研究火花檢測熄滅系統(tǒng)

文/陳麗娟

本文作者供職于重慶川維石化工程有限責(zé)任公司。

一種用于易燃易爆場合火花檢測及快速滅火系統(tǒng)的研究——在火炸藥生產(chǎn)車間、儲存場所以及裝填作業(yè)區(qū)域，設(shè)置高速響應(yīng)的火焰探測器，會在火災(zāi)萌芽初期就檢測到火焰，或者在火災(zāi)發(fā)生時，能夠在6ms內(nèi)高速響應(yīng)，觸發(fā)安全聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)出指令，聯(lián)鎖打開噴淋電磁閥，進行快速滅火。從火花檢測到聯(lián)鎖噴淋系統(tǒng)，響應(yīng)時間理論上為92.4ms。本系統(tǒng)快速響應(yīng)的特性確保了火炸藥生產(chǎn)、儲存、裝填等作業(yè)安全、可靠的運行。

在火炸藥的生產(chǎn)、儲存以及裝填等特殊的生產(chǎn)作業(yè)場所，很容易產(chǎn)生火花，如果在火花產(chǎn)生前期沒有預(yù)測到或者在火花產(chǎn)生后未及時采取滅火措施，造成的經(jīng)濟損失是無法估量的。本文針對該種特殊場合，研究了一種火花滅火系統(tǒng)，在火災(zāi)萌芽時期就探測到火源，或者在火災(zāi)發(fā)生時，從檢測到火焰并快速啟動噴淋系統(tǒng)，在限定的時間內(nèi)完成滅火工作，使經(jīng)濟損失控制在最低。

系統(tǒng)構(gòu)成及特點

系統(tǒng)組成及工作流程

1.系統(tǒng)組成

火花滅火系統(tǒng)主要由高速火焰探測器、火焰監(jiān)控&安全聯(lián)鎖系統(tǒng)、以及快速噴淋系統(tǒng)等組成，火花滅火系統(tǒng)示意如圖1所示。

2.工作流程

當(dāng)現(xiàn)場某個檢測區(qū)域發(fā)現(xiàn)火源或者火災(zāi)萌芽初期，火焰探測器高速響應(yīng)，輸出兩路信號，其中一路信號為標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA信號，進入火焰監(jiān)控&安全聯(lián)鎖系統(tǒng)進行火焰的連續(xù)監(jiān)視和數(shù)據(jù)存儲，另一路信號為開關(guān)量，進入火焰監(jiān)控&安全聯(lián)鎖系統(tǒng)報警并啟動聯(lián)鎖程序，系統(tǒng)輸出聯(lián)鎖指令驅(qū)動快速噴淋系統(tǒng)電磁閥打開噴淋進行滅火。

系統(tǒng)主要技術(shù)特點

1.火焰探測器：采用先進的信號處理技術(shù)，高速響應(yīng)能力可達6 ms以內(nèi)；采用獨特的抗誤報警技術(shù)，能夠避開星光、焊接弧光、日光和黑體發(fā)射源等干擾因素，精確探測到火花并無誤報警。具有TüV安全認證，可靠性高。

2.安全聯(lián)鎖系統(tǒng)：安全PLC系統(tǒng)和SIS系統(tǒng)，均選用TüV SIL2/SIL3安全認證產(chǎn)品，系統(tǒng)響應(yīng)快、安全、穩(wěn)定及可靠。其中SIS系統(tǒng)對快速響應(yīng)回路時間可達26 ms（回路時間包括信號輸入掃描1 ms,邏輯運算控制器的處理時間可以設(shè)定10～500 ms，信號輸出掃描15 ms）。

3.系統(tǒng)配置靈活：針對單點或點數(shù)很少的場合，選擇安全PLC系統(tǒng)；針對生產(chǎn)車間連續(xù)生產(chǎn)作業(yè)、檢測點較多的場合，選擇SIS系統(tǒng)。

4.自動噴淋系統(tǒng)電磁閥，響應(yīng)時間可達61 ms以內(nèi)，電磁閥具有TüV SIL2/SIL3安全認證。

5.整個系統(tǒng)的探測元件、信號輸入/輸出單元、邏輯控制運算單元、執(zhí)行元件均具有快速響應(yīng)特性，從火花檢測到聯(lián)鎖噴淋系統(tǒng)，響應(yīng)時間理論上為92.4 ms。

高速火焰探測器

火焰檢測原理

根據(jù)火焰的光特性，目前使用的火焰探測器有3種：一種是對火焰波長較短的紫外光輻射敏感的紫外探測器；另一種是對火焰波長較長的紅外光輻射敏感的紅外探測器；第3種是同時探測火焰波長較短的紫外線和波長較長的紅外線的紫外/紅外混合探測器。

具體根據(jù)探測波段可分為：單紫外、單紅外、雙紅外、三重紅外、紅外紫外以及附加視頻等火焰探測器。

探測器選型

根據(jù)火炸藥的生產(chǎn)、儲存、裝填等各現(xiàn)場作業(yè)特點，對火焰檢測響應(yīng)速度的需求不同，本系統(tǒng)配置兩款不同響應(yīng)速度的火焰探測器。

1.高速響應(yīng)紫外火焰探測器

紫外火焰探測器，可以對所有波段的火焰輻射進行檢測，對多數(shù)火焰可以做到快速可靠的響應(yīng)，且抗星光（STAR）、抗弧光（ARC）和抗日光干擾的能力強，紫外火焰探測器視錐如圖2所示。

紫外火焰探測器主要由檢測單元、信號處理和輸出單元、LED指示單元和接線單元等組成。

檢測單元采用高速、高靈敏度的測量管和卓越的機械設(shè)計，具有更先進的探測能力、抗干擾能力以及更高的靈敏度。

檢測單元經(jīng)信號處理單元處理后，將火焰信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號輸出，其中標(biāo)準(zhǔn)信號輸出包括繼電器輸出和模擬量輸出。

探測器面板上具有三色 LED狀態(tài)指示燈，用于指示正常情況、火警情況和故障情況。

性能特點：1）高速響應(yīng)時間可達6 ms以下；2）強大的抗誤報警技術(shù)，對存在的調(diào)制好的黑體發(fā)射源（如加熱器、烤箱、渦輪等）時，能夠?qū)鹧骓憫?yīng)且無誤報警；3）現(xiàn)場視角：90°視角，軸線為最高靈敏區(qū)。

2.多光譜紅外火焰探測器

多光譜紅外火焰探測器，是一種最新技術(shù)的光學(xué)火焰探測器。主要用來檢測碳氫類火焰，先進的專利信號處理技術(shù)確保了在有黑體模塊及其他誤報警源的情況下依然具備火災(zāi)報警能力，能夠極好地從輕質(zhì)和重質(zhì)碳氫化合物燃料中探測到火焰，而且可在最大程度上抑制錯誤報警。探測器具有各類防爆等級的產(chǎn)品，適合室內(nèi)和室外應(yīng)用。

性能特點：1）高靈敏度；2）響應(yīng)時間1 s以內(nèi)；3）擴展的探測視野；4）優(yōu)化的誤報警抑制能力；5）真正的光學(xué)可靠性自檢能力；6）卓越的短距離探測能力：火災(zāi)萌芽時期即可探測到火源（見圖3）；7）測量范圍長：同軸范圍210 ft，偏軸覆蓋率100%；8）在紅外干擾下也能看到火災(zāi)（見圖4）。

火焰監(jiān)控&安全聯(lián)鎖系統(tǒng)

根據(jù)火炸藥生產(chǎn)、儲存、裝填的生產(chǎn)作業(yè)特點，火焰監(jiān)控、安全聯(lián)鎖系統(tǒng)采用點對點模式，即每個火焰點從檢測到監(jiān)控、到執(zhí)行都是獨立的回路，點與點之間的聯(lián)鎖相互無交叉。

根據(jù)各現(xiàn)場火焰探測器布點規(guī)模，針對幾點或十幾個點的場合選用PLC系統(tǒng)，針對生產(chǎn)車間點數(shù)規(guī)模較多的選用SIS系統(tǒng)。PLC系統(tǒng)和SIS系統(tǒng)均是ABB公司的具有TüV安全認證的產(chǎn)品。本文主要介紹選用的SIS系統(tǒng)。

ABB的800xA是 唯 一 采 用嵌入式的差異性結(jié)構(gòu)的SIS系統(tǒng)，系統(tǒng)符合IEC61508、DIN V19250標(biāo)準(zhǔn)，取得IEC61508 SIL3級認證，連續(xù)25年無事故運行，最新一代的安全系統(tǒng)800xA High Integrity提供了領(lǐng)先的集成能力，該系統(tǒng)具有以下特點：

1.采用高安全完整性控制器并行運行差異技術(shù)的邏輯運算。

2.AC800 MHI冗余控制器配置有效性高達99.9999%。

3.通過設(shè)備管理軟件包 （FDT/DTM)對ESD閥進行部分行程測試 PST （Partial Stroke Test）。

4.系統(tǒng)響應(yīng)時間及掃描速度

SIS系統(tǒng)的掃描周期由T1、T2、T3三個時間構(gòu)成。

1）信號輸入卡件掃描時間T1：1ms。

2）邏輯運算器處理時間T2：針對快速回路為10 ms，正常情況下掃描時間決定于系統(tǒng)的設(shè)置。

3）信號輸出卡件掃描時間T3：10 ms。

4）事件順序記錄（SOE）的分辨率為10 ms。

快速噴淋系統(tǒng)

根據(jù)火檢系統(tǒng)的高速響應(yīng)要求，本系統(tǒng)選用開式自動噴淋系統(tǒng)，由開式噴淋頭、電磁閥組、加壓泵、緩沖罐及管道和供水設(shè)施等。

1.工作流程

正常情況下，確保儲水罐儲存一定的噴淋水，該管路保證有2.0 MPa的壓力。電磁閥和噴淋頭緊鄰安裝。當(dāng)現(xiàn)場某個檢測區(qū)域發(fā)現(xiàn)火源或者火災(zāi)萌芽初期，火焰探測器高速響應(yīng)，輸出兩路信號，其中一路信號為標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA信號，進入安全PLC/SIS系統(tǒng)進行火焰的連續(xù)監(jiān)視和數(shù)據(jù)存儲；另一路信號為開關(guān)量，進入PLC/SIS系統(tǒng)報警并啟動聯(lián)鎖程序，系統(tǒng)輸出聯(lián)鎖指令驅(qū)動噴淋系統(tǒng)電磁閥打開，開始噴淋，系統(tǒng)保證持續(xù)噴淋1 min。

2.部件說明

（1）電磁閥：噴淋系統(tǒng)中最關(guān)鍵的是電磁閥，關(guān)系到噴淋系統(tǒng)的啟動響應(yīng)速度。本系統(tǒng)的電磁閥選用直動式電磁閥，具有SIL2認證，且在2.0 MPa的壓力情況下快速響應(yīng)時間可達61 ms，如圖5所示。

（2）開式噴淋頭：開式噴淋頭選用下噴式，一直處于常開狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，安全系統(tǒng)PLC/SIS聯(lián)鎖雨淋電磁閥打開，開式噴淋頭直接噴水進行滅火。

系統(tǒng)全流程響應(yīng)時間

如圖6所示，高速火花滅火系統(tǒng)的響應(yīng)時間由火焰探測器的檢探測時間T4、系統(tǒng)信號輸入卡件掃描時間T1、系統(tǒng)邏輯控制器運算時間T2、系統(tǒng)信號輸出卡件掃描時間T3、噴淋系統(tǒng)電磁閥動作時間T5決定。

表1中列出了TI～T5的最快響應(yīng)時間和常規(guī)響應(yīng)時間。

表1 系統(tǒng)響應(yīng)時間

供電系統(tǒng)

1.系統(tǒng)供電：主控制中心的SIS系統(tǒng)可以采用2路UPS持續(xù) 供 電；SIS系統(tǒng)機柜內(nèi)照明、排風(fēng)系統(tǒng)可以采用市電供電。

2.現(xiàn)場儀表供電：現(xiàn)場火焰探測器和電磁閥由SIS系統(tǒng)直接供電。

安全防護措施

1. 防雷

考慮到火炸藥生產(chǎn)、儲存、裝填區(qū)域可能在雷擊多發(fā)地區(qū)，本系統(tǒng)現(xiàn)場側(cè)和系統(tǒng)側(cè)均考慮必要的防雷保護措施，均考慮設(shè)置防浪涌保護模塊，以確保減少和降低雷擊風(fēng)險帶來的直接損失和間接損失。

2.接地

本項目PLC/SIS系統(tǒng)機柜和現(xiàn)場儀表、儀表電纜托盤等的接地根據(jù)中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《儀表系統(tǒng)接地設(shè)計規(guī)范》（HG/T20513—2014）和 中 石 化《石油化工儀表接地設(shè)計規(guī)范》（SH/T3081—2019）要求進行設(shè)計。接地系統(tǒng)為保護接地和工作接地，由機柜內(nèi)接地端子排引至電氣專業(yè)在機柜室內(nèi)設(shè)置的接地匯流點。接地電阻應(yīng)不大于4Ω。

結(jié)論

本系統(tǒng)不僅適用于火炸藥生產(chǎn)車間、儲存場所以及裝填作業(yè)等特殊領(lǐng)域，也適用于對火花探測要求快速響應(yīng)、易燃易爆的工序或領(lǐng)域。選用一套設(shè)置高速響應(yīng)、安全穩(wěn)定可靠性高的檢測和安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，在火災(zāi)萌芽初期就做出響應(yīng)，采取相應(yīng)的措施，將風(fēng)險和損失降至最低。 ●