城市综合管廊火灾探测关键技术—智能光图火灾探测系统

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城市综合管廊是城市公用管线敷设集约化、综合化、廊道化发展的趋势。经过国内外百多年的探索、研究、改良和实践，地下综合管廊的建设技术已日臻成熟。

2015年以来我国陆续发布了《城市综合管廊工程技术规范》GB50838-2015和《城市地下综合管廊工程规划编制指引》等国家标准，从技术层面提出了包含排水及燃气管线在内的全部市政管线纳入综合管廊内的技术要求，对综合管廊的总体设计、管线设计、附属设施设计、结构设计、施工及验收以及维护管理做出了规定。

不过综合管廊消防系统的设计仍然存在一系列值得研究的问题，包括舱室的危险性等级、设计选型、设计方法等。对于实践中已经证实不合理的设计方法，则应该早作改进，例如不能适应管廊环境的设备是不应再被采用的，对于国家规范的理解需要建立在实际应用的基础上。

一.问题的提出

根据《城市综合管廊工程技术规范》GB50838-2015，第7.1.9条“干线综合管廊中容纳电力电缆的舱室，直线综合管廊中容纳6根及以上电力电缆的舱室应设置自动灭火系统；其他容纳电力电缆的舱室宜设置自动灭火系统”，第7.5.7条“干线、支线综合管廊含电力电缆的舱室应设置火灾自动报警系统，并应符合下列规定：1应在电力电缆表层设置线型感温火灾探测器，并应在舱室顶部设置线型光纤感温火灾探测器或感烟火灾探测器；……；5应符合现行国家标准《火灾自动报警系统设计规范》GB50116的有关规定”。《火灾自动报警系统设计规范》GB50116第4.1.6条“需要火灾自动报警系统联动控制的消防设备，其联动触发信号应采用两个独立的报警触发装置报警信号的“与”逻辑组合。”

经过近3~5年的建设和使用，综合管廊的火灾探测系统有部分问题越来越突出，主要体现在以下几方面：

城市综合管廊的环境问题。目前综合管廊内安装的电力电缆按GB50838的要求应为阻燃和不燃电缆。而敷设比较多的是交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套电力电缆，很难达到不燃要求。考虑到相关舱室为“内火为主，外火其次”的特性，目前比较多的设计是采用感烟探测器和线型感温火灾探测器，这个本身是合适的。不过很多设计简单地采用常规建筑内使用的点型感烟火灾探测器，由于管廊内的潮湿、凝露严重，出现探测器三四个月就失效的情况较多！也就是说地下综合管廊环境潮湿、凝露是典型环境，所选用的消防系统配套设备均应满足这种应用环境的需求。

城市综合管廊对火灾探测的实际需求问题。根据GB50838-2015的要求，电力舱需要设置自动灭火系统，目前超细干粉、气溶胶和细水雾灭火系统是可选的系统型式。鉴于细水雾灭火系统国家规范条文规定上的缘由，在综合管廊难以推行。而综合管廊特殊潮湿凝露的环境特点，使得气溶胶灭火系统并不合适使用。因此，目前超细干粉灭火系统是应用较多的一种形式，当然其便于安装也是一个原因。如果采用超细干粉灭火系统，其很重要的一个功能就是快速扑灭发生的电缆火焰。然而，超细干粉在应对深位火灾和复燃火灾方面又存在一定的问题，也就是说，电缆不起火焰而启动干粉，一旦真着火后干粉是起不到作用的。这就给火灾探测系统提出了一个要求，既能探测烟雾，又能探火焰，还能探温度，火焰是启动干粉灭火系统的合理条件。这样设置还有一个原因，就是线型感温探测器报警并不意味着出现火焰了。按照规范的设置方法，通常线型感温探测器是一种标配，可用于感温；如果再用两种探测器探烟、探火焰显然是不合适的。那么选择怎样合适的烟雾/火焰探测器就很重要！另外，由于往往会采用分区保护系统，一个防火分区划分多个灭火分区，所以探测系统还需要进行探测区域的自动识别，探测区域与灭火分区一一对应。

电力舱感温型探测器的设置问题。根据GB50116-2013第12.3.4条“线型感温火灾探测器应采用接触式的敷设方式对隧道内的所有的动力电缆进行探测；缆式线型感温火灾探测器应采用“S”形布置在每层电缆的上表面，线型光纤感温火灾探测器应采用一根感温光缆保护一根动力电缆的方式，并应沿动力电缆敷设”。目前很多设计并未按照这个要求进行，目前基本都是采用分布式光纤感温探测器，有的每层悬挂一根，有的在表面S型正弦波敷设，均不符合国家标准的要求。对于分布式光纤来讲，由于探测器对局部接触面的温升响应很弱，甚至难以响应，所以S型布设达不到预期目的。而从电力部门的角度而言，大型电力电缆本身内部一般会伴随有测温光纤，更不希望外部接触敷设探测器，实际上会带来其他的隐患和不安全因素。很显然，电力舱电力电缆最大的风险在于电缆接头，这是内火的主要源头，电缆接头的主要灾害问题是由于接头制作工艺或外部损伤造成绝缘性能降低，进而在大电流用电情况下发生闪络而击穿爆炸。从这一点看分布光纤每层悬挂设置和舱室顶部悬挂一根，两者的效能也差不了太多。即便是外部火源，两者的效能也是类似的。从既可靠探测又经济适用的角度看，本文建议采用电力舱悬挂一根，而针对电缆接头重点探测的结合方式，电缆接头探测可优先采用非接触式的红外热灾害探测仪。一组电力电缆接头使用一套红外热灾害探测仪。

二.解决城市综合管廊火灾探测问题的关键技术

城市综合管廊电力舱和内设电力电缆的综合舱，火灾探测的实际需要是烟雾、温度的探测以及火焰的探测和火灾定位。针对综合管廊的环境特点，除了采用分布光纤感温探测器进行感温型火灾探测外，最合适的就是采用智能光束复合图像火灾（烟雾/火焰）探测器（智能光图火灾探测器），该种探测器集成了红紫外双鉴式光束感烟探测器和图像型火灾探测器于一体，非常适合在恶劣场所使用。而结合了感烟、感火焰和火灾定位功能的探测器也只有这一种了。正在编制的国家规范《城镇综合管廊监控与报警系统工程技术规范》已将图像感烟探测系统写入了规范，深圳市地方标准《城市综合管廊消防系统工程技术规范》则更加明确了光束复合图像火灾探测系统的作用。

1.智能光束复合图像火灾（烟雾/火焰）探测器（智能光图火灾探测器）

1.1产品简介

BVID智能光图火灾探测器是双鉴式光束感烟探测器和图像型火灾探测器的深化整合，主要由图像探测单元和红紫外光束发射单元组成，如下图1.1所示。图像探测单元是一个标准的图像火灾探测器，可以实现空间烟雾和火焰的探测，同时实现红紫外双鉴光束的成像和分析实现双鉴式光束感烟探测的功能。

图1.1BVID探测器原理示意图

以往的图像型火灾探测器（VID）在使用时存在一些需要补强的方面：第一，光线条件对烟雾探测的影响。VID采用适度光强的红外背景光源是必要的，不过红外背景光照射距离有限，如果要距离比较远时红外灯的功率又偏大了（40m光源需要11W，100m需要36W），为了补充这方面的能力，本系统选择采用图像型探测器对面安装微功率多波段光束发射单元的方法，以确保VID在远距离、低照度条件下的探测能力；第二，VID不能完全剔出水汽和飞扬的灰尘的影响，因为水蒸气的图像特征与烟雾比较相似，而被扬起的灰尘也可能形成类似烟雾团的影像，这些易引起误报警，基于多波段光束发射单元的方法，可以有效避免这些影响；第三，在烟雾方面提高探测的可靠性，单纯基于图像分析的VID探测器还是有可能因为环境光线的变化或者环境条件的限制引起误报警的或者报警时间过长，例如电缆隧道的狭长空间会造成烟、火成像的图像比偏少，通过增加多波段光束发射单元，即可以有效区分这类的问题，确保绝对可靠的探测。

本系统目前采用至少两个波长（紫外、红外）的光束光源，以确保探测的绝对可靠性，避免误报警或干扰源的影响。

BVID探测器为光束烟雾、空间烟雾和火焰的复合型探测器，视场的选择以优先空间覆盖，其次地面覆盖的策略，达到火焰和烟雾探测的平衡需求。系统在选择完覆盖视场和场所后，即可调节光束发射单元，光束光源可以在±4m的偏差范围内调节，十分方便，也不会因为建筑变形、震动等引起故障等问题。光束发射单元和图像探测单元的对准误差要求不高，便于安装、调试，避免在空中的过度作业，而复合型产品在后端的设定，使得系统使用更方面。

1.2优势与特点

1.2.1空间烟雾、光束烟雾、火焰多参数复合探测，环境适应能力强（IP65及以上防护等级）。尤其是解决远距离场所、黑暗环境的准确烟雾探测。

1.2.2红紫外双鉴式光束烟雾探测，避免了水蒸汽、灰尘等的影响，环境光线的变化不影响探测效能。

1.2.3图像光束成像烟雾探测，可以采用阵列光束（最多可同时使用9个以上的光束发射器），探测器具有很强的光束部分偏转、部分被遮挡、振动的冗余能力，安装对准使用十分方便。

1.2.4相比于传统的探测器和图像型探测器，该类探测器在各类使用空间的应用能力大大提升，即适用于狭长的空间或建筑空间内设备设施复杂的环境，也适用于大空间建筑领域，还适用于中低高度空间的大范围探测。

1.2.5火灾定位、实时图像与即时确认。探测器的图像视频可以传输到控制室、控制中心进行远程监控，非常适用于水电等建筑结构复杂且职守人员很少的应用场所。

1.2.6良好的兼容性。既能很好地与传统的火灾报警系统连接，又能很好地与工业电视或视频监控系统兼容。

三.城市综合管廊智能光图像火灾探测系统的试验研究

虽然已经有一些城市综合管廊开始采用了BVID智能光图火灾探测器，但本公司仍然针对综合管廊进行了一系列的实体火灾试验研究。试验主要针对管廊可能出现的火灾类型进行的：第一，电缆接头的闪络和火焰；第二，电缆短路或过载产生烟雾并随后产生火焰。试验布局如下所示：

图3.1探测器安装示意图

图3.2电力舱火焰试验模型示意图

图3.3电力仓线缆短路试验模型示意图

试验结果如下：

50m正庚烷火试验过程记录：

图3.2a开始点火

图3.2b火焰燃烧第1s

图3.2c火焰燃烧第8s预警

图3.2d火焰燃烧第9s报警

50m线缆短路烟雾火焰及灭火过程记录：

图3.3a线缆通电短路

图3.3b第22s烟雾浓度逐渐增加

图3.3c第41s烟雾报警

图3.3d第119s开始出现火焰

图3.3e第127s火焰报警

图3.3f联动灭火系统

试验总结如下：

(1)在典型管廊环境中，光束复合图像火灾探测器可以对不同距离上发生的火焰和烟雾进行快速响应。烟雾响应时间不超过60s（与管廊内的实际风速及风向有关），烟雾扩散的越快响应越迅速。火灾距离越近，可探测的最小火焰规模越小，为尽可能早地发现火灾，把火情控制在小范围内提供关键信息；

(2)探测器可以对发生在管廊两侧缆道支架内部和地面的火灾给出较准确的位置信息，且最大偏差不大于火灾距离Lx5%m范围内（L为火灾探测器距离火灾的直线距离），左右最大偏差不大于0.3m。距离探测器越近，定位越准确；

(3)探测器具有火警继电器输出接口，可直接联动声光报警系统，通过RS485MODBUS分区报警模块联动消防灭火系统对应分区自动灭火；

(4)探测器对于管廊内火焰的探测不受灯光照度、湿度等环境因素的影响，即使在完全无灯光的环境下仍不会减弱探测性能；

(5)由于管廊内线缆支架分布较密，在较远距离处靠支架内侧发生的明火火灾受到遮挡，探测性能受到一定限制，但是探测器其实首先对火灾产生的烟雾进行响应并发出预警信号，待到火焰燃烧出现即能达到火焰报警，并给出最终的报警联动信号。

四.城市综合管廊智能光图火灾探测系统的设计

具体应用中当仅作为火灾探测器使用时，可选用AE919+BSE类型的智能光图火灾探测器，当需要进行二合一或三合一应用，即系统还需要兼作视频监控应用或智能监控应用时，通常选用AE900+BSE型，探测器自带背景光源。图像探测单元如同摄像机一样通过网络接入整个综合管廊的监控平台，如图4.1所示。图像探测单元和红紫外发射单元沿舱室纵向布置，安装于舱室顶部，如图4.2所示。

图4.1综合管廊分布智能光图火灾（烟雾/火焰）探测系统设计架构图

图4.2综合管廊分布智能光图火灾（烟雾/火焰）探测系统设计平面布置图

五.基于智能光图火灾探测系统的城市综合管廊二合一/三合一整合解决方案

今后的大部分设计，当采用智能光图火灾探测系统时应会优先考虑（火灾探测/视频监控）二合一/（火灾探测/智能监控/视频监控）三合一整合解决方案，即采用了分布智能光图火灾（烟雾/火焰）探测器，用以实现隧道内的火灾烟雾和火焰的探测，实现火灾位置的定位，实现隧道内人员进入的侦测和隧道异常监测，并实现视频监控功能。分布智能光图火灾（烟雾/火焰）探测器的信号接入区域内的ACU区域控制单元，并通过光纤网络传输到信息汇集中心。探测器的烟雾、火焰继电器预警和报警信号可以通过二总线输入模块接入火灾报警系统。如图5.1所示。

图5.1三合一视频监控系统架构图