李 红，白 宁

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

海上平台石油生产过程中，火灾探测与消防控制系统是平台中央控制系统的重要组成部分。对初期火灾进行有效的探测、报警和启动消防保护，是火焰探测与消防控制系统的主要任务。火焰探测器是自动检测火焰的设备，它关系到系统能否尽早检测出火情。只有在火灾发生的初期，及时探测到火情，并由操作人员或自动逻辑启动消防保护和采取人员撤离等措施，才能避免火灾蔓延、爆炸等灾难性的严重后果。

由于海洋石油平台生产危险性高，场所密集布置，人员逃生难度大等特点，火焰探测器的选择、布置和火焰探测系统的设计对平台的人员和生产安全至关重要。

海洋石油平台使用的火焰探测器归纳起来大致有两种。其中，一种是辐射式探测器。此类探测器是视线类装置，收集探测区域的热辐射，并把区域内的热辐射累加起来，分析其光照强度及火焰的闪烁频率，判断是否发生火灾[1]。因为辐射能是以光速传播的，所以此类探测器有快速动作的能力。根据对探测火灾辐射能的波长的不同，可以分为紫外线探测器、单频红外线探测器、紫外/红外探测器和多频红外等类型探测器[1]。另外一种探测器则是一种可视的火焰探测器，依靠内部自带的CCTV摄像头采集的现场图像，通过图像软件分析来判定其监控的现场区域是否存在火灾。

紫外（UV）型感应探测器总体上来讲是一种不错的火焰探测器。基本上，所有的火灾都会放射出紫外线。紫外探测器对在紫外线区内，即波长趋于4000 Å的不可见的辐射能可做出反应。通常情况下，对波长在约1800 Å~2500 Å范围内的紫外线做出反应。然而，众所周知，它对电焊所产生的电火花，X射线以及闪电很敏感，容易产生误报警。由气体压缩机或者柴油机等的润滑油所产生的碳氢化合物会污染探测器的窗口，可能导致探测器失效，甚至溶解于大气的少量碳氢化合物也会影响探测器的反应。

为了解决以上问题，红外（IR）型感应探测器出现了。红外探测器利用一个带有滤镜和透镜系统的光电池或光电敏电阻作为感应元件，对于波长高于7700 Å的不可见的辐射能做出反应。同紫外线探测器相同，红外线探测器也是快速动作型的探测器。红外探测器可探测到1Hz～10Hz频率范围内的火焰闪烁和4.1μm～4.6μm范围内的波长。红外探测器解决了很多与紫外探测器相关的误报警问题并且不受碳氢化合物的影响，但是黑体射线又成为了新的误报警源。红外探测器最大的问题在于用二氧化碳（CO2）热辐射来判定火灾，导致探测器几乎只对碳氢化合物火灾敏感。

紫外/红外（UV&IR）型双感应探测器在报警前通常需要两种传感器做出反应，这就使它避免了单独使用红外或紫外传感器误报警的影响（如太阳光、电焊光以及其他强光产生的误报警）。然而需要注意的是，这种探测器不是只结合以上两种探测器的优点，它们的缺点也同样被继承下来。这种探测器只能监测到碳氢化合物火焰，同时水汽、结冰、油膜及其空气溶解物会导致探测器失效，导致不能及时发现危险情况。

多频红外探测器的出现解决了以上提到的很多问题，它增加了4.4μm红外传感器在降低误报警的同时，提高了探测器的灵敏度。从传感器传出的信号是与两个或者3个光波相关联的。然而，这项技术在减少误报警方面并没有什么大的进展，只是增加了灵敏度。对于压缩机产生的CO2热辐射的漫反射，甚至电焊产生的电弧都会有反应。尽管热发动机产生的黑体射线不会引起探测器的误报警，但黑体射线对传感器有影响，有可能降低探测器的敏感度甚至失灵，海面反射的太阳光对探测器也有相似的影响。

CCTV型火焰探测器通过与人的眼睛大小感光类似的摄像头获取现场图像，并对图像进行处理分析，判断是否发生火情，基本避免了以上几种探测器的缺点，如焊接、摩擦、热辐射（如压缩机等发出的余热)以及闪电现象引起的误报警。同样，CCTV火焰探测器也存在缺点，那就是对于“看不见”的火焰，如纯氢气火焰和纯甲醇火焰，存在一定的盲区[2]。

针对各类火焰探测器的误报警与污染物及遮挡等因素总结见表1。

表1 各类探测器的误报警和污染物影响Table 1 False alarms and pollutant effects of various detectors

目前，多频红外由于其高灵敏度是在海洋石油平台应用最广泛的火焰探测器，紫外探测器由于其较快的响应速度，在发电机罩壳内等场所应用较多。而CCTV火焰探测器作为新发展的火焰探测技术，由于其在避免误报警与能提供现场图像等方面的优势，在海洋石油平台近年也得到越来越多的应用。

CCTV可视火焰探测器是一种组合型的火焰探测器以及监测系统。探测技术利用摄像机监控现场环境，并通过对所得视频的处理和分析实现对火灾的探测[3]。CCTV摄像头拍摄到类似着火的视频图像，通过经验证的火焰检测算法和数字信号处理，处理实时视频图像，从视觉上检测火焰的特性，区分哪些是真正的火灾情形以及哪些是容易引起误报警的其它光源。

2.1 CCTV火焰探测器的特点

2.1.1 避免和区分

CCTV可视火焰探测器能够避免一些经常容易引起误报警的干扰源，如焊接、摩擦热、热辐射（如压缩机等发出的余热）以及闪电现象。

2.1.2 实时图像

当CCTV火焰探测器探测到设定范围的火焰报警时，将在监视器中自动弹出火警区域的实时动态画面，操作员在中控室内就可以了解现场火灾的情况，并及时采取相应的措施，不仅提高了效率，缩短操作员的事故反应时间，而且降低了操作员出现在危险场所的概率。发生火焰的实时图像还可以设定为自动记录，为将来分析火灾发生的原因提供帮助。CCTV火焰探测器可以当作结合CCTV功能的火焰探测器，也可以仅仅把它当作一个CCTV监视系统。

2.1.3 环境适应性

CCTV火焰探测器适用于各种极端条件下的自然环境，同样适用于海洋环境。对于海洋环境下的冷凝结冰等情况，CCTV探测器安装有智能加热元件，由摄像机镜头上方的温度传感器控制，防止光学元件上结冰和被雪遮挡。

图1 CCTV火焰探头探测范围图[4]Fig.1 Detection range of CCTV flame probe[4]

2.2 CCTV火焰探测器探测范围

CCTV火焰探测器可以在40m（有的已经达到60m）90°角的范围内灵敏地探测到10kW的热辐射，并且灵敏度可以设定调整，精确度范围在10kW～50kW之间。该技术与传统辐射类检测器之间的区别在于，在离轴45°时，灵敏度不会降低50%，但仍保持在轴上灵敏度的100%。这将使每个点的覆盖率提高了20%，这意味着探测器数量减少。CCTV火焰探测器可以通过减小探测的视角范围，以增加探测距离。这就像在标准摄像机上使用长焦镜头一样，在100m处可以检测到10kW的火灾。

2.3 火焰视频及报警信号接口

CCTV火焰探测器提供多种信号接口，包括常规0mA～20mA电流信号、报警干触点信号、RS485通讯信号、视频信号等，如图2。

图2 CCTV火焰探头接口连接图[5]Fig.2 Connection diagram of CCTV flame probe interface[5]

2.4 系统的配置

CCTV火焰探测系统的系统构成一般是设备采用单独控制柜安装，不论是硬件上还是软件上，都相对于其他系统相对独立，以此来保证系统结构简单，避免影响中央控制系统的正常运行[6]。

CCTV火焰探测器可以“独立”工作，也可以把它连接到控制系统中去，并且可以在报警情况下，“看见”火灾的变化情况。把这个探头当作一个结合CCTV功能的火焰探测器，也可以仅仅把它当作一个CCTV监测系统（取消它的火焰探测功能）。

图3 某项目CCTV火焰探测系统配置图Fig.3 Configuration diagram of CCTV flame detection system in a project

CCTV火焰探测器近年研发出来后，尽管在国外BP的平台上有应用的经验，但在国内海洋平台还是首次应用。在南海某气田项目中，通过充分了解论证后，确定了采用CCTV火焰探测系统的方案。

在探头布置方面，根据区域危险性和设备分级进行初步布置后，通过覆盖分析软件进行模拟分析，确定现布置方案下探测区域的覆盖率，然后通过调整探测器的数量、位置、高度和探测角度等，达到相对合理的探测器覆盖效果。

南海某气田项目CCTV火焰探测系统的系统配置如图3。CCTV火焰探测器需要接入24V直流电源，通讯RS485，VIDEO电缆，以及4mA～20mA信号。

一个MASTER HUB下面有若干个SLAVE HUB，一个PRIMARY VSW下面有若干个子VSW。VIDEO信号接入VSW，RS485信号接入HUB，经过HUB与VSW的集成卡件的转换，输出信号到监控计算机（CONTROL PC）。其中，RS485通讯信号在进入CONTROL PC之前，还要经过232/485转换器。CCTV火焰探测器输出的4mA～20mA信号接入中央控制系统的火气系统中进行报警和关停及消防联锁等动作。同时输出视频信号到中控室的监视器，而且与中控系统有RS485接口，可以在中控室中修改CCTV型探测器的参数。考虑到视频信号占用较大网络带宽，为避免对控制系统信号的传输造成干扰，因此视频信号没有接入中控系统网络，CCTV火焰探测视频信号采用了一台专用的显示设备。

探测系统（包括火焰探头、图像接口卡件、监视器等）由火焰探测系统厂家供货，在现场只需进行电缆连接，探头定位和现场调试。

整个调试的过程方便易行，查找问题简单快捷。由于探头本身自带摄像头，在发现探头故障时可以先通过视频初步判断问题后，再去现场解决。在南海某气田平台的应用中验证发现，CCTV火焰探测器避免了以往经常遇到的电焊施工误报警和海面反射的太阳光，以及设备表面反射的光线等造成的误报警。

目前，南海某气田平台的CCTV型火焰探测系统处于正常平稳运行阶段，应用效果较好。同时在海洋油气陆上处理终端、LNG、渤海油气平台等项目中均陆续采用。由于CCTV型火焰探测系统结合了火焰探测和视频监控的功能，能在发生火灾的第一时间将现场视频图像传输到中控系统进行报警，相当于把操作员的视野直接扩展到了现场，使操作员可以通过视频第一时间了解现场情况，并及时启动相关的消防措施，保证把初期火灾控制在较小影响，较大提高了整个平台设施的安全性。随着技术的发展和成本的下降，CCTV火焰探测系统必将在海上生产设施上有更广阔的应用空间。

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