基于火焰傳感器的細水霧自動滅火系統設計

林 輝，萬小軍

（1.廣州電力設計院有限公司，廣州 510610；2.上海同泰火安科技有限公司，上海 201799）

在電力系統結構中電力變電站屬于核心環節，電力網的運行情況直接受變電站重要性的影響[1]。在城市的電力系統中變電站的數量較多，其主要作用是為系統運行提供變電支撐。弱電和強電電氣設備是構成變電站的主要組件，油浸主變變壓器具有儲油量高、電能高的特點，變電站中存在的帶電設備是重點火災設備。沙子、滅火器是變電站內常用的消防設施，被動型消防設施是變電站外常用的消防手段，包括消防栓等。大部分電氣設備在變電站系統中均沒有滅火系統，導致火災事故在變電站系統運行過程中頻發，經調查發現細水霧自動滅火系統優于現有的滅火系統[2]，因此研究并分析自動滅火系統具有重要意義。

文獻[3]分析了管網在滅火系統中的水力特性，根據分析結果確定支管噴頭的流量，在此基礎上得到末端水壓和支管出流量之間的關系，完成滅火系統的設計，該方法設計的系統存在效率低的問題；文獻[4]分析了細水霧滅火系統的基本要求，在基本要求的基礎上調整滅火系統的設計參數，選取最優型號的噴頭，完成系統設計，該方法存在水霧生產時間長和火焰傳播距離遠的問題。為了解決上述方法中存在的問題，提出基于火焰傳感器的細水霧自動滅火系統設計方法。

1 系統設計

1.1 火焰傳感器

將火焰傳感器[5]設置在細水霧自動滅火系統中，利用火焰傳感器獲取火災現場的信息，通過融合信息檢測火勢情況。

（1）設置火焰傳感器系統的火災識別框架I，包括不確定度、無火災和有火災；

（2）采用火焰傳感器檢測現場的環境，在模糊隸屬度函數[6-7]的基礎上根據火焰傳感器采集的數據計算不同時刻多個火焰傳感器的隸屬度函數值；

（3）在每次測量過程中通過下述公式計算不同火焰傳感器的可信度。

用a 表示細水霧自動滅火系統中的火焰傳感器數量，上述火焰傳感器采集到w 個火災檢測結果，用Ck表示所有火焰傳感器對結果k 檢測的平均值，可通過下式計算得到：

式中：Cik描述的是單個火焰傳感器的檢測結果。

建立信任函數fmn，該函數描述的是針對火災檢測結果k，火焰傳感器m 和火焰傳感器n 的信任度比值，其表達式如下：

根據上式計算結果，建立判別矩陣Fk：

計算結果即為火焰傳感器對火焰檢測結果的支持程度。

1.2 系統工作流程

基于火焰傳感器的細水霧自動滅火系統的工作流程如圖1 所示。

圖1 系統工作流程Fig.1 System workflow

火焰傳感器當現場煙霧和濃度較高時，會向PLC 發送信號[8-9]，控制器再將報警信號發送給消防中心，在同一時間內啟動細水霧自動滅火系統的水泵和電機，并傳輸顯示噴放指示和聲光報警。利用電磁閥控制系統噴細水霧。操作人員同時也可以控制關停和啟動按鈕，并檢測過濾器在系統中的降壓，以及水流在管路中的壓力，根據檢測結果控制電機的狀態。在滅火過程中火焰傳感器的主要作用是向計算機反饋火場溫度信號。

1.3 系統參數設計

根據現場環境條件、火災危險性以及細水霧特性設計細水霧自動滅火系統的基本參數，如表1所示。

表1 系統基本參數Tab.1 System basic parameters

1.4 水力計算

通過式（5）確定系統噴頭的流量w：

式中：L 描述的是工作狀態下噴頭的壓力；A 描述的是流量特性系數。

細水霧自動滅火系統通過式（6）計算流量WJ：

式中：wi代表的是細水霧噴頭在系統中的實際流量；n 代表的是細水霧噴頭在系統中的實際數量。

利用式（7）計算細水霧自動滅火系統的設計流量WS：

式中：l 為在區間［1.05，1.10］內取值的安全系數。

通過式（8）設計儲水箱在細水霧自動滅火系統中的儲水量Ec：

式中：t 描述的是噴水頭在滅火系統中噴水的持續時間。

管道沿程水頭在系統中的損失o 為

式中：dt描述的是管段內徑；g 描述的是摩擦系數；ρ 為水的密度；W 為管段流量。

1.5 細水霧自動控制

根據成熟的細水霧滅火系統[10-11]以及消防協會的細水霧消防系統標準，基于火焰傳感器的細水霧自動滅火系統設計方法組合機械應急控制、手動控制和自動控制3 種控制方式提高細水霧自動滅火系統的可靠性和敏感性。

細水霧自動滅火系統中的細水霧控制模塊采用220 V 交流電的CPU224 供電方式，并在模塊中引入EM231 擴展模塊，該模塊的主要作用是增強信號在細水霧自動滅火系統中的傳遞。細水霧控制模塊在細水霧自動滅火系統中的結構如圖2 所示。

圖2 細水霧控制模塊Fig.2 Water mist control module

感煙探測器通過擴展模塊EM235 布置在封閉環境的內部，如果現場的火災特征表現為由濃煙轉為明火時，第一個探測器在火源周圍采集到的信號傳遞到細水霧自動滅火系統的CPU 中，系統識別信號，并連接電機在系統中的電源線。當細水霧自動滅火系統的其他感煙探測器也探測到火災信號后，在第一時間內啟動電機，如果電機在細水霧自動滅火系統運行過程中達到額定轉速時，控制系統打開電磁閥，通過管道高壓水流得以釋放，并在細水霧自動滅火系統中顯示水泵出口的壓力狀態。

如果細水霧自動滅火系統無法通過火焰傳感器采集的信號啟動時[12-13]，需要手動控制細水霧自動滅火系統的控制器，具體控制流程如圖3 所示。

圖3 細水霧控制流程Fig.3 Water mist control flow chart

當現場火災特點為不存在明顯煙霧，但前期火焰明顯的火災類型時，傳感器有可能探測不到火災信號，手動控制器的作用就是在這種情況下啟動細水霧自動滅火系統[14-15]。將手動開啟信號傳遞到細水霧自動滅火系統的CPU 中，CPU 根據接收到的信號控制火災指示燈，并顯示細水霧自動滅火系統的工作狀態。

2 實驗與分析

為了驗證基于火焰傳感器的細水霧自動滅火系統設計方法的整體有效性，需要做相關測試。系統接收現場火焰信息的時間直接影響著控制器控制水閥打開的時間，分別采用基于火焰傳感器的細水霧自動滅火系統設計方法、文獻[3]方法（自動噴水滅火系統設計流量計算方法的研究）和文獻[4]方法（倉儲建筑自動噴水滅火系統設計技術要點分析）采集現場的火焰信息。

文獻[3]方法在滅火系統水力特性分析的基礎上，明確了支管噴頭的流量，進一步控制了末端水壓和支管出流量；文獻[4]方法在分析細水霧滅火系統基本要求的基礎上，根據調整的滅火參數，選取了最優型號的噴頭，完成系統設計。對比不同方法的信息接收時間和控制器啟動時間，測試結果如圖4 和圖5 所示。

分析圖4 可知，在多次實驗中所提方法設計系統采集信息所用的時間均控制在10 s 以內，文獻[3]方法和文獻[4]方法設計系統的信息采集時間所用的時間均高于10 s，由此可知，所提方法信息采集時間較短；分析圖5 可知，所提方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法的控制器啟動時間均高于信息接收時間，因為系統要根據接收的信息控制控制器的啟動，信息采集時間越短控制器所用時間越短，兩者之間呈正比。表明所提方法設計的系統具有較高的效率，是因為所提方法將火焰傳感器設計在系統中，并融合了傳感器采集的信息，可以在較短的時間內獲取現場火焰環境信息，從而提高了系統的效率。而對比傳統方法在獲取火情信息方面較為薄弱，所以啟動控制器的時間較短。

圖4 信息接收時間Fig.4 Information reception time

圖5 控制器啟動時間Fig.5 Controller startup time

水霧生成時間對系統整體性能產生影響，水霧生成時間越短，系統越可以在短時間內完成滅火，相反，水霧生產時間越長，系統滅火所用的時間越長。所提方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法的水霧生成時間如圖6 所示。

圖6 水霧生成時間Fig.6 Mist generation time

由圖6 可知，在多次測試中，所提方法生成水霧的時間在50 ms 上下波動，文獻[3]方法和文獻[4]方法生成水霧的時間在70 ms 和80 ms 附近波動，通過多次測試發現，所提方法設計的系統生成水霧所用的時間遠低于文獻[3]方法和文獻[4]方法設計的系統生成水霧所用的時間，因為所提方法可在較短時間內采集現場的信息，利用模糊隸屬度函數計算了不同火焰傳感器的可信度，能夠快速判斷火焰檢測結果的支持程度，并且當溫度信號和煙霧信號低于報警值時，系統的PLC 便會立即進入預警狀態，進而縮短了生成水霧所用的時間。而對比的方法雖然可以較好地控制水霧流量、調整滅火參數，但由于對火情判斷的時間較長，從而延長了水霧生成的時間。

將火焰傳播距離作為指標，驗證所提方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法的系統安全性，火災發生時，如果火焰沒有被及時撲滅，那么火焰傳播的距離將不斷增長，以此為依據測試上述方法的性能，為了保證實驗的準確性，選取兩個不同環境測試，結果如圖7 所示。

圖7 不同方法的火焰傳播距離Fig.7 Flame spread distance for different methods

由圖7 可知，在不同環境中所提方法的火焰傳播距離均在0.2 m 以內，且在實驗環境1 中的火焰高度在2.5 s 時為0，表明系統經過2.5 s 時已經撲滅了火焰，在實驗環境2 中，經過2.0 s 撲滅了火焰。而文獻[3]方法和文獻[4]方法的火焰傳播距離隨著時間的增長而增長，表明以上兩種方法的系統安全性較差。因為本文所提方法根據現場環境條件等信息計算水力大小，調整火系統的基本參數，聯合水霧控制模塊，實現了水霧自動控制，可以有效撲滅火焰。而文獻[3]方法和文獻[4]方法由于對現場火情的研判方面較弱，欠缺及時判斷火焰的燃燒發展情況，所以在抑制火焰傳播距離方面的性能有待提高。

3 結語

細水霧滅火系統具有對環境無害、用水量少、誤動作損失小等優點，細水霧滅火系統隨著人們對防火滅火和環境保護觀念的轉變成為消防界的研究熱點。目前滅火系統存在系統效率低、水霧生成時間長、火焰傳播距離遠等問題。為了解決存在的問題，本文設計了基于火焰傳感器的細水霧自動滅火系統。融合多個火焰傳感器采集的信息，可以快速獲取火情信息，縮短了系統啟動時間。在此基礎上，使用模糊隸屬度函數快速判斷火焰檢測結果的支持程度，根據判斷結果計算水力大小，自動調整滅火參數，解決了火焰傳播距離遠的問題。實驗結果證明，本文設計的系統縮短了信息接收與啟動的時間，縮短了水霧生成時間，降低了火焰傳播距離，實現了快速高效地滅火。由于時間和精力有限，此次研究仍存在不足之處，在船舶等特殊環境下的有效滅火范圍方面有待完善。在未來的研究中，擬從計算分支管路壓力損失方面入手，將系統布設到特殊環境，進一步優化滅火范圍。