感溫光纖探測系統(tǒng)在地鐵中的應(yīng)用

楊大雷

摘要：地鐵隧道空間狹長，且處于相對密閉狀態(tài)，一旦發(fā)生火災(zāi)，燃燒時產(chǎn)生的煙霧很難通過自然排煙散發(fā)出去，極易導(dǎo)致火勢蔓延;且濃煙積聚，給人員疏散和火災(zāi)撲救都將帶來很大的困難。文章針對感溫光纖探測系統(tǒng)關(guān)聯(lián)啟動環(huán)控制冷系統(tǒng)以及對隧道火災(zāi)探測預(yù)警做簡要論述。

關(guān)鍵詞：消防;感溫光纖;地鐵;報警系統(tǒng)

地鐵區(qū)間隧道存著空間窄，長度長等顯著特點，以筆者所在城市為例，地鐵區(qū)間隧道平均長度達2500余米，一旦發(fā)生火災(zāi)，人員疏散和滅火救援都很困難，必然會造成重大社會影響和財產(chǎn)損失，甚至?xí)斐芍卮笕藛T傷亡，因此，對于地鐵熱源的早期預(yù)警尤為重要。筆者以某地鐵工程為例，探討分析感溫光纖探測系統(tǒng)在地鐵地下區(qū)間隧道防護救災(zāi)中的應(yīng)用，以供商榷。

1? 地鐵區(qū)間隧道熱源分析

1.1? 列車啟動和制動過程產(chǎn)生熱量

列車啟動和制動過程中均會在區(qū)間隧道產(chǎn)生大量熱量。在列車啟動過程中，電機繞組電流和電機控制機構(gòu)加速電阻作用，產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)換，由電能轉(zhuǎn)化為熱能，產(chǎn)生熱量。列車制動房面，當(dāng)前列車制動主要采用電制動加摩擦制動。電制動是通過改變電機的工作模式，產(chǎn)生制動力矩，形成電阻制動，期間會將電能轉(zhuǎn)化為熱能，形成熱量。摩擦制動是將列車動能通過機械摩擦轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉從而進行制動，也必然會產(chǎn)生大量熱量。

1.2? 列車平穩(wěn)運行過程產(chǎn)生熱量

在列車平穩(wěn)運行過程中，維持運行的牽引電力由于要克服空氣阻力、機械阻力等方面的影響和其自身牽引電機電能損失，會形成熱能損失，釋放大量熱量。空氣阻力與列車速度成正比，且由于受到地下區(qū)間隧道相對封閉的影響，空氣壓縮嚴(yán)重，密度變大，阻力就會更大，為了維持快速行駛，所需消耗電能也將隨之也更大，產(chǎn)生的熱量也隨之增加。

1.3? 列車設(shè)備等生熱量

地鐵列車在地下行駛，采用全封閉的車廂結(jié)構(gòu)，為了保證安全性、舒適性，配備了大量的輔助設(shè)施，以滿足乘客心理、生理需要和列車運行需要，如空調(diào)、照明設(shè)備、氣動空壓機、發(fā)電機組等。而這些設(shè)備在工作狀態(tài)下，就必然會產(chǎn)生熱能，尤其是空調(diào)設(shè)備，需要進行熱量交換，將熱量排出。而由于運行過程中的空間限制，在地下運行期間，熱量也只能將進入地鐵區(qū)間隧道內(nèi)。

1.4? 區(qū)間隧道排煙排熱效率低

由于地鐵隧道構(gòu)造上的特殊性，通往地面的出入口數(shù)量少，發(fā)生火災(zāi)時，大量的煙氣聚集在車站或區(qū)間隧道內(nèi)，易使溫度驟升，加之一般車站站廳與站臺層為上下構(gòu)造，空氣流通對流速度慢，受地面影響，風(fēng)亭數(shù)量較少，尤其是列車運行過程中地下洞口的“吸風(fēng)”效應(yīng)明顯，容易導(dǎo)致地下煙氣無法排出或被洞口卷回，排煙排熱效率低。同時，由于列車在隧道中運行狀態(tài)下發(fā)生火災(zāi)，受隧道氣流及活塞效應(yīng)的影響，其煙氣蔓延速度及方向和地面建筑熱對流形式不同，呈現(xiàn)上游向下游的蔓延發(fā)展方向，即起火車廂后部受災(zāi)會更嚴(yán)重，且會比地面場所火災(zāi)更容易造成人員缺氧窒息，這對火災(zāi)工況下的排煙、送風(fēng)設(shè)備的啟動機制和聯(lián)動控制也提出了更高的要求。

因此，如何控制區(qū)間隧道空氣溫度和壓力變化率，并控制隧道內(nèi)氣流滿足火災(zāi)和阻塞時的通風(fēng)、排煙要求，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)（隧道通風(fēng)系統(tǒng)、車站通風(fēng)系統(tǒng)等）事關(guān)重要。而在非火災(zāi)工況下隧道風(fēng)機是否動作，隧道溫度是則重要的判斷依據(jù)。設(shè)置感溫光纖探測系統(tǒng)既解決了地鐵隧道內(nèi)強磁場、多粉塵、強風(fēng)力、強噪音這一特殊環(huán)境下普通探測設(shè)備難以實現(xiàn)的問題，又能實現(xiàn)對隧道環(huán)境溫度的連續(xù)監(jiān)測，進行高溫預(yù)警，為監(jiān)控中心系統(tǒng)發(fā)出啟動指令提供依據(jù)和遵循。此外，感溫光纖探測系統(tǒng)可對地下區(qū)間隧道、變電所、UPS不間斷電源電池組（機房）、電纜井、電纜夾層以及折返線和停車線的火災(zāi)進行探測，達到早期預(yù)警目的。

2? 感溫光纖探測系統(tǒng)構(gòu)成及方案

2.1? 感溫光纖探測系統(tǒng)的原理

基于拉曼散射的光纖溫度傳感器的探測原理是檢測后向拉曼散射光的光強，其光強會隨著檢測光纜周圍溫度的變化而變化，從而能測得光纜周圍的溫度值，并將相關(guān)溫度數(shù)據(jù)進行信號處理，傳輸，最終得出環(huán)境溫度的檢測值，其探測原理如圖1所示。

火災(zāi)的重要特征是發(fā)光發(fā)熱，針對該特征，感溫探測器能夠準(zhǔn)確及時反饋探測場所的溫度信息，與預(yù)設(shè)值進行比較分析，進而預(yù)警或者整合應(yīng)用。但由于后向拉曼散射光的光強非常微弱，甚至?xí)艿焦庠从绊懚嬖谝欢ǖ牟环€(wěn)定性，為保障感溫光纖探測精度，光纖在敷設(shè)和使用過程中，施工要求高，盡量避免折疊和扭曲，末端斷口處做屏蔽處理。

2.2? 感溫光纖探測系統(tǒng)的溫度信息傳遞流程

感溫光纖探測系統(tǒng)為線型差定溫光纖感溫探測器，一般報警動作溫度設(shè)定值為60℃、70℃、85℃且可調(diào)。感溫光纖實時監(jiān)視區(qū)間隧道及電纜夾層的溫度，并將溫度信息上傳至綜合監(jiān)控系統(tǒng)，感溫光纖溫度信息傳遞流程如圖2所示。當(dāng)出現(xiàn)環(huán)境溫度的溫升速度超過設(shè)定值時，感溫光纖系統(tǒng)將觸發(fā)綜合監(jiān)控系統(tǒng)報警;當(dāng)環(huán)境溫度達到第一級報警時，觸發(fā)綜合監(jiān)控系統(tǒng)報警進行報警提示。當(dāng)環(huán)境溫度達到火災(zāi)報警溫度時，除了觸發(fā)綜合監(jiān)控系統(tǒng)報警之外，還會觸發(fā)火災(zāi)自動報警系統(tǒng)進行報警。其溫度信息傳遞流程如圖2所示。

2.3? 感溫光纖系統(tǒng)構(gòu)成

某地鐵工程設(shè)置感溫光纖報警系統(tǒng)，對地下區(qū)間隧道、地下區(qū)間停車線和折返線、車站電纜井及變電所電纜夾層等處的溫度、火災(zāi)進行實時探測，系統(tǒng)組成如圖3所示。系統(tǒng)在車控室機房配置一套感溫光纖主機，主機采用一站一機方式，管轄范圍與車站火災(zāi)報警控制器一致;感溫光纖報警系統(tǒng)通過感溫光纖主機接入綜合監(jiān)控系統(tǒng)，并通過輸入模塊與火災(zāi)報警控制器連接，實現(xiàn)火災(zāi)報警控制器對感溫光纖報警系統(tǒng)火災(zāi)信息的監(jiān)視。

感溫光纖分布安裝在地下車站站臺板下的電纜通道內(nèi)和變電所電纜夾層內(nèi)，并經(jīng)車站站內(nèi)電纜通道和變電所的電纜夾層后進入隧道，設(shè)置在隧道供電電纜支架最上一層的上面，感溫光纖對被檢測對象進行分布式、線性的連續(xù)性溫度探測。被檢測對象有地鐵地下區(qū)間隧道內(nèi)、車站站臺板下電纜通道內(nèi)、折返線、站臺板下排熱風(fēng)口附近、隧道軌頂排熱風(fēng)道處、主變電站、車站站廳和站臺公共區(qū)吊頂內(nèi)。主變電所和站臺板下夾層感溫光纖探測系統(tǒng)組成分別如圖4、圖5所示。

感溫光纖主機通過兩個RJ45接口與ISCS系統(tǒng)交換機相連，上傳隧道火災(zāi)探測系統(tǒng)的所有信息至ISCS系統(tǒng)，由ISCS系統(tǒng)完成車站級和中央級控制、監(jiān)測和管理等功能;配置以太網(wǎng)接口可供便攜機進行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、編程、測試、維護等操作;通過繼電器接點與FAS監(jiān)控主機連接。實時檢測隧道溫度與火災(zāi)情況，如發(fā)生火災(zāi)輸出報警信號。感溫光纖探測系統(tǒng)與BAS、FAS的組成圖如圖6所示、感溫光纖探測系統(tǒng)與BAS的接口如圖7所示。

2.4? 感溫光纖火災(zāi)探測系統(tǒng)與其他報警系統(tǒng)的組合應(yīng)用

溫度是電力設(shè)備的重要運行參數(shù)，通過監(jiān)測電力設(shè)備溫度信息獲取電力設(shè)備的運行狀況是電力系統(tǒng)故障預(yù)報與診斷的應(yīng)用重點。感溫光纖火災(zāi)探測系統(tǒng)集光纖通訊、光纖傳感、光電控制等技術(shù)于一體，，通過光纖探測器實時監(jiān)測測量光纖上各點的溫度變化，來實時監(jiān)測被檢測區(qū)域的溫度狀況，解決了人工巡查、電磁影響等缺點，可精確定位升溫位置，對地鐵隧道進行大范圍偵測，但作為電子類產(chǎn)品，本身就會存在一定的故障率，而且光纖施工安裝要求極高，如光纖的彎曲半徑控制、接頭連接控制、裝置固定等，尤其是地鐵隧道中列車長期快速運行帶來的風(fēng)壓，會對感溫光纖的固定帶來很大影響。筆者認為，應(yīng)進一步強化感溫光纖火災(zāi)探測系統(tǒng)與電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的配套組合使用。目前，在一些民用建筑和地鐵設(shè)施內(nèi)，對于火災(zāi)自動報警系統(tǒng)等設(shè)施的控制方式，考慮到誤報的影響，管理者一般都將其設(shè)置在手動控制狀態(tài)，為了避免造成恐慌事件，產(chǎn)生不必要次生災(zāi)害，決策者往往無法迅速作出決斷。地鐵軌道內(nèi)的設(shè)施一旦產(chǎn)生相關(guān)報警，不能第一時間排查或采取必要措施，當(dāng)發(fā)生起火且地鐵列車被迫停靠在隧道區(qū)間內(nèi)時，極易造成旅客的心理恐慌，產(chǎn)生災(zāi)害。究其原因，地鐵的疏散演練開展一般是以內(nèi)部員工為主，模擬乘客進行疏散，廣大群眾沒有接受過類似的疏散逃生訓(xùn)練、不具備相應(yīng)的心理素質(zhì)，逃生現(xiàn)場容易造成混亂，尤其是對于采用三軌供電的地鐵列車，從地鐵專業(yè)工作人員進行軌道斷電到完成接地操作期間，一旦逃生者不慎，極易觸電。而電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)一般具有對故障剩余電流、故障過電流、故障過電壓、溫度、故障電弧進行監(jiān)測報警功能，但受限于安裝的回路或配電開關(guān)后端用電設(shè)備眾多，無法精確定位到個體設(shè)備。對于地鐵工程而言，用電設(shè)備數(shù)量是遠遠超過一般建筑工程的，且往往在設(shè)備運行時，瞬間電流會激增，容易形成誤報，且無法有效排查。如果兩套系統(tǒng)配合使用，一方面提升探測的精度，另一方面增加探測的廣度，將會為地鐵控制樞紐遇到緊急狀況時做出正確決策提供有效數(shù)據(jù)支撐，從而真正使監(jiān)測系統(tǒng)動起來，避免處于擺設(shè)狀態(tài)。

3? 感溫光纖探測系統(tǒng)其他輔助功能

感溫光纖在地鐵工程中的作用不僅僅是起到預(yù)警報警作用，對于地鐵運營的能耗資源節(jié)約也是大有用途。炎熱夏季時，采用閉式系統(tǒng)制式的地鐵環(huán)控系統(tǒng)采用閉式運行，通常關(guān)閉隧道通風(fēng)井，打開車站內(nèi)迂回風(fēng)道，車站一般采用空調(diào)系統(tǒng)，而區(qū)間隧道的冷卻是借助列車運行的活塞效應(yīng)和在站臺處車站排熱系統(tǒng)兼排煙系統(tǒng)排除余熱。為了節(jié)省能耗，對軌行區(qū)軌排風(fēng)機系統(tǒng)確定工作溫度啟動值。夏季確定為40℃～45℃，冬季確定為35℃～40℃，當(dāng)停車區(qū)溫度達到風(fēng)機啟動溫度則開啟軌行區(qū)軌排風(fēng)機系統(tǒng)，這個溫度信息即由感溫光纖火災(zāi)探測系統(tǒng)提供實時探測提供。

4? 結(jié)語

感溫光纖探測系統(tǒng)可抗電磁干擾、抗震動、能在高溫、有灰塵、活塞風(fēng)流動的等惡劣環(huán)境中正常工作，可對區(qū)間隧道、電纜夾層、電纜廊道溫度進行實時、動態(tài)、連續(xù)的監(jiān)測及定位，實現(xiàn)了區(qū)間隧道火災(zāi)報警功能。同時地鐵環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)感溫光纖探測系統(tǒng)提供的溫度參數(shù)，可對區(qū)間隧道風(fēng)機、車站排熱風(fēng)機等進行聯(lián)動控制，在一定程度上實現(xiàn)了節(jié)能降耗。

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Application of temperature sensitive

fiber optic detection system in the subway

Yang Dalei

Wuxi Fire and Rescue Brigade

Abstract：Subway tunnel space is long and narrow， and in a relatively confined state. Once a fire occurs， the smoke generated during combustion is difficult to emit through natural smoke exhaust， which can easily lead to the spread of fire and the accumulation of smoke which will bring great difficulties to evacuating and firefighting. This paper briefly discusses the associated start loop control cold system for temperature sensitive fiber optic detection system and the early warning of tunnel fire detection.

Keywords： fire protection， temperature sensitive fiber optic， subway， alarm system