清晰識別。

本文基于辦公樓觀光層的分析與研究，以靈敏度高、抗熱障效應強、布線簡潔作為突破口，結合該系統智能化、實時化、可視化、無接觸等特點，有針對性地提出了使用IFE圖像型火災探測系統的優化方案，并通過分析設計效果論證了該方案的可行性及合理性，為此類工程的火災探測設計提供了新的選擇。

參考文獻

[1]Bradley Ward, Idaho National Laboratory. Balance of Plant Requirements for a Nuclear Hydrogen Plant, 2006.

[2]GB 50116-2013 火災自動報警系統設計規范[S].北京：中國計劃出版社,2013.

[3]FM Global. Property Loss Prevention Data Sheets. 2011.

某核電廠區辦公樓屋頂觀光層的火災探測優化方案

趙元華

(上海核工程研究設計院，上海 200233)

摘要高層建筑屋頂觀光層的改造，給火災探測設計帶來了新的問題與挑戰。利用圖像型火災探測系統的系統特性與技術優勢，可有效地取代感煙探測器，彌補其不足之處，為該類特殊區域提供安全可靠的消防保護。

關鍵詞高層建筑觀光層圖像型火災探測