图像型火焰探测器在煤化工领域中的应用

冷芸菲

(中国天辰化学工程公司，天津 300400)



图像型火焰探测器在煤化工领域中的应用

冷芸菲

(中国天辰化学工程公司，天津 300400)

稿件收到日期： 2015-05-22，修改稿收到日期： 2015-08-13。

图像型火焰探测器是GB 15631—2008《特种火灾探测器》中正式确立的一种火灾探测器，通过成像探测、处理方式及对监视场合中的火灾进行有效探测，具备火灾探测和视频监视的双重功能，优于点式和线式探测器，适用于室外场所和室内大空间场所。

1图像型火焰探测技术

1．1发展历史

图像型火焰探测的发展大致经历以下四个阶段： 纯学术研究阶段(1960—1985)；特定应用开发阶段(1985—2005)；工业应用开发阶段(2000—2020)；商业应用开发阶段(2020—)。纯学术研究阶段主要是国外的某些高校和研究机构在进行的一些基础算法的研究，国内在该阶段尚没有进行任何研究工作。特定应用开发阶段主要集中在森林防火以及隧道火灾探测的研究，森林防火主要有地面探测方式和卫星探测方式两种，采用了CCD成像、热成像和相应的火灾处理算法，早已发展成熟并进行了大量的应用；国外交通监视中的视频探测方式开展很早，目前已大规模应用，隧道火灾探测随着应用的深入加入了新的功能需求，国内在此阶段基本还停留在基础性的算法研究工作。工业应用开发阶段是随着智能视频分析技术的发展而发展的，该阶段国内和国外的技术水平存在3～5年的差距，初期视频火灾探测技术作为智能视频分析功能的子项出现，并作为安防领域的功能来应用。随着在工业领域和高端民用领域的大量应用，视频火灾探测技术必将向民用领域转化，整个发展进入商业应用开发阶段，形成了真正大规模商业应用的局面。

从火灾探测技术的角度来看，从过去的点式探测、线式探测，必将过渡到成像式的探测，这是技术发展的必然趋势，也是解决更复杂条件下(特别是室外环境)火灾探测的必然选择。因为点式探测和线式探测无法提供更多的探测维度来过滤干扰源，也无法将真实的火灾和假的火灾进行区分。只有成像探测方式能提供多维度的综合判断，能非常可靠地解决复杂条件下的火灾探测。成像探测方式可以根据应用场合的不同选择不同谱段的成像器件，如目前主要选择可见光和近红外波段的CCD相机，后续的发展可以考虑选择短波红外SWIR、中波红外MWIR、长波红外LWIR以及紫外成像器件，针对不同的成像方式，火灾探测算法会相对不同。

图像型火焰探测目前处于工业应用阶段的前期，技术日趋成熟，民用高端领域的应用已经被认可并已大面积应用，工业领域的应用范围也在逐步扩大，特别在国外，已在很多工业场所成功应用。

1．2技术现状

火焰探测技术发展到现在，产生了不同的技术原理，同时表现出了不同的性能，下面将详细论述运用各种不同原理的差异。

1．2．1各种探测技术的性能对比

运用不同技术原理的探测器性能比较见表1所列。

表1　3种火灾探测器的性能对比

由表1可知，图像型探测器具备了其他探测器无法比拟的技术优势，主要体现在以下方面：

1) 图像型探测器可在5个维度对火灾进行区分，而点型探测器最多只能在3个维度进行区分，这也是图像型探测器能更好地屏蔽各种干扰的最大原因。

2) 图像型探测器最大的优势是具备空间分辨率，因而能区分真火和干扰源，且不受一些污损和遮挡因素影响。

3) 图像型探测器的探测元件是焦平面的，有30～40万个像素，而点型探测器只有几个像素，因而灵敏度很差。

4) 图像型探测器可在其他维度上(如极性)进行更多判断，或多种维度协同判断。

1．2．2图像型火焰探测器应用现状

图像型火焰探测器经过十多年的发展，日趋成熟，具备了大面积使用的条件。

目前在稳定的环境光照条件下，能进行火焰检测和烟雾检测的品牌很多，上百家智能视频分析厂商均表示能提供这些功能；而在有变化的光照环境条件下，能稳定检测到火焰和烟雾的品牌，约有几十家；但在变化很大的条件下，能稳定检测到火焰和烟雾的设备却并不多。因此，在未来很长时间，解决环境适应性问题是所有厂家共同面临的问题，只有这样才能拓展图像型火焰探测器的应用场合。目前图像型火焰探测器的形态包括：

1) 前端相机方式，将火灾检测功能集成到相机内。

2) 前端视频服务器方式，将火灾检测功能集成到视频服务器中。

3) 后端视频服务器方式，多路视频回传到后端的服务器，由后端的服务器统一进行检测处理。

4) 点型火焰探测器+相机方式，在火焰探测器的旁边加1个监视相机。具体的检测功能又区分单火焰探测、单烟雾探测和火焰烟雾综合探测。

2图像型火焰探测器应用领域

2．1国内外应用情况

图像型火焰探测器出现至今，国际上一直在寻求该新型火灾探测器的应用研究，其中最重要的研究项目包括：

1) 国际公路隧道火灾探测研究项目。主要目的是研究各种火灾探测技术在公路隧道防火应用中的性能，开发公路隧道中火焰和烟雾检测的性能标准和应用标准，图像型火灾探测器也是该项目中重点研究的对象，与其他各种探测方式进行了相应的对比。

2) 视频图像探测系统安装性能标准。是专门针对图像型火焰探测器开展的研究项目，该项目针对大空间和工业应用场合(化工场所)进行应用性研究，确立该类型探测方式的安装性能标准。

3) BP液化天然气研究项目。该项目中把视频火灾探测技术和基于热成像的探测技术作为液化天然气火灾探测的两种非常重要的方式，通过该项目的验证，视频火灾探测器在BP的液化天然气场所得到了大面积的应用。

在国外，视频火灾探测器的应用大致分4个阶段： 第一阶段是视频火焰探测器的应用，主要应用于石油化工领域；第二阶段是视频烟雾探测器的应用，主要应用于室内高大空间；第三阶段是综合视频烟雾探测和火焰探测器(后端处理)的应用，主要应用于室内高大空间和工业领域；第四阶段将视频烟雾和火焰探测集中到相机中的应用，主要应用领域开始向室外和工业领域拓展。国外的视频火灾探测器应用经过了约10 a，特别在石油化工领域经过了大量的应用，证明了其应用的必要性和可行性。高大空间是所有视频火灾探测专家认可的应用场所，同样具有大量的实际应用案例。

在国内，视频火灾探测器在高大空间的应用也经历了10 a的时间，而在工业领域的应用相对滞后，2009年GB 15631—2008《特种火灾探测器》的颁布才进一步推动了在大空间和工业领域的应用，目前在工业领域应用还较少，基本集中在一些试点项目上。

2．2国外相关标准规范制定进展情况

在美国消防报警协会火灾报警规范NFPA 72—2007中，与图像型火焰探测器对应的探测器类型为视频图像探测系统(VID)，又分成视频图像火焰检测(VIFD)、视频图像烟雾检测(VISD)。视频图像火灾探测系统被归类为辐射能量传感型的火灾探测器，被视为与光学火焰探测器类似。由于各品牌VID性能和算法上的差异，NFPA 72—2007中规定，对VID进行检测、测试和维护均应按照各厂家提供的说明进行。

3图像型火焰探测器在煤化工中的应用

3．1煤化工火灾危险性分析

煤化工项目各主要装置在生产及储存过程中所使用和产生的原料、中间品及成品，多为易燃、易爆危险物，如煤气、甲醇、一氧化碳、硫化氢、甲烷、氨气、石脑油等，各主要生产装置火灾危险性多为甲、乙类。

根据生产性质及对危险物质特性的分析，参照GB 50058—2014《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》的规定，项目中可能出现的爆炸危险性环境为爆炸性气体环境、爆炸性粉尘环境和火灾危险环境。爆炸性气体环境主要存在于装车站、低温甲醇洗、气柜、硫回收、变换及冷却、加压气化、成品罐区、酚回收、煤气水分离、压缩制冷、甲烷合成、煤气压缩、丙烯库、氨库、火炬等；爆炸性粉尘环境主要存在于造气备煤工段、硫回收装置成型机厂房；火灾危险环境存在于各主要生产装置。其他火灾危险类别为丙类；其余公用辅助设施为丁、戊类。

煤化工项目生产过程中使用或产生的甲类危险物如煤气(一氧化碳、氢气、甲烷、硫化氢)、火炬气(氢气、一氧化碳、甲烷、氨气)、合成气(氢气、甲烷)、甲醇、天然气、丙烯、石脑油等，在生产过程中均系密闭运行，一般情况下不会泄漏；其余物料为丙类危险化学品，燃烧爆炸级别小。所以在正常生产情况下不易发生火灾，只有在操作失误、管理不当等非安全操作情况下，才有可能发生火灾。主要生产场所火灾及爆炸危险分类等级见表2所列。

表2　主要生产场所火灾及爆炸危险分类等级

3．2煤化工火灾探测方式比较

从上述分析可以得出： 在煤化工的生产装置区、储罐区和储运设施处可能存在高等级火灾隐患，这些区域存在易燃易爆气体，大多为室外开放环境，与石油化工类似区域的火灾危险性相似，因而上述场所火灾探测的解决方案为火和气体探测同时进行，以保证及时有效地制止火灾的蔓延和重大事故的发生。

气体探测方式包括点式的可燃气体探测器、红外开路气体探测器以及红外气体成像探测器；火探测方式包括紫外火焰探测器、紫外/红外火焰探测器、红外单波段火焰探测器、红外多波段火焰探测器以及图像型火焰探测器。

图像型火焰探测器由于采用了成像探测处理方式，用于表征火灾的维度高于点型的探测器，具有更高的屏蔽外界干扰和探测微小火源的能力，特别适合于空间开放的工业场合，同时图像型火焰探测器可以提供视频监视的功能，具备远程确认火情和火灾现场情况应急处理的能力。而其他类型的探测器无法屏蔽外界的各种干扰，会带来大量的误报，也无法探测微小的火源，会产生漏报，特别是在室外环境条件下，误报和漏报十分频繁，基本丧失了火灾探测的能力。

对于易燃和易爆的化工场所，最好的火灾探测解决方式是两种探测方式的协调配合。一个潜在危险的场景假设： 某一远端的火源不断消耗泄漏的气体，使得气体浓度始终达不到点型气体探测器的探测门限，导致点型的火焰探测器和气体探测器都无法报警。而如果采用图像型的火灾探测器+红外开路气体探测器或图像型火焰探测器+红外气体成像探测器结合就会很好地解决这些问题，因为红外开路型气体探测器探测的是区域的气体浓度，而不是点的气体浓度，而红外气体成像探测器是专门对气体成像的，只要区域中有气体出现，就会有气体的图像出现，类似于人眼看到的有色气体在空间扩散，因而无论是明火还是静电引起的火灾都可以在事故发生前得到有效探测，确保得到有效的预防。

3．3煤化工场所应用适宜性分析

3．3．1储罐区火灾特点

根据LASTFIRE项目研究显示： 浮顶油罐火灾有5种类型： 浮顶密封圈火灾、浮顶泄漏引起的火灾、全浮顶表面火灾、防火堤火灾和浮顶爆炸油罐火灾，而其中浮顶密封圈火灾是最常见的火灾类型，在大量的油罐火灾中出现的频率最高(见表3所列)，因而很多研究也是针对此种火灾类型进行的。

表3　各种油罐故障及火灾类型的统计结果

在浮顶罐中储存的原油和石油可从环型密封处挥发，遇火花点燃形成火灾，如不能及时检测到，并采取相应的措施，将铸成灾难性的后果。这种火灾出现的频率在所有的浮顶油罐火灾中最高。

3．3．2储罐区火灾检测方法

目前油罐区火灾检测主要有3种方式，而相应的探测器的适应能力比较见表4所列。

表4　不同种类探测器的适应能力

1) 感温型探测器。如线性感温电缆和光纤分布式感温，这主要是基于油罐火灾起火过程中伴随着明显的温度升高。

2) 光学火焰探测器。如双波段IR火焰探测器，三波段的UV/IR火焰探测器。

3) 基于视频的火焰探测器。是最近两三年出现的新型火焰探测器。

3．4煤化工场所应用安全性分析

图像型火焰探测器在煤化工场所应用是否存在安全隐患，比如是否会成为引火源，一直是大家关注的问题。由于易燃易爆场所内爆炸混合物气体和可燃物是客观存在的，所以造成电气火灾的主要原因是场所内存在电气引火源，电气设备设施安装不规范，采用非防爆电气设备是造成电气火灾事故的最重要因素。 常见的电气方面的不安全因素一般表现在以下几个方面：

1) 电气设备不符合防爆要求。未根据爆炸危险区域的要求及爆炸性气体混合物的级别和组别，正确选择相应级别的防爆电气设备： 如用普通插座代替防爆插座，用普通开关代替防爆开关，用防水防潮灯具代替隔爆型灯具等。

2) 线路敷设不符合防爆要求。如用塑料管或普通电线管代替厚钢管敷设电线路，导线连接处未采用防爆接线盒，导线的接头处未采用钎焊、熔焊而造成接触不良，架空导线跨越易燃易爆场所屋面或与危险场所间距不足等。

3) 没有接地、接零或处理不好。如金属设备、管道和构架等未和接地体连成整体，零线的最小截面不符合要求，接地线未接到标志处，没有采取防松、防锈、防机械损伤措施等。

4) 其他电气设备等原因。如使用未采取防爆措施的各种通信设备、电子设备、携带式电器等。另外，防静电和防雷击措施不当，也可能引起电气火灾事故。

图像型火焰探测器在煤化工应用中是否会成为引火源取决于以上4个方面做的是否符合规范。按照GB 3836—2000 《爆炸性气体环境用电气设备》、GB 12476—2010《可燃性粉尘环境用电气设备》、GB 50115—2009 《工业电视系统工程设计规范》进行探测器的工程设计，就不会存在安全隐患。

3．5煤化工场所应用性价比分析

图像型火焰探测器在煤化工领域应用的性价比也是很多煤化工厂家、工程设计、施工方普遍关注的问题，从以下3个方面进行说明。

1) 图像型火焰探测器同时具备火灾探测和工业电视监视的功能，因而图像型火焰探测器至少相当于工业领域中火灾探测报警系统和工业电视监控系统两者相加的能力。

2) 传统的点型火焰探测器，特别是在室外使用时，存在大量的漏报和误报，最严重的情况是操作人员不得不降低其灵敏度以减少误报，而图像型火焰探测器却能大量抑制误报和漏报，非常准确、可靠地提供报警信息，探测报警的效率大幅提高。

3) 从工业电视监视的角度来看，过去的监视主要靠人来完成，由于视觉疲劳等因素，40 min后效率基本降至零。而带有火灾探测的图像型火焰探测器在有情况出现后，画面会自动弹出，带有警示作用，提高了报警效率。

通过上述分析可知，图像性火灾探测器不仅同时具备了火灾探测报警系统和工业电视监控系统的功能，而且在此基础上，大幅提升了效率，具备很高的性价比。

4结论

从图像型火焰探测器的优越性能着手，讨论了现有火灾探测技术在上述环境中的应用并指出其局限性。作为对比，介绍了图像型火焰探测器的基本原理并深入分析其在煤化工领域中的应用优势。作为一种新型的特种火灾探测器，图像型火焰探测器为工程设计的设备选型提供了更好的选择。

参考文献：

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《石油化工自动化》征订启事

《石油化工自动化》创刊于1964年，由中国石化集团公司主管，中石化宁波工程有限公司、全国化工自控设计技术中心站、中国石化集团公司自控设计技术中心站主办，面向全国化工、石化、石油、纺织、轻工等行业的自动化科技刊物。

本刊为中国科技核心期刊，中国石化集团公司核心科技期刊，并入选“中国期刊方阵”。本刊入选《中国学术期刊(光盘版)》，被全文收录；荣获全国优秀期刊评比三等奖；加入“中国期刊网”和“万方数据资源系统(ChinaInfo)数字化期刊群”，并被列为“中国学术期刊综合评价数据库”来源期刊；被美国《化学文摘》(CA)、《剑桥科学文摘》(CSA)、俄罗斯《文摘杂志》(AJ)、波兰《哥白尼索引》(IC)列为检索源期刊。

《石油化工自动化》的内容突出实用性、指导性、知识性，报道国内外自控领域的科研成果和先进技术，介绍新产品、新工艺、最新动态。读者对象主要为化工、石化、石油、纺织、轻工等行业的自动化专业技术人员，大专院校、科研单位从事自动化教学和科研工作的人员等，拥有大量的读者。主要栏目有发展与评述、工程设计及标准、过程控制技术、信息技术、仪器仪表、创新与实践等。

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摘要：通过对图像型火焰探测器的发展历史、技术发展阶段及国内外相关标准制定情况的论述，介绍了图像型火焰探测器的特点，对其在煤化工领域的应用现状及前景进行了详细的分析。用图表的方式阐明了在当前的技术背景下该探测器在分辨率、敏感度及各种探测参数上均优于其他设备，可智能识别火灾并降低误报率。针对工业环境下引起火灾的多种因素，通过对比几种探测方式的有效性，说明图像型火焰探测器能更快、更准、有效地防止煤化工领域中火灾的蔓延和重大事故的发生。

关键词：图像型火焰探测器煤化工分辨率敏感度蔓延

Application of Image Flame Detector in the Field of Coal Chemical IndustryLeng Yunfei

(China Tianchen Engineering Corporation， Tianjin， 300400， China)

Abstracts： Through discussion of development history， technology development stage and standards formulation at home and abroad for image flame detector， characteristics of image flame detector are introduced． Application situation and prospects in the field of coal chemical industry are analyzed in detail． Under the background of current technology， it indicates with charts and tables that the resolution， sensitivity and all other kinds of detection parameters of image flame detector are superior to those of other devices． It can identify fire and reduce failure alarm rate intelligently． In allusion to multiple factors causing fire in industrial environment， compared with effectiveness of several detection modes, it is indicated image flame detector can prevent fire spread and occurrence of major accidents in the field of coal chemical industry faster， more accurately and effectively．

Key words：image flame detector; coal chemical industry; resolution; sensitivity; spread

中图分类号：TN215

文献标志码：B

文章编号：1007-7324(2015)05-0008-05

作者简介：冷芸菲(1988—)，女，天津人，2010年毕业于山东建筑大学通信工程专业，获学士学位，现就职于中国天辰化学工程公司，主要从事电信设计工作，任工程师。