气体灭火设备是国内城市轨道交通工程中使用最为普遍的灭火设施^[1], 地下标准车站存放的高压储气钢瓶数量为30～40个/站。然而, 这种主要由高压储气钢瓶 (工作压力5.6MPa/15.0MPa) 组成的灭火设备自身却存在气体泄漏和爆炸的安全隐患, 在地下空间狭小、人员和设备密集的地铁站里, 一旦发生安全事故, 爆炸威力相当大, 会给乘客造成恐慌甚至骚乱, 并将有可能造成极其严重的人员踩踏伤亡事故, 后果不堪设想^[2]。故气体灭火系统需要采取一定的监测手段提前预知隐患的发展, 并防止事故的发生。

本文以深圳市城市轨道交通3号线三期 (南延) 工程福保站为实践对象, 对气体灭火系统在线安全监测进行探索应用, 并对今后轨道交通项目或类似工程项目安全措施的选择及应用提供参考。

近年来我国已发生多起气体灭火系统的储气钢瓶爆炸事件, 且有不断增加的趋势, 给安全生产带来极大隐患。2017年7月广东省钢瓶管理制定的地方标准在官网上显示, 2012～2016年5年间里, 3000万只钢瓶中有5万只钢瓶发生过爆炸, 爆炸几率为1/600, 在这些事故中, 钢瓶爆炸发生时间最短的距验收合格不到2年, 最长的距验收合格7年。

为了防止气体灭火系统的药剂泄漏给保护区带来安全隐患, 《气体灭火系统施工与验收规范》^[3]中要求使用单位在运营维护中对压力表进行每周检测;2014年《气瓶安全技术监察规程》^[4]重新修订, 再次规定消防气瓶的第三方大检周期为3年。但是这种方式又给钢瓶的维护带来3大问题:一是每次正确读取压力表时都需要用扳手打开阀门读取, 造成压力表连接处多次磨损, 导致压力表的准确性与使用寿命降低;二是增加了运营人员的工作量及管理成本;三是最为严重的问题, 因多年反复的送检运输、拆装, 会对钢瓶结构及阀门的气密性造成不可预见的损害, 反而增加了泄漏、爆炸的风险。

在系统计算结果满足规范要求及火灾报警系统正常工作的前提下, 分析气体灭火系统泄漏及爆炸的原因主要有以下几点:

(1) 各类阀门、管件自身结构受损或与管道、瓶组连接处密封不严, 发生气体慢泄。

(2) 钢瓶在生产、组装、运输或安装过程中, 瓶体内壁有先天裂痕或局部受损, 在长时间带压储存工况下, 达到其形变屈服极限, 导致爆炸事故发生。

(3) 钢瓶在充气过程中, 由于灭火剂含水率过高, 经过化学反应产生酸性物质, 腐蚀钢瓶内壁, 影响钢瓶结构稳定性, 并在长期高压环境下, 发生爆炸。

气体灭火系统需要更加精密的监测手段进行保障, 确保系统安全万无一失。本工程采用气瓶压力监测系统和气瓶形变监测系统对气体灭火系统的压力及钢瓶形变量进行实时监测, 确保在泄漏、爆炸事故发生前, 及时进行风险阻断, 具体方案如下。

气瓶压力监测系统能实时监测瓶组由于泄漏等各种可能引起气压降低的异常信息, 并发出相应的声、光报警, 输出相应的开关量信息, 控制其他设备进行联动, 确保维保人员及时对灭火剂瓶组进行维护。

气瓶压力监测系统由气瓶压力检测装置、常规总线型压力变送器、数显总线型压力变送器和视觉识别型压力变送器组成 (见图1) 。系统内部采用通信总线网络通信, 满足与其他系统的连接。

(1) 自检功能。气瓶压力监测装置能够对本机的基本功能进行自检。在自检期间, 受控制的外接设备和输出接点均不动作, 不影响非自检部位的报警功能。

(2) 系统故障报警功能。气瓶压力监测装置能对自身的运行状态进行监控, 当有压力变送器本身发生故障时, 能在100s内发出故障声、光信号, 显示并记录故障发生的部位、故障类型和时间, 并可自动或手动复位。

(3) 软件管理功能。系统气瓶压力监测装置操作软件具有数据采集、处理、统计、参数设置、查询、模拟输出等。

(4) 网络通信功能。

(5) 输出功能。 (1) 气瓶压力监测装置过压和低压报警、过压预警和低压预警利用继电器上传给火灾报警主机, 利用以太网/RS485上传给综合监控主机。 (2) 气瓶压力监测装置自身断电和压力传感器故障利用继电器上传给火灾报警主机。

(1) 箱体。 (1) 箱体尺寸:不大于850 mm×600mm×120mm。 (2) 防护等级:IP54。

(2) 气体压力监测单元。 (1) 显示屏:采用7英寸触摸式TFT真彩显示屏, 分辨率800×480。 (2) LED指示灯:报警—红色、故障—黄色、通讯—绿色 (通讯时闪亮) 、主电—绿色。 (3) 储存容量≥16G;内存≥2M。 (4) 通讯接口:上行接口, RJ45不少于2个, RS485不少于1个;下行接口, RS485不少于3个;单路总线容量不少于32只;通讯接口隔离电压不小于DC1500V。 (5) 总线类型:Modbus-RTU等通用协议。 (6) 接线端子:弹簧式端子 (不小于6位、德国万可或菲尼克斯) 。 (7) 电源参数:主电电源DC24V;电源电流不大于5A (主机电流不大于0.5A) 。 (8) 操作键盘:具有0～9数字键、确定键、返回键、复位、消音、自检等功能按键 (满足在触屏失控时, 能通过键盘完成所有操作) 。

(3) 检修隔离单元组 (见图2) 。 (1) 包括有电磁阀接口转接及检修隔离模块组;箱体检修隔离单元区可容隔离模块不少于12组 (防护区) 。 (2) 接线端子:弹簧式端子 (16位, 德国万可或菲尼克斯) 。 (3) 电磁阀接口转接单元包括:电磁阀反馈的两条线、选择阀反馈的两条线和压力开关反馈接线的两条线分别与对应的FAS主机端子完成对接。

气瓶形变监测系统是通过加装在钢瓶上的变形量传感器一直在线监测钢瓶的物理微变形量, 当变形量达到1%时, 给出报警信号。同时, 可以通过通讯单元将报警信号传输到客户终端, 提醒管理人员及时采取措施防止钢质钢瓶爆炸。

瓶形变监测系统由爆裂预警探测器 (分布在钢瓶外表面的变形量探测线和监控盒) 、自动放气装置、四通转接装置、通讯模块、集中显示盘和软件包组成 (见图3) 。

(1) 系统自检及定位功能。在每个钢瓶外表面采用特殊工艺固化一条螺旋状变形量探测线, 并连接设置在每个钢瓶上的监控盒, 当钢瓶在先天缺陷、应力、腐蚀等因素的影响下发生塑性形变, 超过设定值, 变形量探测线动作, 并由监控盒进行钢瓶定位。

(2) 报警功能。监控盒将报警信号显示到集中显示盘, 集中显示盘发出声光报警, 并通过通讯模块将报警信号上传给报警控制器或其他监控系统。

(3) 软件管理功能。集中显示盘内设软件包具有扫描、收集、记录并显示各个单元的状态信息等功能, 并通过总线为各监控单元供电。

(1) 变形量探测线。采用特殊加工工艺固化在钢瓶外表面, 用于监测钢瓶表面的微形变 (见图4) 。

(2) 监控盒。 (1) 尺寸:宽×高×厚为105mm×85mm×25mm。 (2) 静态功耗:≤5 mA/瓶。 (3) 提前报警时间:一级报警≥7d;二级报警≥48h。

(3) 通讯模块。通讯模块用于上传报警信息及系统状态信息, 支持Modbus RTU协议, 通过TCP/IP网关可实现Modbus RTU协议到Modbus TCP/IP的转换。

(4) 集中显示盘。 (1) 尺寸:宽×高×厚:430mm×260mm×125mm。 (2) 屏幕:采用7英寸触摸式TFT真彩显示屏, 并设置3个LED指示灯;分辨率800×480;以图形化方式显示各类信息, 配备触控笔。 (3) 最大管理点数为50个管理单元, 事件记录个数为999个。 (4) 电源参数:主电源AC220V50/60Hz;备电容量DC12/12AH。

气体灭火系统通过加装气瓶压力监测系统和气瓶形变监测系统, 将带来以下直接和间接的社会、经济效益。

(1) 提供了安全保障。实时监测钢瓶压力值和形变值, 及时发现事故隐患, 从而保障钢瓶的自身安全和公共安全, 避免了重大事故发生。

(2) 提高了工作效率。可以免除对钢瓶的传统方式的检测, 降低了钢瓶的检修维护难度。通过查看压力监测和防爆监控盘, 对钢瓶的实时状态一目了然, 极大提高了检修维护效率。

(3) 增强设备的可靠性。装置自身携带的自检系统, 可以随时检测装置的工作状态, 便于维护与检修。监测部件对气体灭火系统的功能和结构不产生影响, 对气体灭火系统的阀体部件没有任何影响, 安全可靠。

(1) 显性经济指标。通过对气体灭火系统瓶体加装智能在线监测系统后使钢瓶能够在确保自身安全的情况下充分发挥其潜在的长达30余年的理论寿命。而且由于不需要放气便可对钢瓶进行实时检测, 节约了气体灭火系统的药剂重新充装成本, 降低了钢瓶的使用及检修维护费用, 具体经济指标对比见表1。

如表1所示, 钢瓶寿命30年共需要常规大检9次, 若以智能在线监测系统进行代替, 每条标准线路在气瓶设备寿命周期内可节省检测费用共计3 700万元, 即节约钢瓶检测费用等运营成本超过80%。

(2) 隐性经济指标。若对气体灭火系统钢瓶的泄漏、爆炸隐患置之不理, 一旦发生钢瓶泄漏及爆炸事故, 由此所带来的损失和后果严重且无法估量。

气体灭火系统在线安全监测的应用, 可实时观察、记录、反馈每个气瓶的压力、形变等状态信息, 理论上可代替气瓶的频繁送检, 保证系统的稳定、可靠, 并减少了频繁送检所造成的气体充放的浪费及环境污染影响。随着科技的进一步发展与成熟, 希望将来越来越多的先进系统运用到气体灭火系统中, 在安全可靠的前提下, 逐步优化气瓶检测的相关规定, 以实现智能消防、绿色消防的目标。