狭长空间光纤测温火灾监控系统设计

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

大中型船舶存在较多空间低矮狭长、内部结构复杂且密集布置了大量电缆等设备的场所，如电缆管井、电缆夹层以及其他特殊的场所，有的是封闭空间，有的是半封闭空间，环境条件复杂，外部的流淌火可能诱发空间内可燃物发生火灾；由于电缆密集布置，间距很小，电缆主要靠绝缘材料绝缘，电缆的绝缘材料、填充物及覆盖层为橡胶、塑料等，很容易过热被引燃；由于外因造成电缆保护层损伤及电缆绝缘层击穿等易产生电弧，导致绝缘层和填料层起火，极易发生电缆火灾[1-4]。该类型火灾初期多为阴燃，如通风条件不好，电缆管井、电缆夹层等特殊场所内热量不断集聚，空间的温度提升很快，将较早出现剧烈燃烧现象。由于空间结构复杂、空间狭小，内部能见度几乎为零，使得火灾的扑救变得较为困难。对于船舶狭长空间场所火灾的初期识别和精确定位，以及采取相应的消防措施，对保证消防安全尤为重要[5-6]。针对船舶狭长空间火灾的特点，介绍光纤测温在火灾监控系统设计中的应用。

1 火灾探测手段选型

由于船舶狭长特殊空间有的属于半封闭空间，与外界大气直接相通，烟雾扩散易受环境因素影响，不宜采用烟雾探测手段；主动吸气式探测器对环境清洁度要求较高，在海洋湿热等环境中耐用性比较差；狭长空间内局部可能存在阳光干扰，火焰探测器也可能受到一定的影响，对早期阴燃情况下的探测响应慢。针对船舶狭小空间火灾，火灾发生部位及附近空间一定会伴随明显的温度变化，采用监测温度及温度变化率的手段进行火灾探测，可及时探测危险、保障安全。

常用的温度探测方式有点式热电偶、点式热电阻、感温电缆、线型光纤感温等。对于船舶狭长空间的温度探测，点式热电偶和点式热电阻需要配置的数量很多，易受电磁场环境干扰出现误报。感温电缆火灾探测手段，报警时无法定点定位，误报率高，易老化、使用寿命短等缺点[7-9]。线型光纤感温探测手段具有抗电磁干扰强、响应速度快、测量距离远、可靠性高、抗腐蚀等特点，适用于船舶狭长空间环境下的火灾探测。

2 线型光纤感温探测应用现状

线型光纤感温探测是依据光纤的散射效应、光频域反射(OFDR)及光时域反射(OTDR)等光学机理的温度探测技术，光纤中注入一定功率和宽度的激光脉冲，利用光纤作为传感敏感元件和传输信号介质，将携温信号的背向反斯托克斯光强与参比光对比，实现对整条传感光纤中不同位置上的火灾温度探测报警[10-12]。工业应用中，线型光纤感温探测技术经过十几年的研究、应用和发展，现已在国内外的公路隧道、轨道交通、电厂、石油化工等场合广泛应用，技术成熟可靠。

针对线型感温探测器技术的发展及产品应用，国家标准委于2005年批准发布了GB 16280-2005《线型感温火灾探测器》，2007年批准发布了GB/T 21197-2007《线型光纤感温火灾探测器》。随着技术的发展和产品的更新换代，线型感温火灾探测器产品在探测方式、产品形式、应用特点、报警定位等方面都发生了变化，2014年，国家标准委批准发布了GB 16280-2014《线型感温火灾探测器》，取代原有标准。

3 线型光纤感温探测典型指标

衡量线型光纤感温探测器性能的主要技术指标包括温度变化时的响应时间、测温精度、温度分辨率、定位精度、报警单元长度(空间分辨率)等。报警单元长度是保证测温精度的最小单元长度，是定位精度的重要保证。目前典型线型光纤感温探测器主要技术参数见表1。报警单元长度(空间分辨率)在0.5～3 m范围内。

表1 典型线型光纤感温探测器主要技术指标

4 光纤感温火灾监控系统设计

4.1 系统功能要求

针对某船舶狭长空间场所的火灾探测要求，监控系统应具有以下主要功能。

1)监测功能。实时监测与处理被监控空间内各个位置处的温度、温度变化率及相应的气体灭火装置等的运行状态信息。

2)报警功能。对被监控区域的温度异常、火灾信号等进行声光报警；对线型光纤感温探测器等监控设备的异常状态进行声光报警；在气体灭火装置投入工作时进行声、光报警；对气体灭火装置等的异常状态进行声、光报警。

3)控制功能。当发生火灾时，通过遥控启动气体灭火装置、通风排烟装置等。

4)显示功能。对被监控区域内对应的线型光纤感温探测器状态信息以及相应气体灭火装置等的运行状态信息进行集中显示。

5)信息记录功能。记录并存储线型光纤感温探测器的状态信息以及对应消防设备的运行状态信息。

4.2 硬件设备组成

火灾监控设备主要由安全监控箱、线型光纤感温火灾探测器等组成，其中线型光纤感温火灾探测器由信息处理器、接线盒、感温光缆等组成。

1)安全监控箱。安全监控箱硬件主要由箱体结构、计算机、液晶显示器、电源模块、综合报警指示灯、遥控按钮等组成。软件以实时数据库为核心，包括主程序模块、火灾识别模块、报警处理模块、信息查询模块、界面信息显示模块、以太网数据收发模块、I/O数据输入输出模块等组成。

2)信息处理器。信息处理器主要由箱体、激光器、光学模块、信息处理模块、双冗余以太网模块等组成。软件主要由光纤熔接检测模块、故障检测模块、激光器驱动模块、温度信息解析模块、以太网通信模块、显示控制模块等组成。

3)感温光缆。感温光缆主要由光纤、铠装金属外护套组成。

4.3 系统原理

火灾监控系统原理见图1。

图1 火灾监控设备原理

1)感温光缆作为传感介质，处于被监控的狭长空间内，为提高探测的可靠性、准确性和保证火灾监测的空间全覆盖，沿着空间方向布置2根或以上感温光缆，假如每个空间感温光缆总长度为1 000 m，按空间分辨率2 m来计算，相当于布置了500个点式感温探测器。

2)信息处理器将激光发射耦合进入感温光缆，从光纤背向散射光中的拉曼散射光分离出反斯托克斯光和斯托克斯光，反斯托克斯光与斯托克斯光光电转换采集后，进行数据处理得到温度值、位置和状态信息。为提高系统可靠性，每台信息处理器配置多个光缆通道，分别连接在同一空间的2根或多根感温光缆，各通道依次工作、相互隔离、功能上互为备份。信息处理器通过以太网接口与安全监控箱进行通信，将采集的感温光缆上每一段报警单元长度的温度值、位置和状态等信息实时上传给安全监控箱。

3)安全监控箱通过以太网从各信息处理器获取对应区域感温光缆上每段报警单元的温度值、位置和状态等信息，进行处理后通过综合信息显示屏以光纤布置模拟图的形式显示被监控区域的温度信息，以列表形式显示相关消防设备和通风系统运行状态信息。

安全报警分为两个等级，通过对监测到的温度数据信息融合分析判定，当监测区域温度指标达到预警报警阈值时，发出预警报警信号；当监测区域温度指标达到火灾报警阈值时，发出火灾报警信号。当发生火灾时，通过安全监控箱能够遥控启动气体灭火装置和通风排烟系统。

4.4 系统技术特点

采用光纤测温探测技术的火灾监控系统除了精度高、分辨率高、精确定位、响应迅速等之外，针对船舶狭小、复杂环境场所还有如下特点。

1)良好的环境适应性。船舶狭小空间内使用环境较差、电磁环境复杂，需要考虑盐雾、霉菌等海洋环境条件，感温光纤具有耐腐蚀、抗电磁干扰、抗振动、本质安全、阻燃、防爆，适应性强，使用寿命长，能在各种恶劣环境中长期正常工作。

2)良好的船舶适装性。光纤测温系统的传感器只需要1根或几根感温光纤，布线非常简单，可以随船舶电缆并行敷设，不需要额外固定安装传感器，在狭小空间内优势更为明显。

3)良好的系统经济性。对于狭长空间，为了提高感温的位置精度，需要布设较多的传统温度传感器，如1 km距离上间隔2 m布设，需要约500个传感器，而光纤测温仅需要1根或2根感温光缆，经济性较好，同时随着距离的增加，成本进一步降低。

4)良好的使用可靠性。为保证火灾监控系统的可靠性，采用在同一空间并行布设2根感温电缆，相互隔离、功能上互为备份，可以大幅提高可靠性；对两根感温电缆的传感数据进行融合分析，可以提高火灾判别的准确性和系统使用的灵活性。

5 结论

考虑到在大中型船舶低矮狭长、电缆密布、环境复杂的特殊空间内，极易发生火灾且初期难以发现、扑救较为困难的现状和特点，针对性地分析了各种火灾探测手段的适用性；结合线型光纤感温探测技术，设计了船舶狭长空间内集火灾探测、监控、报警、消防一体的火灾监控系统，并分析该系统在环境适应性、船舶适装性、系统经济性、使用可靠性等方面的技术特点。该火灾监控系统对于狭长空间场所火灾的初期识别和精确定位具有重要作用。