吸气式感烟探测器缺陷分析及处理方案的研究

摘要：吸气式感烟探测器误报率高是方家山核电工程项目JDT系统调试过程中较为突出的问题。本文对这两个问题进行了分析并研究了相应处理方案，提出通过取样孔变径、取样管路变更、控制设备安装及运行环境、防止减少沉积物脱落等方法来降低吸气式感烟探测器误报率。

关键词：ASD ；灵敏度；取样管路；取样孔；沉积物。

中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号：

引言

方家山全厂火灾报警控制系统（JDT系统）肩负着对方家山核电工程各厂房及设备的火灾监测任务，并在火警时发出火警信号及联动控制信号。JDT系统是方家山各厂房、设备投运的先决条件，是方家山机组调试、运行期间一道重要的安全屏障。在JDT系统调试过程中发现的问题包括系统设计、设备质量、安装质量等，例如：JDT系统逻辑关系表设计不合理、消防联动设备需JDT系统控制机柜提供DC24V电源、控制机柜多处报联动设备反馈、感温电缆安装时间的选择、控制机柜运行不稳定等。本文将结合JDT系统调试现场的实际情况，针对吸气式感烟探测器误报率高以及JDT系统与消防联动设备设计上存在缺陷这两个问题进行系统、全面的分析，并提出合理且行之有效的解决方案。

吸气式火灾报警探测器误报率高的分析及解决方案

2.1 吸气式火灾报警探测器（以下称ASD）概况

ASD是一种具有报警功能及继电器信号输出的空气管路取样式感烟火灾探测器，利用高灵敏度的烟雾探测器对重要厂房、设备作出火灾早期预警，也可对需要高灵敏度烟雾探测的场所及高洁净、高大空间、高温、高湿或具有强电磁辐射等环境进行火警监测。

JDT系统监视模块对ASD火警继电器和故障继电器触点的状态进行监视，并将信息通过双总线传输至JDT控制机柜，从而实现ASD与JDT系统控制机柜通讯。一般情况下JDT系统控制机柜向ASD提供DC24V电源，特殊情况（JDT系统控制机柜DC24V电源负载过重）下会专门为ASD设置DC24V电源装置。图2-1为ASD系统结构图。

图2-1 ASD系统结构图

ASD通过内部的一个抽气设备产生低气压，带有若干个小孔的空气采样管从被监控区吸入空气，这些空气经过过滤装置后进入激光采样检测室进行分析，相应的微处理器对数据进行综合处理，判断是否有火警发生，如有则给出相应的声光报警并在液晶面板显示报警信息。每台ASD支持两个回路通道同时进行取样检测，也可单独使用一个回路通道。图2-2为ASD探测器机柜内部结构图.

图2-2 ASD探测器机柜内部结构图

2.2 方家山JDT系统调试过程中ASD误报率高的分析

在方家山JDT系统调试过程中，ASD误报频度较高。表2-1为已经安装的ASD设备信息及误报信息统计。

表2-1 ASD设备信息及误报信息统计

现阶段已安装的7台ASD中有5台发生过误报，误报率达到了71.4%，且3台ASD发生过1次以上的误报，重复故障率达到60%。ASD属于高灵敏度感烟探测器，除了设备本身质量外其他影响探测器的运行稳定性的因素包括：探测器灵敏度的设定、取样管路和取样孔的设计方式、设备运行的环境状况、设备的维护保养等。

2.2.1 灵敏度对于探测器误报率的影响

烟雾探测器的灵敏度通常被定义为“百分之遮光率每米”（%obs/m）,其表达的意义为：该浓度的烟雾在一米在距离中对穿透其光线的遮挡百分率。

灵敏度的设定对感烟探测器的运行性能至关重要。灵敏度数值设定过大，感烟探测器发出报警时火灾情况可能已经发展到了不可控制的程度，感烟探测也就失去了其存在的意义。灵敏度数值设定过小带来的问题就是高误报率，比如取样管路沉积物脱落、房间内土建施工等非火灾引起的烟雾颗粒都有可能被烟雾探测设备误认为火灾发生。

方家山JDT系统现已安装的7台ASD其灵敏度阈值设定值在0.026%obs/m至0.030%obs/m。现场每个取样管路一般开孔数量为3至5个。按照：

S（灵敏度）=N（取样孔数量）×s(灵敏度设定值)

的公式进行计算，那么理论上这些取样孔的灵敏度阈值范围在0.078%obs/m至0.15%obs/m之间。传统感烟探测器如离子感烟探测器的灵敏度阈值一般设定为2%obs/m—6%obs/m，且存在一定的误报率。相比之下，作为火灾早期预警的ASD其灵敏度设定值要小的多，这也是方家山JDT系统已安装的ASD误报率高且误报频发的主要原因之一。除了探测器灵敏度阈值的设定和取样孔的数量以外，取样孔径的大小也是影响ASD各取样孔探测灵敏度的重要因素。取样孔一般均匀分布在取样管路上，随着取样管路的延伸越靠近末端的取样孔抽气流量越小，其探测灵敏度也越低，取样管路最末端的取样孔灵敏度最低。每一个取样孔的灵敏度都应符合相关标准和现场探测效率的要求。因此，当取样管路最末端的取样孔灵敏度达到要求时，其他取样孔的灵敏度就过高了，越靠近探测器的取样孔测量灵敏度较高，探测器附近的取样孔就更加容易引起误报。

2.2.2 ASD取样管路设计对探测效率的影响

方家山现场JDT系统ASD取样管路的设计并没有发挥出最高的探测效率。取样管路往往距离监测设备（如电器机柜、控制机柜、计算机等）较高或者较远，使得探测器必须设置较高的灵敏度才能保证对设备的探测效率和响应速度。取样管路的安装位置是影响取样孔探测效率的重要因素。通过取样管路设计的合理化可以提高取样孔的探测效率，在探测器灵敏度阈值设置上调的情况下达到与原设计相同的探测效率，从而降低误报率。下表罗列了各ASD取样管路设计分析：

表2-2各ASD取样管路设计分析

图2-3 各取样管路安装情况

2.2.3 运行环境对ASD误报率的影响

相比传统的感烟探测器，ASD可胜任各种恶劣环境（高灰尘、高温、低温、电磁干扰、辐射等）的火灾探测及报警工作。ASD取样管路材质为PVC材质，可不受各种极端环境的影响，而ASD的探测器机柜必须安装在相对良好的环境中运行，否者其高精度的探测装置将受到影响或者损坏从而引发故障和误报。

一般情况下土建工作的全面完工是其他电议设备开始安装的先决条件。然而为保证工程进度，可能在土建工作的中后期JDT系统各种设备的安装工作就已经开始。例如，在TD/JX厂房的ASD安装完成之后，厂房内墙壁进行了粉刷和打磨等土建作业，使得该厂房内的两台ASD探测机柜内部积累了大量粉尘，影响了设备的稳定运行。

另外，已竣工的厂房存在再次装修的可能性。比如EA楼在初次装修完成数月之后又进行了第二次的精装修，此时EA楼JDT系统各设备已上电运行，装修过程中切割大理石板将产生大量粉尘。安装在EA楼的ASD不但出现了探测机柜内积尘的现象，个别探测机柜还出现了出气口防护罩脱落且有水泥掉落其中，严重影响了设备的稳定运行。

2.2.4 沉积物脱落导致ASD误报

取样管路管壁尤其是管路转弯处和取样孔边缘的积尘后脱落后进入探测器也是导致误报的原因之一。影响沉积物所引起误报的因素主要包括抽气装置的流量；取样管路的材质和管径；取样管路转弯处的弧度；取样孔边缘的光滑度；检测区域的灰尘本底；探测器过滤器的过滤能力；探测器灵敏度值的设定等。

2.3降低误报率的方案

2.3.1采用取样孔变径的方法降低灵敏度

通过取样孔变径的方法可以使同一取样管上的各取样孔进气流量达到近似相等，从而使各取样孔的探测灵敏度达到近似相等，解决了同一取样管上的各取样孔探测灵敏度递减的问题，可降低靠近烟感探测器一端的取样孔因灵敏度过高而引起的误报的可能性。

假设ASD离探测器最近的取样孔半径为R，该取样孔至探测器的取样管路长度为L，任意两个取样孔之间的距离为M，忽略管路中途弯曲对抽气流量的影响，在理论情况下某取样管路上任意一个取样孔的空气流量a（n）为：

a(n)=a(1)·L/[L+(n-1)M]

(n=1、2、3...)

在取样管路的某一位置的取样孔，其取样流量的大小与该取样孔的开孔面积成正比。那么，要使每个取样孔的流量近似相等，某取样管路上任意一个取样孔的开孔面积s（n）为：

s(n)=s(1)·a(1)/a(n)

(n=1、2、3...)

代入a(n)后得到：s(n)=s(1)·[L+(n-1)M]/L

(n=1、2、3...)

其中s(1)=πR2

代入s(1)后得到：s(n)=πR2[L+(n-1)M]/L

某取样管各个取样孔的直径r(n)为：

r(n)=

(n=1、2、3...)

代入s(n)后得到：r(n)=R

(n=1、2、3...)

一般工况下，取R=1mm，L=M=10m，n=3

代入后得：r(2)=2mm，r(3)=3mm。

那么在此种工况下，如果采用取样孔变径的设计方案， 最末端的取样孔面积S（3）将是第一个取样孔S（1）的9倍，也就是说原设计方案中该取样管路灵敏度最低的取样孔灵敏度增加了9倍，相应的在不影响原设计方案中的取样孔探测效率要求的情况下，探测器灵敏度阈值可以设定为原来的9倍，从而降低误报率。

2.3.2通过改变取样管路提高探测效率从而降低灵敏度

采用下拉式的布管方式，可以轻易实现将取样管路置于被监测设备之上，缩短了取样孔与被监测设备的距离，有效提高探测效率。图2-4为下拉式布管方式简图。

图2-4下拉式布管方式简图

如果需要进一步提高探测效率，可采用垂直支管的布管方式。如果垂直支管超过1米，可以考虑使用三通变径的方法将垂直支管内部空间减小从而提高探测响应时间。图2-5为垂直支管布管方式示意图。

图2-5垂直支管布管方式

对于机柜顶棚带出风口的被监测设备，可采用机柜外取样的方式来提高探测效率，如图2-6左。对于机柜顶棚无出风口的被监测设备，可采用机柜内取样的方式，前提条件是该机柜允许在侧面开孔，如图2-6右。

图2-6机柜外取样方式（左）和机柜内取样方式（右）

通过对烟雾扩散过程进行数学建模，可推导出取样管路变更前后取样孔探测效率的变化比值。对烟雾扩散过程进行数学的理想条件为：

室内无流动气流对火灾发生早期产生烟雾的扩散方向产和扩散速度速度生影响；

忽略机柜等设备对烟雾扩散的阻挡，烟雾呈球面自由扩散；

烟雾扩散边界扩散至取样孔后第一时间被ASD探测到；

烟雾的扩散服从热传导定律。（烟雾扩散运动即粒子扩散运动属于布朗运动，可通过热传导定律推算出粒子扩散方程。热传导定律的定义为：单位时间通过单位方向面积的流量与浓度梯度成正比。）

以取样管路变更时某取样孔为例，设：

着火点（被监测设备）为三维空间坐标的原点；

取样孔在三维空间的坐标为（x、y、z）；

取样孔到原点的距离为R，且R（x,y,z)=；

烟雾在某个方向上的扩散速度为k；

烟雾扩散后的某一时间点为t(x,y,z)；

烟雾扩散后某一时间点某一空间的烟雾浓度为C（x,y,z,t）；

烟雾扩散初期（t=0时）总烟雾量为Q。

那么用粒子扩散方程描述烟雾扩散过程的数学模型为：

（1）

设某取样孔变更后坐标为A（a,b,c），

那么，

烟雾扩散至A处时的时间点：

（2）

将A（a,b,c）及（2）代入（1）后得：

设该取样孔变更前的坐标为B（d,e,f）,同理可得：

假设在其他条件不变的情况下，同一取样孔的探测效率与烟雾浓度成正比，那么该取样孔变更前后的探测效率比r为：

A（a,b,c）、B（d,e,f）可通过现场实地测量得到，从而可以在理论上得到取样管路变更后任意取样孔r的确定值。那么此时探测器灵敏度可设定为原来的1/r，而探测效率将不变。由于r为理论值，考虑到理论情况与实际工况常常存在偏差，将r实际值设定为略低于理论值，既降了低灵敏度，又能够保证探测效率不受影响。

2.3.3控制运行环境

考虑到ASD对探测机柜安装位置的环境要求相对较高，在JDT系统各设备安装工作中建议安装公司将ASD作为最后的安装项。ASD安装开始时若仍然有土建项目未完成，例如安装照明设备、安装天花板等，应当做好已经完成安装的ASD探测机柜的防尘防杂物保护工作，在探测机柜外设置防尘罩。如果仍然有打磨墙体、切割大理石板等产生大量粉尘的工作正在进行，应当只在安装墙体完成打孔和安装螺栓的工作，待环境条件允许后将ASD探测机柜挂在螺栓上固定即可。

对于已经收到粉尘污染的ASD，采取一下方法进行清洗恢复：

拆下ASD探测机柜，使用压空从取样管路出气端进行反冲，清楚取样管路中的沉积灰尘；

对探测机柜安装位置进行清理；

对探测机柜内部抽气装置、过滤装置、探测腔体、光电探头进行清理；

对清洗后仍然运行不稳定的设备进行更换。

2.3.4减少沉积物脱落

采用圆弧较大的弯管作为取样管路转弯处的处理方式，可以有效减少管路沉积物，见图2-7。

图2-7较大圆弧弯管

其他减少沉积物引起的误报的方法包括：增加取样管路清洗频度；对取样孔进行打磨光滑处理；使用更精确的能够阻挡大颗粒灰尘的过滤装置，并增加过滤装置的更换频度。

4.0结语

JDT系统的完整性和可用性是方家山核电工程各子项竣工后投运的先决条件。通过制定合理、有效、可行的变更设计方案，可解决JDT系统各种自身缺陷及JDT系统与其他联动系统的接口问题，不断提高JDT系统运行的稳定性与可靠性，减少误报率与误动作的发生，为方家山核电工程调试阶段及将来的商业运行保驾护航。

参考文献：

[1] [中华人民共和国国家标准GB50116-98]《火灾自动报警系统设计规范》

[2]《解析热学》，约瑟夫·傅里叶，1822年

[3]《方家山核电JDT系统设计手册》，西安核仪器厂

[4]《I56-1000-01C_A XSS-1000吸气式探测器设计使用手册》，西安盛赛尔电子有限公司