危险化学品的危害和其检测第五章

第五章 火灾自动报警系统第一节 火灾自动报警系统概述一、危险化学品场所设置火灾自动报警系统的意义危险品场所消防工作防范于未然非常重要的，但是及时发现火情有效灭火和处理也是很必要的，火灾自动报警系统就是为此目的而设置的。一般可燃化学品发生火灾，蔓延速度非常之快，在极短的时间内由小变大，易被发现，火灾报警似忽意义不大。但是也有例外，对于无人值班的可燃化学品场所；长距离分散生产或使用可燃化学品的场所；有自燃特性的危险品场所；以及其他无人看管易发生火灾的场所等，都有必要设置火灾自动报警系统。实践证明，火灾自动报警系统是消防工作的重要工具。二、火灾自动报警系统的组成基本的火灾自动报警系统的组成如图5-1所示：火灾报警控制器火灾报警装置火灾探测器消防联动装置手动报警按钮电 源图 5-1 火灾自动报警单元系统一个单元火灾自动报警系统，可以设置多点火灾探测器和手动报警按钮，为系统的输入端。火灾探测器自动监测火情，并输送火情信号到火灾报警控制器，手动报警按钮用于手动触发报警。火灾报警控制器接收火灾探测器（或手动按钮）的信号后，给出指令，使火灾报警装置发出声光报警，同时指示出火灾报警的地址。消防联动装置包括自动灭火设备，电话网络，广播网络和联锁控制设备等的接口装置，根据现场情况而设定。火灾自动报警单元系统可单独设置，也可以由几个单元系统与中心控制器联网，构成中心火灾自动报警系统。三、火灾自动报警系统设计的基本要求1、火灾自动报警系统的设计，必须遵循国家消防法规，针对保护对象的特点，做到安全适用、技术先进、经济合理。火灾自动报警系统的设计严格执行国家标准GB50116-98火灾自动报警系统设计规范。2、火灾自动报警系统要与可燃危险品场所的消防作战方案密切结合，根据其要求和相关规范的规定，进行设计。3、消防联动装置启动消防和联锁控制设备，要求有手动和自动两种功能，并可任意设定。在自动状态下，火灾报警时，联动装置的启动应有一定的延时时间，以使操作人员判断，避免火警误报。4、火灾自动报警系统的部件，要选择符合国家质量要求的产品。5、报警区域内每个防火分区至少设置一个手动火灾报警按钮，且从一个防火分区里的任何位置至最近一个手动报警按钮的距离不应大于30m，并应设置在明显和便于操作的位置。手动报警按钮距地面1.31.5m。6、火灾探测器的选型和安装地点，要考虑现场可能着火点的位置和火灾特点，有利于快速报警，如果在室外安装，还要考虑风向，不要因为刮风影响报警。第二节 火灾探测器一、概述火灾探测器是火灾自动报警系统的基础部件，它的性能决定了系统的优劣，而系统的其他部分，虽然也很重要，但都是一般电子设备，属于配套设备，这里不做介绍。根据不同的火灾燃烧现象研制的火灾探测器，有以下五类：（1）感烟火灾探测器，包括了离子感烟探测器和光电感烟探测器；（2）感温火灾探测器，包括定温和差温式探测器；（3）气体火灾探测器，根据燃烧产生气体的不同，而有不同的探测器；（4）感光火灾探测器，包括红外线式探测器和紫外线式探测器。（5）复合式火灾探测器，例如感烟、感温和气体三合一式探测器，在国外已有产品。从物质燃烧的基本概念出发，选择合适的火灾探测器来探测火灾的发生，是一个非常重要的课题。因为任何一种探测器都不是万能的，而有一定的环境适应性，也就是有一定的使用局限性。要想有效地发挥各种火灾探测器的作用，就要掌握各种火灾探测器的探测原理，以及它的适用场所，才能真正发挥其作用。在火灾自动报警系统中，对于火灾探测器的选择，应考虑火灾初期物质的着火性和可燃性，因为这两个因素将决定火灾的初期情况。通过实验和火灾案例的分析，火灾一般是在一个有限区域里开始蔓延，它要受许多因素的影响：如可燃物的类别，可燃物的着火性，可燃物的分布，火灾荷载，着火区域条件，新鲜空气的供给和形成的温度等。二、感烟火灾探测器1、离子感烟式火灾探测器感烟式火灾探测器是目前世界上应用较普遍、数量较多的探测器。据了解，感烟式火灾探测器可以探测70以上的火灾。而感烟探测器目前应较广泛的又属离子感烟式火灾探测器。因此，我们首先介绍离子感烟式火灾探测器的原理。离子感烟式火灾探测器利用了放射性同位素放出的射线的电离作用。放射性同位素在火灾探测方面的应用，是原子能和平利用的一个重要方面，它也是近几十年才发展起来的一项新技术。射线是一种带正电的粒子流，也就是氦原子核流，带两个单位正电量；穿透能力很小，一张纸便可以将它挡住，但电离能力很大，在穿过空气时能使空气变为导电体。（1）基本原理：离子感烟火灾探测器利用两片放射性物质镅（241Am）源构成两个电离室（检测电离室和补偿电离室）及场效应晶体管（FET）等电子元器件组成电子线路，把物质初期燃烧所产生的烟雾信号转换成直流电压信号，通过导线传输给报警控制器，发出声光报警信号。电离电流是怎样形成的呢？如图5-2所示，P1和P2是一相对的电极。在电极之间放有放射源241Am，由于它持续不断地放射出射线，粒子以高速运动，撞击空气分子，从而使极板间空气分子电离为正离子和负离子（电子），这样电极之间原来不导电的空气具有了导电性，实现这个过程的装置我们称它为电离电室。如果在极板间P1和P2加上一个电压E，极板间原来作杂乱无章运动的正负离子，此时在电场的作用下，正负离子作有规则的运动。正离子向负极运动，负离子向正极运动，从而形成了电离电流I3。施加的电压E愈高，则电离电流I3愈大。当电流增加到一定值时，外加电压再增高，电离电流也不会增加，此电流称为饱和电流I3，如图5-3所示。图5-2 电离电流形成示意图 图5-3 电离电流和电压的关系电离室又可分为双极性和单极性两种。整个电离室全部被射线所照射，电离室内的空气都被电离，我们把这种电离室称为双极性电离室。所谓单极性电离室，是指电离室局部被射线所照射，使一部分形成电离区，而未被射线所照射的部分则为非电离区。这样在同一个电离室内分为两个性质不同区域。如图5-4所示。我们把这个非电离区称为主探测区。一般离子感烟探测器的电离室均设计成单极性的，因为发生火灾烟雾进入电离室后，单极性电离室要比双极性的电离电流变化大，也就是说可以得到较大的电压变化量，从而可以提高离子感烟探测器的灵敏度。在实际的离子感烟探测器设计中，是将两个单极性电离室串联起来，一个用为检测电离室（也叫外电离室），结构上做成烟雾容易进入的型式；另一个作为补偿电离室（也叫内电离室），做成烟粒子很难进入的结构型式。电离室采用这种串联的方式，主要是为了减少环境温度、湿度、气压等自然条件的变化对电离电流的影响，提高离子感烟探测器的环境适应能力和稳定性。如图5-5所示。图5-4 单极性电离室示意图 图5-5 检测电离室和补偿电离室示意图当有火灾发生时，烟雾粒子进入检测电离室后，被电离的部分正离子和负离子吸附到烟雾离子上去。因此离子在电场中运动速度比原来降低，而且在运动过程中正离子和负离子互相中和的几率增加。这样就使到达电极的有效离子数更少了；另一方面，由于烟粒子的作用，射线被阻挡，电离能力降低了很多，电离室内产生的正负离子数就少。这些微观的变化反映在宏观上，就是由于烟雾粒子进检测电 图5-6 检测电离室和补偿离室后，电离电流减少，相当于检测电离室的空气 电离室电压一电流特性曲线等效阻抗增加，因而引起施加在两个电离室两端分压比的变化。这从图5-6检测电离室和补偿电离室的电压一电流变化特性曲线可以清楚地看出，电压、电流的变化与燃烧生成物的关系。从图5-6曲线看出，在正常情况下，探测器两端的外加电压V0等于补偿电压V1与检测室电压V2之和，即V0= V1+ V2。当有火灾发生时，烟雾进入检测室后，电离电流从正常的I1减少到I1也就是相当于检测室的阻抗增加，此时，检测室两端的电压从V2增加到V2，V= V2V2。由于检测室与补偿室分压比的变化，即检测室的电压增加了一个V，当该增量增加到一定值时，开关控制电路动作，发出报警信号。并通过导线将此报警信号传给报警控制器，实现了火灾报警的目的。（2）原理方框图：离子感烟探测器的原理方框图如图5-7。它由检测电离室和补偿电离室、信号放大回路、开关转换回路、火灾模拟检查回路、故障自动监测回路、确认灯回路等组成。信号放大回路是在检测电离室进入烟雾以后，电压信号达到规定值以上时开始动作，通过同输入阻抗的MOS型场效应晶体管（PET）作为阻抗耦合后进行放大。开关转换回路是用经过放大后的信号触发正反馈开关电路，将火灾信号传输给报警控制器。正反馈开关电路一经触发导通，就能自保持，起到记忆的作用。为了防止探测器至报警器间发生电路断线，或者探测器安装接触不良，探测器被取走等问题发生，故障自动监测回路能及时发出故障报警信号，以便及时检查维修。图5-7 离子感烟探测器方框原理图离子感烟探测器的电路，是由许多电子元件组成的，电子元器件的损坏，将会导致探测器误报警或者不报警，为了及时检查电子元器件是否损坏，可以通过火灾模拟检查回路加入火灾模拟信号，即可及时发现问题，进行维护保养，提高探测器的可靠性。2、光电式感烟探测器（1）基本原理：目前世界各国生产的典型光电感烟火灾探测器多为散射方式。此种探测器的检测室内装有发光元件和受光元件。在正常情况下，受光元件是接受不到发光元件发出的光的，因此不产生电光电流。在火灾发生时，当烟雾进入探测器的检测室时，由烟粒子的作用，使发光元件发射的光产生漫射，这种漫射光被受光元件所接受，使受光元件阻抗发生变化，产生光电流。从而实现了将烟信号转成电信号的功能，探测器发出报警信号。其工作原理如图5-8所示。图5-8 散射光式光电感烟 图5-9 受光件阻抗探测器原理示意图 随烟浓度变化曲线作为发光元件，目前大多数采用大电流发光效率的红外发光二极管；受光元件大多数采用半导体硅光电池。受光元件的阻抗是随烟雾的增加而下降的。变化曲线如图5-9所示。烟浓度以减光率表示，单位是/m，即每米内光减少的百分数。（2）原理方框图：光电感烟式火灾探测器的方框原理如图5-10所示。它是由发光元件、受光元件和遮光体组成的检测室、检测电路、振荡电路、信号放大电路、抗干扰电路、记忆电路、与门开关电路、确认电路、扩展电路、输出（入）电路和稳压电路等组成。图5-10 光电感烟式火灾探测器方框原理图光电感烟探测器是利用一套光学系统作为传感器的。而光学器件是有一定寿命的，为了延长光学器件的寿命，特别是发光元件的寿命，一般不采用直流方案，而采用交流方案，即使发光元件发光时间缩短，间歇时间增长，同时又不影响探测器工作，振荡电路就是为此而设置的。发光元件串接于振荡电路中，当电路起振时，发光元件发出周期性的脉冲光束。一般脉冲宽度在100ms左右，脉冲幅度可根据需要进行调整；而脉冲间隔时间一般在5s左右，这样就可使发光元件的有效工作时间大大增加。信号放大电路是在检测室进烟以后，发光元件发出的平行光束发生散射，使受光元件接受到光，阻抗降低，光电流增加，信号经放大后送出。抗干扰电路是为了保证受光元件长期、稳定、可靠地工作，不受其他光（非火灾信号）的干扰。放大器作为一个独立单元，全部装在一个屏蔽盒内，避免了各种干扰因素的干扰，提高了探测器的可靠性。当探测器发出火灾报警信号以后，要求此信号能长期保持，即使是烟雾浓度降低或消失，火警信号也不能自动消失，记忆电路就起这种作用。当火灾发生的时间、地点确认以后，认为火警信号不必存在时，可由人工复原，将火警信号消除。记忆电路对火灾探测器是一个重要电路单元，是不能忽视的，规范上也有明确要求。为了提高探测器的可靠性，更有效探测火灾，减少误报警，设置与门电路是非常必要的。振荡电路不仅为发光元件提供电源，同时也周期性地为开关电路提供信号。但是，在正常监视状态下，受光元件接收不到光，因此无信号输出，与门开关电路处于截止状态，探测器也就无火警信号输出。当探测器检测室内进入烟后。由于烟颗粒的作用，使发光元件发出的平行光束发生散射，此时受光件接收到一定的光量，因此有信号输出，此信号与振荡器送来的周期脉冲信号复合后，开关电路导通，探测器发出火警信号。为了在现场判明探测器是否动作，现代的火灾探测器上均设置确认电路。即当探测器工作以后，确认电路工作，点燃确认灯，在现场即可清楚地看到发光的灯光，表明探测器工作，不需到报警器上去查看，同时也给调试开通整个系统带来方便。为了判明探测器工作是否正常，在探测器电路设计上需设置模拟火灾信号检查电路。大家知道，作为火灾自动报警系统，探测器的数量是很大的，探测器的好坏，直接影响着整个系统的正常运行。可见，对探测器应随时掌握它的工作是否正常。可是，对每个探测器进行加烟试验，工作量特别大，劳动强度也大，也不太可能，因此就必须从电路设计上想办法，能够远距离加电信号上去，使其相当于火灾信号，这样就大大节约了时间，减轻了劳动强度，一旦发现问题，就可以进行维修。这样不仅可以提高探测器的可靠性，同时也可以保证整个系统的正常运行。这个办法非常巧妙而且又简单易行。三、感温火灾探测器1、点型定温式火灾探测器当环境温度达到某一温度值时，即动作。其结构原理图如图5-11所示。 图5-11 点型定温式火灾探测器（1）利用金属片的弯曲变形，达到温度报警的目的。它是利用两种膨胀系数不同的金属片制成。当金属片受热时，膨胀系数大的金属就要向膨胀系数小的金属方向弯曲，如图5-11（a）虚线所示，使接点闭合，将信号输出。（2）利用双金属的反转。所转方式如图5-11（b）所示。双金属的圆盘像虚线那样反转使接点闭合。（3）利用金属膨胀系数的不同，如图5-11（c）所示，用膨胀系数大的金属外筒和膨胀系数小的内部金属板组合而成，根据其膨胀系数的差使接点闭合。（4）电子定温探测器：电子定温探测器采用特制半导体热敏电阻作为传感器件，具有技术先进、结构简单、可靠性高等优点，可以和离子感烟器配合使用，以满足不同使用对象和场所的需要。常见的JTW-DZ-262/062电子定温探测器原理如图5-12所示。图5-12 JTW-DZ-262/062电子定温探测器原理框图1热敏电阻CTR；2采样电阻；3阀值电路；4双稳态电路它采用临界热敏电阻CTR（Rt）作为传感器件，这种热敏电阻在室温下具有极高的阻值，可以达到1M以上，随着温度的升高，阻值会缓慢下降，当达到设定的温度点时，临界电阻值会迅速减至几十欧姆，使得信号电流迅速增大，探测器给出报警信号。2、点型差温式火灾探测器图5-13是一种膜盒式点型差温探测器。当环境温度达到规定的升温速率以上时动作。它是根据局部热效应而动作。这种探测器主要由感热室、膜片、泄漏孔及接点等构成。当有火灾时，感热室内的空气随着周围温度的急剧上升而迅速膨胀，膜片受压使接点闭合，发出报警信号。如果环境温度缓慢变化时，由于泄漏孔的作用，空气室内的气体被泄漏，膜片保持不变，接点不会闭合。3、点型差定温式火灾探测器膜盒式差定温探测器综合了差温式和定温式两种作用原理。其结构原理如图5-14。图5-13 膜盒点型差温探测器图 图5-14 点型差温火灾探测器近期应用较普遍的还有电子差定温探测器。电子差定温探测器和电子定温探测器都满足GB4716-84规范要求的响应时间。区别在于差定温探测器对快升温响应更为灵敏，所以不宜安装在平时温度变化较大的场合，如厨房、锅炉房等，这种场合应使用定温探测器，但对于汽车库、小会议室等地方二者可等同使用。JTW-CDZ-262/061电子差定温探测器工作原理见图5-15。图5-15 差定温探测器原理框图1调整电阻；2参考电阻；3采样电阻；4阀值电路；5双稳态电路差定温式感温探测器采用2只NTC热敏电阻，其中取样电阻RM位于监视区域的空气环境中，参考电阻RR密封探测器内部，当外界温度缓慢地上升时，RM和RR均有响应，此时，探测器表现为定温特性。当外界温度急剧升高时，RM阻值迅速下降，而RR阻值变化缓慢，此时，探测器表现为差温特性，达到预定值时，探测器给出报警信号。四、火焰火灾探测器紫外线火灾探测器原理如下：探测器采用圆柱紫外光敏元件，探测器示意见图5-16所示。当它接收到18502450A的紫外线时，产生电离作用，紫外光敏管进行盖革放电，使光敏管的内电阻变小，因而导电电流增加，从而使电子开关导通，光敏管工作电压降低。当降低到着火电压以下时，光敏管停止放电，使导电电流减少，从而使电子开关断开，此时电源电压通过RC电路充电，又使光敏管的工作电压升高到着火电压以上，于是又重复上述过程。这样就产生了一串脉冲，脉冲的频率与紫外线强度成正比，同时还与电路参数有关。探测器电原理方框图见图5-17。图5-16 紫外线探测器示意图 图5-17 紫外线探测器原理图五、火灾探测器的选择1、根据火灾特点选择探测器（1）火灾初期有阴燃阶段，产生大量的烟和少量热，很小或没有火焰辐射，应选用感烟探测器。（2）火灾发展迅速，产生大量的热、烟和火焰辐射，可选用感烟探测器、感温控制器、火焰探测器或其组合。（3）火灾发展迅速，有强烈的火焰辐射和少量烟与热，应选用火焰探测器。（4）火灾形成特点不可预料，可进行模拟试验，根据试验结果选择探测器。（5）对使用、生产或聚集可燃气体或可燃液体蒸气的场所，应选择可燃气体探测器。2、根据安装场所环境特征选择探测器（1）相对湿度长期大于95，气流速度大于5m/s，有大量粉尘、水雾滞留，又能产生腐蚀性气体，在正常情况下有烟滞留，产生醇、醚类、酮类等有机物质的场所，不宜选用离子感烟探测器。（2）可能产生阴燃或者发生火灾不及时报警将造成重大损失的场所，不宜选用感温探测器；温度在0以下的场所，不宜选用定温探测器；正常情况下温度变化大的场所，不宜选用差温探测器。（3）有下列情形的场所，不宜选用火焰火灾探测器： 可能发生无焰火灾； 在火焰出现前有浓烟扩散； 探测器的镜头易被污染； 探测器的“视线”易被遮挡； 探测器易被阳光或其他光源直接或间接照射； 在正常情况下，有明火作业及X射线、弧光等影响。第三节 数字式测温线缆一、测温线缆和感温线缆的区别较早用于工业火灾检测报警的感温线缆，是由四根感温的合金导线组成桥路与感温报警器联接，如图5-18所示。感温线缆报警系统，由报警器设定报警温度。当现场温度达到设定温度时，即发出报警。图5-18 感温线缆报警系统感温线缆的缺点不能显示温度值，另外，如果线缆较长时，温度超限报警后不能确定温度超标位置。新型数字式测温线缆，解决了感温线缆的的缺点，它是在三芯电缆线上分散并接多只微型测温传感器，组成“一线总线”测温线缆，即能显示各点的温度值，又能确定其位置。测温线缆的温度检测报警系统如图5-19所示，模块和测温线缆安装在现场，每个模块可联接18根测温线缆，特别适合大范围多点温度检测报警。巡检报警仪安装在控制室，显示各各点温度，并实现超限报警。另外巡检报警仪为温度采集模块和测温传感器提供电源。图5-19 测温电缆检测报警系统测温线缆检测报警系统中，使用工业微机取代巡检报警仪，组成微机温度检测报警系统，可更加扩大检测范围，增加检测报警的相关功能。二、温度传感器及其测温线缆1、温度传感器测温线缆中的专用温度传感器（例如DS18B20），由半导体测温元件和数字电路组成的芯片，装在一个微型壳体内，是支持“一线总 图5-20 温度传感器线”接口的温度传感器，可以很方便地组建传感器网络，实现大范围多点温度检测报警，能够准确的提供检测温度和检测点地址，元件外型如图5-20所示。DS18B20型温度传感器的性能和特点： （1）体积小543mm（不算三个接线脚）； （2）测温范围-55+125；（3）测温精度（-10+85范围内）0.5；（4）无需外部元件，独特的一线接口，电源和信号复合在一起；（5）每个芯片唯一编码，支持网络寻址，零功耗等待。2、数字式测温线缆测温线缆的结构如图5-21所示，其中：图5-21 测温线缆示意图1 为测温传感器，其间隔一般为2m，也可按要求设定。2 为三根绝缘外层的导线，每根截面积为1mm2。3 为带有屏蔽层的外套，外皮材料要符合现场要求，同时要保证线缆能弯曲安装。三、温度采集模块以LTM8003型模块为例如图5-22所示，为双CPU技术增强型远程温度采集模块，保证了系统的高速信息交换和数据采集，提高了系统的可靠性，适合于多点数，大区域，多个模块组成的监控系统。另外，该模块使用符合GB12476.1-90及IEC61241-1-1防爆标准的外壳，可直接在防爆场可使用。LTM8003型温度采集模块性能特如下：（1）支持“一线总线”数字式测温传感器。（2）测温点数：1512点 图5-22 温度采集模块（3）测温范围：-55+125（4）测温精度：0.5（5）测温分辨率：912位（0.0625）（6）测温采集速度60点/S（7）支持测温线缆长度：200m（8）支持传感器三线连接方式（9）自动识别传感器数量，LD自动排程（10）模块与上位机采用RS485通讯，485通讯距离：1200m（11）一台上位机可带128个模块（12）波特率9600/19200/38400可以任意选择（13）提供DLL库及列程，支持多组态软件（14）电源要求12V/24V/48V(DV)/220V（AC）任选（15）尺寸：18012560mm