火災(zāi)探測報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

王 榮 黃運(yùn)佳

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

0 前言

船舶的安全事故中除了海難，火災(zāi)也占一定的比例。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，船上狹小的空間讓船員自救變得困難重重。機(jī)艙存放的燃油、貨艙裝載的危險(xiǎn)品都是火災(zāi)擴(kuò)大的主導(dǎo)因素。海難事故有時(shí)存在不可抗力，但火災(zāi)是可以通過船員的規(guī)范操作和可靠性高的火災(zāi)探測報(bào)警來避免。讓火災(zāi)事故的苗子在第一時(shí)間被火警系統(tǒng)探測到并進(jìn)行智能識(shí)別及時(shí)發(fā)出報(bào)警，通過自動(dòng)或者手動(dòng)釋放二氧化碳、水霧可以對火災(zāi)區(qū)域（如機(jī)艙、廚房、貨艙、車輛艙）進(jìn)行滅火，將事故的危害降到最小。所以火警系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性、可靠性是保障船舶財(cái)產(chǎn)和人員安全的先行條件。本文從貨船和客滾船兩大類船型出發(fā)，研究火警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及未來智能化火警系統(tǒng)的探討。作為保障船舶安全的重要部分，火警系統(tǒng)從探測器的類型、布置位置、保護(hù)區(qū)域以及回路的分區(qū)是否滿足要求都是船級社審查的重點(diǎn)。

1 火警系統(tǒng)組成及主要要求

火災(zāi)探測報(bào)警系統(tǒng)（簡稱“火警系統(tǒng)”）的設(shè)置滿足SOLASⅡ－2 C部分的要求，目的是探測火源處的火災(zāi)，并發(fā)出安全撤離和采取滅火行動(dòng)的警報(bào)。船舶火警系統(tǒng)一般由中央控制單元、分顯視板、感煙探測器、感溫探測器和手動(dòng)呼叫報(bào)警按鈕等組成；同時(shí)火警信號2 min延時(shí)后發(fā)送至通用報(bào)警、機(jī)艙報(bào)警燈柱、機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警延伸板向全船發(fā)出連續(xù)的火警聲報(bào)警和紅色的光報(bào)警信號?；鹁尫判盘枴⑾到y(tǒng)故障發(fā)送至航行數(shù)據(jù)記錄儀和機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)，用于記錄和監(jiān)測系統(tǒng)的報(bào)警和故障；同時(shí)，火警信號還送至客船防火門系統(tǒng)，用于自動(dòng)關(guān)閉主豎區(qū)和梯道環(huán)圍的防火門，防止火災(zāi)事故的蔓延。

海安會(huì)MSC.311（88）的決議于2012年7月1日強(qiáng)制執(zhí)行，諸如對固定式火災(zāi)探測報(bào)警系統(tǒng)的電源要求、客船的分區(qū)要求等規(guī)定不再模糊。另外，客船安全返港時(shí)要求，在直接受到火災(zāi)事故影響的處所和在同一甲板上且為相同分區(qū)中的部分處所探火和探煙系統(tǒng)可視作無法使用外，所有其他探測器在該分區(qū)服務(wù)的任何其他甲板須保持運(yùn)行。新生效的規(guī)范對船舶安全的要求越來越高，火警系統(tǒng)的組成越來越復(fù)雜，功能也越來越強(qiáng)大。

2 火警系統(tǒng)的配置

如何按照ⅠC法、ⅡC法、ⅢC法配置火警系統(tǒng)？尋址式和非尋址式火警系統(tǒng)在貨船和客船上如何分回路？機(jī)器處所、起居處所、貨艙區(qū)域如何實(shí)現(xiàn)保護(hù)？這一系列問題在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初就需要確定，對于搭建系統(tǒng)才會(huì)順理成章，才能對全船的安全起保護(hù)作用。本章主要介紹ⅠC法、ⅡC法、ⅢC法配置火警系統(tǒng)。

對液貨船以外的貨船，機(jī)器處所認(rèn)為是機(jī)艙，設(shè)置1套單獨(dú)的火警系統(tǒng)，也可以是全船火警系統(tǒng)的一部分。對于起居處所根據(jù)舾裝的防火分隔圖分3種情況討論，選擇其中一種就可以。

1）ⅠC法：以不燃的B級或C級分隔作為內(nèi)部的分隔艙壁，在起居處所的所有走廊、梯道和脫險(xiǎn)通道內(nèi)設(shè)置感溫或者感煙探測器就能滿足要求。這種保護(hù)方法比較簡單易操作，但實(shí)際設(shè)計(jì)過程中還需要參考掛旗國和船東的特殊要求。在散貨船上有船東要求每個(gè)船員艙室都安裝感煙探測器的情況。這種設(shè)計(jì)高于規(guī)范的要求，對于船廠而言成本增加，但對于船東安全系數(shù)提高了。

2）ⅡC法：如果舾裝對內(nèi)部分隔艙壁的型式不予限制，那么在可能成為失火源的所有處所，如起居處所、廚房和其他服務(wù)處所需要設(shè)置1套噴淋系統(tǒng)和1套火警系統(tǒng)。但一般都不采用這種方法，因?yàn)樵O(shè)置2套系統(tǒng)后，在船上有限的空間里既要敷設(shè)電纜又要額外加裝水噴淋的管路和噴嘴，給詳細(xì)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場施工都帶來麻煩。

3）ⅢC法相比前面2種保護(hù)法，一般對內(nèi)部分隔艙壁的型式不予限制，但任一起居處所的保護(hù)面積不得超過50 m2，配置1套火警系統(tǒng)。

綜合散貨船、多用途船、化學(xué)品船、瀝青船等貨船，在起居處所火警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大多選用IC法。對于液貨船（閃點(diǎn)不超過60℃）僅采用貨船的IC法設(shè)計(jì)。

貨艙區(qū)域的保護(hù)考慮設(shè)備安裝和所裝貨品的原因，一般用大艙抽煙探火系統(tǒng)來保護(hù)貨艙，如散貨船、多用途船、化學(xué)品船、瀝青船等貨船。但是集裝箱船會(huì)考慮在貨艙里安裝火警探測器。

ⅠC法、ⅡC法、ⅢC法不適用于客船，客船起居處所所有回路分區(qū)按主豎區(qū)來分，而且每一個(gè)回路不得超出一個(gè)主豎區(qū)，機(jī)器處所、車輛艙處所都須設(shè)單獨(dú)的回路。客船在分區(qū)的脈絡(luò)上很清楚，但是每個(gè)回路內(nèi)部比較復(fù)雜，因?yàn)橐紤]電纜的走向合理性和使用耐火電纜等情況。另外客船需要配置艙室噴淋系統(tǒng)。

3 火警系統(tǒng)的探測器

火警系統(tǒng)根據(jù)保護(hù)處所的特點(diǎn)，可選用感煙式、感溫式、火焰探測器等。因?yàn)楣ぷ髟聿煌綔y效果也有差異，所以需要根據(jù)保護(hù)的區(qū)域來選擇，實(shí)現(xiàn)高效的保護(hù)和低誤報(bào)警率。

3.1 感煙式探測器

感煙式探測器能探測可見或不可見的由燃燒產(chǎn)生的顆粒，一般可探測70%以上的火災(zāi)。通常分為光電感煙式和離子感煙式兩種。

光電感煙式探測器應(yīng)用光電感應(yīng)的原理，當(dāng)一定濃度的煙霧通過光電管時(shí)造成光的散射引發(fā)報(bào)警。以圖1光電感煙式探測器為例。紅外線LED每隔1 s向光敏二極管發(fā)送平行光束。紅外線LED和光敏二極管間以鈍角布置，無煙霧時(shí)，光無法射到光敏二極管上，電路維持平衡狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)有煙霧時(shí)，紅外線LED發(fā)出的光通過煙霧粒子的反射或散射到達(dá)光敏二極管。該信號經(jīng)處理后向探測器發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號。

圖1 光電感煙式探測器

離子感煙式探測器利用放射元素Am241所電離產(chǎn)生的正負(fù)離子，在電場的作用下各向正負(fù)電極移動(dòng)。一旦有煙霧竄進(jìn)外電離室干擾了帶電粒子的正常運(yùn)動(dòng)，使外室的離子電流減小，等效電阻值增大，分壓電位升高。當(dāng)煙霧濃度達(dá)到檢測的限定濃度時(shí)，則電位升高到能觸發(fā)開關(guān)電路而報(bào)警。

因?yàn)殡x子式探測器會(huì)產(chǎn)生污染，所以現(xiàn)在船上選用較多的是光電感煙式探測器，一般安裝在起居處所的梯道、走廊、脫險(xiǎn)通道和艙室內(nèi)以及機(jī)艙、貨艙，車輛等面積較大的場所，監(jiān)視視角可達(dá)140°。根據(jù)FSS Code的推薦，感煙探測器的最大地板保護(hù)面積74 m2，中心點(diǎn)間最大間距11 m，離開艙壁的最大距離5.5 m。

在海工平臺(tái)上對于火警系統(tǒng)的探測精度要求更高，采用雙光源感煙探測器，可以大大減少誤報(bào)率，價(jià)格要比常規(guī)的單光源探測器貴。

3.2 感溫探測器

感溫探測器選用熱敏元件來探測火警。一般分定溫式、差溫式和差定溫式探測器。定溫式探測器是在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，火災(zāi)引起的溫度上升超過某個(gè)定值時(shí)啟動(dòng)報(bào)警。根據(jù)不同的廠家和安裝的處所要求，船上的定溫式探測器的溫度設(shè)定值一般為高于環(huán)境溫度20～30℃，機(jī)艙平均溫度較高，用的感溫探測器一般考慮80℃左右。圖2是典型的定溫式感溫探測器，一般推薦安裝在廚房、吸煙室、船員的餐廳、娛樂室、洗衣干衣間和蓄電池間等處所。有煙霧或者蒸汽產(chǎn)生的處所如果用感煙探測器容易引起誤報(bào)警。差溫式探測器是在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，火災(zāi)引起的溫度上升速率超過某個(gè)定值時(shí)啟動(dòng)報(bào)警。差定溫式探測器是將定溫式和差溫式組合在一起。根據(jù)FSS Code的推薦，感溫探測器的最大地板保護(hù)面積37 m2，中心點(diǎn)間最大距離9 m，離開艙壁的最大距離4.5 m。

圖2 定溫式感溫探測器

3.3 復(fù)合型探測器

除了以上的感溫、感煙探測器外，還有多功能煙溫復(fù)合型探測器、一氧化碳/差定溫復(fù)合型探測器、紅外火焰探測器，通過軟件調(diào)節(jié)靈敏度。機(jī)艙的環(huán)境較差、溫度又高，屬于高失火危險(xiǎn)區(qū)域，特別是主機(jī)和發(fā)電機(jī)上方，選用感溫感煙復(fù)合型、感溫加火焰探測器的組合或者機(jī)艙內(nèi)以感煙探測器為主，再增加2～3個(gè)感溫探測器來實(shí)現(xiàn)保護(hù)。各種探測器根據(jù)保護(hù)區(qū)域的特點(diǎn)靈活配置，確?；鹁到y(tǒng)對船舶安全的可靠保護(hù)。

3.4 手動(dòng)呼叫報(bào)警按鈕

圖3 手動(dòng)報(bào)警按鈕

手動(dòng)呼叫報(bào)警按鈕（如圖3所示）由人工觸發(fā)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)火情時(shí)就近按下遍布起居處所、服務(wù)處所和控制站及每個(gè)出口的手動(dòng)報(bào)警按鈕將發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號，通知船員第一時(shí)間采取滅火措施和安全撤離。為保證能在發(fā)生火警時(shí)快速報(bào)警，SOLASⅡ－2 Part C Regulation 7要求，手動(dòng)報(bào)警按鈕的位置應(yīng)便于到達(dá)，在每層甲板走廊的任何部位距手動(dòng)報(bào)警按鈕的距離都不得超過20 m。

4 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)框圖

4.1 非尋址式的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

對于貨船，滿足IC法保護(hù)且從經(jīng)濟(jì)性考慮，非尋址式的火警系統(tǒng)是船廠和船東的首選，系統(tǒng)圖如圖4所示。

圖4 非尋址式火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)圖

根據(jù)FSS Code的規(guī)定，每一個(gè)回路只能覆蓋一層甲板的起居處所、服務(wù)處所和控制站，并且不能與A類機(jī)器處所同一個(gè)回路。按照這一原則，一般貨船的火警系統(tǒng)設(shè)16個(gè)回路左右，感溫、感煙探測器和手動(dòng)報(bào)警按鈕串接在回路中。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：經(jīng)濟(jì)且滿足FSS基本的要求，但缺點(diǎn)如下：

1）不能點(diǎn)對點(diǎn)識(shí)別。如果船上某處發(fā)生火災(zāi)，在各終端顯示器上只顯示這個(gè)回路有火警，需要船員到實(shí)地勘察后才能確定火災(zāi)發(fā)生點(diǎn)。

2）中央控制單元都設(shè)在橋樓，所以每一個(gè)回路都要從橋樓接出，電纜很浪費(fèi)。

3）系統(tǒng)由主/應(yīng)急2路獨(dú)立的饋線供電，但當(dāng)某個(gè)回路發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)后面的探測器就無法正常工作，降低了火警系統(tǒng)的安全系數(shù)。

綜合以上原因，如圖5所示的尋址式火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)逐漸成為貨船火警系統(tǒng)的標(biāo)配。

4.2 尋址式的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

尋址式的火警系統(tǒng)主單元通過內(nèi)置CPU，識(shí)別每一個(gè)探測器的地址碼，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)識(shí)別功能。還可以根據(jù)環(huán)境中的顆粒密度、自動(dòng)調(diào)整探測器的靈敏度以降低誤報(bào)率，所以機(jī)艙和艙室探測器的靈敏度是有差別的，從而保證被保護(hù)區(qū)域的安全。以3 800 TEU集裝箱船為例，采用尋址式的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)圖如圖5所示。整個(gè)系統(tǒng)分上層建筑、A類機(jī)器處所（機(jī)艙）、其他機(jī)器處所共3個(gè)回路。每個(gè)回路最多可以帶150多個(gè)探測器，大大增加了系統(tǒng)的容量。點(diǎn)對點(diǎn)的識(shí)別功能讓每個(gè)地址碼處所的火警直觀地顯示在終端上，便于船員快速處理事故。環(huán)網(wǎng)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)環(huán)路中某個(gè)探測器發(fā)生故障，系統(tǒng)將自動(dòng)剔除故障點(diǎn)，故障端兩側(cè)的探測器與中央控制單元保持通路狀態(tài)，不影響線路上其他探測器正常工作，提高了系統(tǒng)的可靠性；MSC.311（88）增加了“每個(gè)探測器須帶短路電流隔離器，確保當(dāng)回路發(fā)生短路時(shí)將不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)回路失效，以及客船必須要用可尋址式的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的規(guī)定”，從設(shè)備著手加強(qiáng)系統(tǒng)的功能。

圖5 尋址式火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)圖

客滾船的火警系統(tǒng)，以渤海輪渡2 300客/2 500 m車道客滾船舉例，系統(tǒng)圖與圖5類似。客滾船的分區(qū)要求：覆蓋于控制站、服務(wù)處所或起居處所的探測器，所有分區(qū)不能超出1個(gè)主豎區(qū)；A類機(jī)器處所設(shè)置獨(dú)立的一個(gè)分區(qū)，覆蓋滾裝處所的探測器設(shè)置獨(dú)立的一個(gè)分區(qū)?？蜐L船一般有3～4個(gè)的主豎區(qū)，每個(gè)艙室都需要設(shè)置探頭。按照規(guī)范分區(qū)的要求來分回路，在起居處所的垂直主豎區(qū)，No.10，No.9，No.8，No.7甲板前部、中部、尾部來分。這樣節(jié)約電纜，也方便船員集中管理。如果回路的容量超出廠家設(shè)計(jì)容量，在垂直的同一主豎區(qū)里再分出一個(gè)回路。根據(jù)客滾船的大小，起居處所一般分8～9個(gè)回路，再加上機(jī)艙、車輛甲板、其他機(jī)器處所單獨(dú)的回路，所以客滾船一般有12～14路。容量大了，對于主單元的要求也高?？蜐L船火警主單元上還有防火門的mimic圖，直觀地給駕駛?cè)藛T指示門的開閉狀態(tài)和火警的發(fā)生區(qū)域。

尋址式的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)在貨船和客滾船的系統(tǒng)圖類似。但分區(qū)的理念不同，對主單元及系統(tǒng)的要求也有很大的差異。

4.3 滿足客船安全返港的尋址式火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

2010年7月1日生效的海安會(huì)MSC.1/Circ.1369對載重線船長大于120 m，或具有3個(gè)或3個(gè)以上主豎區(qū)的客船（包括客滾船）滿足SOLAS公約第Ⅱ－2第21條，船舶在發(fā)生火災(zāi)事故后（事故發(fā)生未超出事故界限）依靠自身動(dòng)力安全返回港口和第Ⅱ－2第22條，船舶在發(fā)生火災(zāi)事故后（事故發(fā)生超出事故界限）要求系統(tǒng)保持運(yùn)行以支持船舶有序撤離和棄船。渤海輪渡2 200客/1 100 m車道客滾船按照安全返港的要求設(shè)計(jì)。通過與火災(zāi)探測報(bào)警廠家的溝通，系統(tǒng)設(shè)置了2套中央控制單元，主用控制單元放駕駛室，輔用控制單元放備用駕駛室，每一個(gè)回路分別接主、輔用控制單元，單元間通過數(shù)據(jù)線連接實(shí)時(shí)接收探測器的狀態(tài)、監(jiān)測斷線，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，主、輔控制單元間熱備用。所有的電纜都采用耐火電纜，系統(tǒng)的可靠性達(dá)到最強(qiáng)。最惡劣的狀況是主用控制單元所在的駕駛室發(fā)生火災(zāi)了，全船12個(gè)分路除了駕駛室所屬主豎區(qū)的甲板分區(qū)探測器和主用控制單元無法工作，其他都能正常工作，火災(zāi)探測報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完全滿足安全返港的要求，系統(tǒng)圖如圖6。通過可靠的設(shè)備和便利的數(shù)據(jù)共享，使本來需要完全雙冗余的系統(tǒng)變成只要加一個(gè)中央控制單元就能滿足要求。

5 智能化火警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)展望

圖6 滿足客船安全返港尋址式火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)框圖

未來智能化的探測器將內(nèi)置CPU，把感煙、感溫、火焰3種功能集中在同一個(gè)探測器中，通過精準(zhǔn)的微處理技術(shù)，消除誤識(shí)別率，提高自我診斷能力。無線電傳輸?shù)挠?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也將被用到控制單元和探測器的通信中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效、安全、便利。

客船在公共處所安裝攝像頭是出于安全的考慮，將上述處所的攝像頭和火警探測器集成一體，通過這個(gè)集成的系統(tǒng)就可以高效率地完成防火防盜功能，所以智能化火警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念將翻開系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新篇章。

6 結(jié)語

火災(zāi)探測報(bào)警系統(tǒng)涉及船舶財(cái)產(chǎn)和人身共同安全。通過本文從電氣設(shè)計(jì)的角度對該系統(tǒng)進(jìn)行了研究和分析，從非尋址和可尋址式系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)比較以及新生效規(guī)范MSC.311（88）的要求在貨船、客滾船的設(shè)計(jì)實(shí)例中的運(yùn)用分析。以船為本，面對未來火警系統(tǒng)復(fù)雜分路的船型，可以運(yùn)用智能化火警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全和可靠，保障船舶財(cái)產(chǎn)和人員的安全。