浅析用易容塞回路代替火焰探测器的优缺点

史宜涛等

【摘 要】本文基于海洋石油采油平台常规项目使用的各种类型的火焰探测器，结合海洋石油平台的环境特点，对比分析使用易容塞回路代替火焰探测器的优缺点，拓展海洋石油平台仪控设计思路，提高设计水平。

【关键词】易容塞回路火焰探测器海洋石油平台

在海洋石油平台上，大部分管道的介质是具有易燃易爆性质的石油和天然气，石油和天然气的泄露，很容易引起火灾。回顾世界各地海洋石油采油平台发生的重大灾难和事故，有近一半以上是因为火灾造成了人员伤亡和重大经济损失。因此，探测平台火灾并预警以及自动控制火情等自动控制系统是海洋石油平台仪控设计的重要内容，其中探测早期火灾是其重中之重。

当前，国内海洋石油采油平台使用的火灾早期识别设备是火焰探测器，并得到了广泛的应用。

一、各类火焰探测器工作原理及优缺点

1、紫外火焰探测器

紫外火焰探测器通过探测物质燃烧所产生的紫外线来识别火灾。可燃物质燃烧或爆炸的点燃瞬间，会有大量的紫外线以极快的速度（3～4毫秒）向周边辐射，紫外火焰探测器主要探测该紫外线来识别火灾的发生。以电力设备为例，其周围会产生较强的电场，空气会发生电离的作用，出现紫外光【1】。大部分紫外线探测器能够对波长在180～250纳米范围内的紫外线做出反应，由于其所探测的紫外线波长区域比较狭窄，所以该型火焰探测器可以排除来自日光的辐射能和由人工光源带来的误报警。但是，紫外线探测器也能对X射线、弧焊作业及闪电做出反应，由于采油平台上经常会有焊接施工情况，所以误报是紫外线探测器的一大缺点。另外，紫外线频带的波长比较短，如烟、污染物、碳氢化合物、水蒸气等具有过滤紫外线辐射能的特点，所以探测器的灵敏度会受到影响。由此可知，紫外火焰探测器在发生明火的场所较适用，而且紫外线探测器在海洋平台上一般用于距离较短的封闭环境。

2、红外火焰探测器

红外火焰探测器是通过检测火焰的高温以及由火焰引起的大量的高温气体辐射出的各种频带的红外线来识别火灾的。红外线探测器一般能检测4.1～4.6微米范围内的波长，主要对4.3微米波长的红外线进行选择，同时要求可燃物必须是含碳物質，因为红外线探测器不能检测到没有碳参与（如氢气）的火焰。由于红外线得特点，该型探测器解决了很多与紫外线探测器存在的误报警问题。但是，红外火焰探测器也有误报等缺点。因为一些高温物体的表面，如炉子、烘箱、卤素白炽灯、太阳等都能辐射出与“火焰”红外线频带相吻合的红外线。因而这些并非火焰的红外源就十分容易使IR红外火焰探测器产生误报警。为了能从其他各种红外光源特殊频带的信号中真正区分出火焰信号，目前各厂家都普遍采用多参数分析和数学计算技术的方法来提高其报警准确率，用得比较多的是闪烁分析和红外光窄频阈值信号（4.1～4.6μm）分析。

3、紫外/红外火焰探测器

紫外/红外探测器是一种组合式的双感应火焰探测器，选用了一个紫外线探头和一个高信噪比的窄频带的红外线探头，具备了紫外和红外探测两种功能，探测火焰时本身就具备了表决功能，对特定干扰源有识别能力，误报率低，但是对非碳氢化合物火焰不敏感。

4、可视火焰探测器

可视火焰探测器采用了闭路电视系统和先进的数字图像处理技术，通过一个摄像头实时的传送监控画面至微处理器，从实时视频图像中检测出火焰的图像特征，达到探测火灾的目的。

可视火焰探测器具有十倍变焦功能，最大探测距离可达100～200米，不会产生由于电弧焊、黑体辐射、太阳光、海浪反射等引起的误报警。但它易受设备等物体遮挡，不能探测到无色火焰（如纯氢气火焰），且需要专用软件支持。

例如，在乐东15-1海上天然气生产平台上，其火焰报警监控系统就需要在完善的自动化控制系统内实现，它包括报警显示终端、智能HUB控制器、智能视频交换机和现场可视火焰探测器等设备【2】。

二、火焰探测器存在的问题

1、报警精确度有待提高

由于不同的燃烧物燃烧，其辐射的紫外线强度和红外线强度的比值是各不相同的。

例如，氢火焰辐射出大量紫外线，而辐射的红外线很少；相反，煤的火焰就辐射出比较多的红外线，而辐射的紫外线就很少。因此某一固定型号的火焰探测器不能适用所有的燃烧物。另外，部分厂家为了保证探测火焰信号的可靠性，在探测器中设置UV，IR和两者比值的阈值逻辑判断功能，即使如此，也有可能存在误报。

例如，在存在强的紫外线光源（电焊光）的时候，同时又刚好有火焰产生，这个强紫外线信号可能会中断探测器对红外的逻辑判断功能，从而会造成漏报警。

2、经济成本较高

各个厂家在不断提高火焰探测器的精度过程中，不管是针对不同燃烧物增加相应探测器型号，还是通过技术创新提高其探测精度，厂家都加大了研发成本和生产成本，其产品价格自然水涨船高。海洋石油采油平台是高火灾发生区域，在设计火焰探测器布置时，需要对其火区进行高密度、全面积覆盖设计，从而需要较多数量的火焰探测器，增加了平台的建造成本。

三、易容塞回路原理和特点

易容塞是利用装置内的低熔点合金在较高的温度下熔化、打开通道使气体从原来填充的易熔合金的孔中排出来泄放压力，其特点是结构简单，更换容易。

所谓易容塞回路，是指在海洋采油平台上，由井口控制盘提供气源，用仪表管将气源引到危险区，并将危险区的所有易容塞进行串联，组成一个回路。

在这个回路的仪表管内有一定压力的气体，在井口控制盘设置测点改气压的压力变送器，该变送器信号实时传送到中控系统，当危险区有火情，其释放的热量将易容塞装置内的低熔点合金熔化后，整个回路的压力将降低，当达到压力变送器的设定值时，中控系统会自动识别火灾情况。

采用易熔塞作为火焰探测及保护设备，代替光探测火焰探头，不但节省工程费用，而且比光探测火焰探头可靠性高。

其主要优点主要表现在以下方面：

1、误报警的可能性极小

根据上文对各类火焰探测器的分析，可知紫外、紫外/红外、单频红外探测器都存在一定误报警的风险。因为海洋石油现场存在许多并非火焰的红外光和紫外光辐射源，这些随机可能出现的辐射能将会干扰火焰探测探头的正常工作，以致使探测器产生误报警。

而易容塞回路探测火焰主要是依据火焰的热辐射原理，它与燃烧物无关，也与其燃烧释放的紫外线或红外线无关，因为任何物体的燃烧都伴随着热辐射。

在实际操作中，需根据探测物体的特性，选择相应熔点的易容塞填充物，将易容塞布置在石油或天然气的易泄漏点附近，当燃料泄漏并發生燃烧时，易容塞填充物达到其设计熔点时，自然熔化，并通过井口盘的压力变送器触动报警和紧急处理装置。

2、工程成本低

各类火焰探测器的价格非常高，尤其是带摄像功能的火焰探头，其单价更是昂贵。而易容塞装置则非常廉价，其现场施工也非常方面，使用易容塞回路代替火焰探头不仅为工程采办节约成本，也为现场施工带来方面，节省了施工人力成本。

一般采油平台的使用寿命在25-30年，按照每月发生一次火灾计算（每次火灾不是所有的易容塞都要更换，只需更换熔化的易容塞），所更换的易容塞成本远远低于采油平台建造使用的火焰探测器成本，更何况有些火焰探测器需要维修或损坏而更换。

可见，由于易容塞回路中的任何易容塞均能更换，操作简单，而且价格便宜，维护成本很低，这不仅为采油平台建造工程节省费用，也为后期采油过程中的日常维护节约了成本。因此，用易容塞回路代替火焰探测器在成本上具有明显优势。目前，国内采油平台均使用的是火焰探测器，从其应用情况看，虽然其功能基本有效的预防了火灾对生产及人身安全事故的发生，但仍然存在误报情况，这显然是一种安全隐患。

另外从工程成本考虑，因国内该类产品的技术水平无法满足在海洋采油平台应用的要求，所以火焰探测器均是进口产品，其价格虚高增加了工程成本。为了提高火灾探测的准确性和降低工程成本，需要国内海洋石油工程仪表控制行业不断学习国内外先进技术，尽快解决上述问题。本文对易容塞回路代替火焰探头进行了分析，在国内是对海洋采油平台火灾探测技术的一种创新，希望能在国内海洋采油平台工程设计中得到试验。

参考文献：

[1]潘晓冬.紫外成像技术对发现电力设备绝缘缺陷的应用.中国新技术新产品，2014，（24）：22-29。

[2]邓增利。可视火焰探测系统的应用分析，内蒙古石油化工，2014，（5）：33.