狹長空間光纖測溫火災監控系統設計

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

大中型船舶存在較多空間低矮狹長、內部結構復雜且密集布置了大量電纜等設備的場所，如電纜管井、電纜夾層以及其他特殊的場所，有的是封閉空間，有的是半封閉空間，環境條件復雜，外部的流淌火可能誘發空間內可燃物發生火災；由于電纜密集布置，間距很小，電纜主要靠絕緣材料絕緣，電纜的絕緣材料、填充物及覆蓋層為橡膠、塑料等，很容易過熱被引燃；由于外因造成電纜保護層損傷及電纜絕緣層擊穿等易產生電弧，導致絕緣層和填料層起火，極易發生電纜火災[1-4]。該類型火災初期多為陰燃，如通風條件不好，電纜管井、電纜夾層等特殊場所內熱量不斷集聚，空間的溫度提升很快，將較早出現劇烈燃燒現象。由于空間結構復雜、空間狹小，內部能見度幾乎為零，使得火災的撲救變得較為困難。對于船舶狹長空間場所火災的初期識別和精確定位，以及采取相應的消防措施，對保證消防安全尤為重要[5-6]。針對船舶狹長空間火災的特點，介紹光纖測溫在火災監控系統設計中的應用。

1 火災探測手段選型

由于船舶狹長特殊空間有的屬于半封閉空間，與外界大氣直接相通，煙霧擴散易受環境因素影響，不宜采用煙霧探測手段；主動吸氣式探測器對環境清潔度要求較高，在海洋濕熱等環境中耐用性比較差；狹長空間內局部可能存在陽光干擾，火焰探測器也可能受到一定的影響，對早期陰燃情況下的探測響應慢。針對船舶狹小空間火災，火災發生部位及附近空間一定會伴隨明顯的溫度變化，采用監測溫度及溫度變化率的手段進行火災探測，可及時探測危險、保障安全。

常用的溫度探測方式有點式熱電偶、點式熱電阻、感溫電纜、線型光纖感溫等。對于船舶狹長空間的溫度探測，點式熱電偶和點式熱電阻需要配置的數量很多，易受電磁場環境干擾出現誤報。感溫電纜火災探測手段，報警時無法定點定位，誤報率高，易老化、使用壽命短等缺點[7-9]。線型光纖感溫探測手段具有抗電磁干擾強、響應速度快、測量距離遠、可靠性高、抗腐蝕等特點，適用于船舶狹長空間環境下的火災探測。

2 線型光纖感溫探測應用現狀

線型光纖感溫探測是依據光纖的散射效應、光頻域反射(OFDR)及光時域反射(OTDR)等光學機理的溫度探測技術，光纖中注入一定功率和寬度的激光脈沖，利用光纖作為傳感敏感元件和傳輸信號介質，將攜溫信號的背向反斯托克斯光強與參比光對比，實現對整條傳感光纖中不同位置上的火災溫度探測報警[10-12]。工業應用中，線型光纖感溫探測技術經過十幾年的研究、應用和發展，現已在國內外的公路隧道、軌道交通、電廠、石油化工等場合廣泛應用，技術成熟可靠。

針對線型感溫探測器技術的發展及產品應用，國家標準委于2005年批準發布了GB 16280-2005《線型感溫火災探測器》，2007年批準發布了GB/T 21197-2007《線型光纖感溫火災探測器》。隨著技術的發展和產品的更新換代，線型感溫火災探測器產品在探測方式、產品形式、應用特點、報警定位等方面都發生了變化，2014年，國家標準委批準發布了GB 16280-2014《線型感溫火災探測器》，取代原有標準。

3 線型光纖感溫探測典型指標

衡量線型光纖感溫探測器性能的主要技術指標包括溫度變化時的響應時間、測溫精度、溫度分辨率、定位精度、報警單元長度(空間分辨率)等。報警單元長度是保證測溫精度的最小單元長度，是定位精度的重要保證。目前典型線型光纖感溫探測器主要技術參數見表1。報警單元長度(空間分辨率)在0.5～3 m范圍內。

表1 典型線型光纖感溫探測器主要技術指標

4 光纖感溫火災監控系統設計

4.1 系統功能要求

針對某船舶狹長空間場所的火災探測要求，監控系統應具有以下主要功能。

1)監測功能。實時監測與處理被監控空間內各個位置處的溫度、溫度變化率及相應的氣體滅火裝置等的運行狀態信息。

2)報警功能。對被監控區域的溫度異常、火災信號等進行聲光報警；對線型光纖感溫探測器等監控設備的異常狀態進行聲光報警；在氣體滅火裝置投入工作時進行聲、光報警；對氣體滅火裝置等的異常狀態進行聲、光報警。

3)控制功能。當發生火災時，通過遙控啟動氣體滅火裝置、通風排煙裝置等。

4)顯示功能。對被監控區域內對應的線型光纖感溫探測器狀態信息以及相應氣體滅火裝置等的運行狀態信息進行集中顯示。

5)信息記錄功能。記錄并存儲線型光纖感溫探測器的狀態信息以及對應消防設備的運行狀態信息。

4.2 硬件設備組成

火災監控設備主要由安全監控箱、線型光纖感溫火災探測器等組成，其中線型光纖感溫火災探測器由信息處理器、接線盒、感溫光纜等組成。

1)安全監控箱。安全監控箱硬件主要由箱體結構、計算機、液晶顯示器、電源模塊、綜合報警指示燈、遙控按鈕等組成。軟件以實時數據庫為核心，包括主程序模塊、火災識別模塊、報警處理模塊、信息查詢模塊、界面信息顯示模塊、以太網數據收發模塊、I/O數據輸入輸出模塊等組成。

2)信息處理器。信息處理器主要由箱體、激光器、光學模塊、信息處理模塊、雙冗余以太網模塊等組成。軟件主要由光纖熔接檢測模塊、故障檢測模塊、激光器驅動模塊、溫度信息解析模塊、以太網通信模塊、顯示控制模塊等組成。

3)感溫光纜。感溫光纜主要由光纖、鎧裝金屬外護套組成。

4.3 系統原理

火災監控系統原理見圖1。

圖1 火災監控設備原理

1)感溫光纜作為傳感介質，處于被監控的狹長空間內，為提高探測的可靠性、準確性和保證火災監測的空間全覆蓋，沿著空間方向布置2根或以上感溫光纜，假如每個空間感溫光纜總長度為1 000 m，按空間分辨率2 m來計算，相當于布置了500個點式感溫探測器。

2)信息處理器將激光發射耦合進入感溫光纜，從光纖背向散射光中的拉曼散射光分離出反斯托克斯光和斯托克斯光，反斯托克斯光與斯托克斯光光電轉換采集后，進行數據處理得到溫度值、位置和狀態信息。為提高系統可靠性，每臺信息處理器配置多個光纜通道，分別連接在同一空間的2根或多根感溫光纜，各通道依次工作、相互隔離、功能上互為備份。信息處理器通過以太網接口與安全監控箱進行通信，將采集的感溫光纜上每一段報警單元長度的溫度值、位置和狀態等信息實時上傳給安全監控箱。

3)安全監控箱通過以太網從各信息處理器獲取對應區域感溫光纜上每段報警單元的溫度值、位置和狀態等信息，進行處理后通過綜合信息顯示屏以光纖布置模擬圖的形式顯示被監控區域的溫度信息，以列表形式顯示相關消防設備和通風系統運行狀態信息。

安全報警分為兩個等級，通過對監測到的溫度數據信息融合分析判定，當監測區域溫度指標達到預警報警閾值時，發出預警報警信號；當監測區域溫度指標達到火災報警閾值時，發出火災報警信號。當發生火災時，通過安全監控箱能夠遙控啟動氣體滅火裝置和通風排煙系統。

4.4 系統技術特點

采用光纖測溫探測技術的火災監控系統除了精度高、分辨率高、精確定位、響應迅速等之外，針對船舶狹小、復雜環境場所還有如下特點。

1)良好的環境適應性。船舶狹小空間內使用環境較差、電磁環境復雜，需要考慮鹽霧、霉菌等海洋環境條件，感溫光纖具有耐腐蝕、抗電磁干擾、抗振動、本質安全、阻燃、防爆，適應性強，使用壽命長，能在各種惡劣環境中長期正常工作。

2)良好的船舶適裝性。光纖測溫系統的傳感器只需要1根或幾根感溫光纖，布線非常簡單，可以隨船舶電纜并行敷設，不需要額外固定安裝傳感器，在狹小空間內優勢更為明顯。

3)良好的系統經濟性。對于狹長空間，為了提高感溫的位置精度，需要布設較多的傳統溫度傳感器，如1 km距離上間隔2 m布設，需要約500個傳感器，而光纖測溫僅需要1根或2根感溫光纜，經濟性較好，同時隨著距離的增加，成本進一步降低。

4)良好的使用可靠性。為保證火災監控系統的可靠性，采用在同一空間并行布設2根感溫電纜，相互隔離、功能上互為備份，可以大幅提高可靠性；對兩根感溫電纜的傳感數據進行融合分析，可以提高火災判別的準確性和系統使用的靈活性。

5 結論

考慮到在大中型船舶低矮狹長、電纜密布、環境復雜的特殊空間內，極易發生火災且初期難以發現、撲救較為困難的現狀和特點，針對性地分析了各種火災探測手段的適用性；結合線型光纖感溫探測技術，設計了船舶狹長空間內集火災探測、監控、報警、消防一體的火災監控系統，并分析該系統在環境適應性、船舶適裝性、系統經濟性、使用可靠性等方面的技術特點。該火災監控系統對于狹長空間場所火災的初期識別和精確定位具有重要作用。