CN105528850A - 一种基于极早期的烟雾探测器的布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电气间模块基于极早期烟雾探测器的布置方法，它包括以下步骤：一、根据电气间有无通风情况分别计算电气间模块内烟雾浓度分布情况；二、在电气间模块内无通风条件下，在电气间模块宽度方向的一侧墙壁的中间位置安装极早期烟雾探测器,极早期烟雾探测器与2根或4根采样管道相连；在电气间模块有通风条件下，将极早期烟雾探测器设置在靠近电气间模块的通风管道处且安装在通风管道的对立侧的墙壁上，所述的极早期烟雾探测器与1根或3根采样管道相连。本方法不仅提高了电气间模块烟雾浓度变化的检测效率，而且提高了电气间模块的防护安全等级。

Description

一种基于极早期的烟雾探测器的布置方法

技术领域

本发明涉及海洋工程领域内的电气间模块，尤其涉及一种基于极早期的烟雾探测器的布置方法。

背景技术

近年来，随着海上油气田对安全生产的需求不断提高，火灾控制是海洋生产作业中的重点防护措施，对火气检测装置的布置提出了更高的要求，对于电气间模块来说，传统的烟雾检测装置难以及时、有效的检测出烟雾的浓度的情况，以致不能对火灾的发生情况有效的保护措施，造成严重的经济损失，通过合理的布置极早期烟雾探测器采样管网的位置，可以及时有效的检测出烟雾的浓度情况，但由于电气间模块结构复杂，电气设备间的建筑面积大小不同，保护面积不同，当发生火灾时，由于烟雾的流动性及电气控制设备挡流效应，使得极早期烟雾探测器采样周期加长，从而延缓反应效果，造成不能及时报警的严重后果。

发明内容

本发明的目的在于克服已有的技术缺陷，提供一种能够及时、有效的检测出电气间的烟雾浓度情况的基于极早期的烟雾探测器的布置方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明的一种电气间模块基于极早期烟雾探测器的布置方法，它包括以下步骤：

步骤一、根据电气间有无通风情况分别计算电气间模块内烟雾浓度分布情况,其中在电气间模块内无通风条件下，烟雾在电气间内各个方向的扩散系数是均等的,以设定的着火点为坐标原点O,以电气间模块的长度方向为X轴，宽度方向为Y轴，高度方向为Z轴，则平行于xoy平面距离z轴相等的位置烟雾浓度相等；在电气间模块内有通风条件下，靠近通风管道处的烟雾浓度最低，远离通风管道处，烟雾浓度越高；

步骤二、在电气间模块内无通风条件下，在电气间模块宽度方向的一侧墙壁的中间位置安装极早期烟雾探测器,极早期烟雾探测器与2根或4根采样管道相连，所述的采样管道固定在天花板下并以电气间模块宽度方向的墙壁的中心线为对称轴在对称轴两侧对称布置,在所述的采样管道上开有多个采样孔；在电气间模块有通风条件下，将极早期烟雾探测器设置在靠近电气间模块的通风管道处且安装在通风管道的对立侧的墙壁上，所述的极早期烟雾探测器与1根或3根采样管道相连，所述的采样管道固定在天花板下，当采样管道为1根时，将采样管道直接布置在电气间模块宽度方向墙壁的中心线上，当采样管道为3根时，将3根采样管道中的1根布置在电气间模块宽度方向墙壁的中心线上，其余两根采样管道以第一根采样管道为对称轴对称布置，在所述的采样管道上开有多个采样孔。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过对电气间模块极早期烟雾探测器的位置优化，可以使极早期烟雾探测器及时、有效地检测出电气间模块的烟雾浓度变化，避免因采样周期过长，避免不能及时报警的严重后果。通过本发明一种基于极早期烟雾探测器布置方法的应用，不仅提高了电气间模块烟雾浓度变化的检测效率，而且提高了电气间模块的防护安全等级。

附图说明

图1是本发明基于极早期的烟雾探测器的布置方法,当电气间无通风管道时的探测器管网布置示意图；

图2是本发明基于极早期的烟雾探测器的布置方法,当电气间有通风管道时的探测器管网布置示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。

如附图所示的一种电气间模块基于极早期烟雾探测器的布置方法，它包括以下步骤：

步骤一、根据电气间有无通风情况分别计算电气间模块内烟雾浓度分布情况,其中在电气间模块内无通风条件下，烟雾在电气间内各个方向的扩散系数是均等的,以设定的着火点为坐标原点O,以电气间模块的长度方向为X轴，宽度方向为Y轴，高度方向为Z轴，则平行于xoy平面距离z轴相等的位置烟雾浓度相等；在电气间模块内有通风条件下，靠近通风管道处的烟雾浓度最低，远离通风管道处，烟雾浓度越高；

步骤二、在电气间模块内无通风条件下，在电气间模块宽度方向的一侧墙壁的中间位置安装极早期烟雾探测器1,极早期烟雾探测器1与2根或4根采样管道2相连，所述的采样管道2固定在天花板下并以电气间模块宽度方向的墙壁的中心线为对称轴在对称轴两侧对称布置,在所述的采样管道上开有多个采样孔3；在电气间模块有通风条件下，将极早期烟雾探测器1设置在靠近电气间模块的通风管道4处且安装在通风管道4的对立侧的墙壁上，所述的极早期烟雾探测器1与1根或3根采样管道2相连，所述的采样管道2固定在天花板下，当采样管道为1根时，将采样管道直接布置在电气间模块宽度方向墙壁的中心线上，当采样管道为3根时，将3根采样管道中的1根布置在电气间模块宽度方向墙壁的中心线上，其余两根采样管道以第一根采样管道为对称轴对称布置，在所述的采样管道上开有多个采样孔3。这是因为这种情况下靠近通风管道处风速较大，烟雾浓度较小，由于极早期探测器靠自身的吸力进行抽气采样，若将探测器布置在逆风口处，则会降低极早期的吸气效率，不能及时检测出烟雾浓度，而将极早期烟雾探测器布置在顺风口处，极早期烟雾探测器的吸气速率为自身吸气速率与通风速率的合力，可以加快极早期烟雾探测器的吸气效率。

所述的电气间模块内烟雾浓度分布可以采用高斯烟雾模拟模型进行计算，具体步骤如下：

无通风条件下采用高斯烟雾模拟模型进行计算的具体步骤为：

不考虑电气控制柜的影响，以设立的着火点为坐标原点建立空间直角坐标系，以电气间模块的长度方向为X轴，宽度方向为Y轴，高度方向为Z轴，计算电气间内的任意一点处烟雾浓度沿着X轴、Y轴及Z轴的浓度变化，如公式(1)、(2)、(3)所示：

$C_x=A_x\·\exp \[-\frac{1}{2}(\frac{y^2}{{\mathrm{\β}}^2}+\frac{z^2}{{\mathrm{\γ}}^2})\]---\left(1\right)$

$C_y=A_y\·\exp \[-\frac{1}{2}(\frac{x^2}{{\mathrm{\α}}^2}+\frac{z^2}{{\mathrm{\γ}}^2})\]---\left(2\right)$

$C_Z=A_Z\·\exp \[-\frac{1}{2}(\frac{x^2}{{\mathrm{\α}}^2}+\frac{y^2}{{\mathrm{\γ}}^2})\]---\left(3\right)$

式中：C_x、C_y、C_z分别为烟雾沿着X轴、Y轴及Z轴的浓度变化，A_x、A_y、A_z分别为X轴、Y轴及Z轴方向的烟雾浓度变化的待定系数，x,y,z分别为电气间内任意一点的坐标值，α、β、γ为烟雾浓度扩散系数，无风时烟雾扩散系数α＝β＝γ，则α、β、γ的值可由公式(4)求得：

$\mathrm{\α}=\mathrm{\β}=\mathrm{\γ}=\mathrm{\δ}=1.8\×{10}^{-4}\frac{T^{1/2}}{{(V_A^{-0.5}+V_B^{-0.5})}^2}\·\frac{M_A}{{\mathrm{\ρ}}_A}{\[\frac{1}{M_A}+\frac{1}{M_B}\]}^{\frac{1}{2}}---\left(4\right)$

式中：T为绝对温度，M_A为电气间模块内烟雾摩尔质量，取30，M_B为电气间模块内空气的摩尔质量，取29，V_A为烟雾在绝对温度T下的体积，V_B为空气在绝对温度T下的体积，ρ_A为烟雾密度。

求解A_x、A_y、A_z，如公式(5)、(6)所示：

$C_0\frac{Q}{u}={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}{\∫}_0^{+\mathrm{\∞}}{A}_x\·\exp \[-\frac{1}{2}(\frac{y^2}{{\mathrm{\δ}}^2}+\frac{z^2}{{\mathrm{\δ}}^2})\]dydz---\left(5\right)$

$C_0\frac{Q}{u}={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}{\∫}_0^{+\mathrm{\∞}}{A}_x\·\exp \[-\frac{y^2}{2{\mathrm{\δ}}^2}\]\·\exp \[-\frac{z^2}{2{\mathrm{\δ}}^2}\]dydz---\left(6\right)$

式中：C₀为烟雾初始浓度，Q为室内温度为25℃时烟雾的流量，u为风速，δ为烟雾浓度扩散系数，在室内温度为25℃时，δ＝2.5。

对公式(5)的y，z求导得公式(7)所示：

$A_x=C_0\·\frac{Q}{{\mathrm{\πu\δ}}^2}---\left(7\right)$

求得x轴方向烟雾浓度变化为公式(8)所示：

$C_x(x,y,z)=C_0\·\frac{Q}{{\mathrm{\πu\δ}}^2}\·\exp \[-\frac{1}{2}(\frac{y^2}{{\mathrm{\δ}}^2}+\frac{z^2}{{\mathrm{\δ}}^2})\]---\left(8\right)$

同理得y、z轴方向烟雾浓度变化为公式(9)、(10)所示：

$C_y(x,y,z)=C_0\·\frac{Q}{{\mathrm{\πu\δ}}^2}\·\exp \[-\frac{1}{2}(\frac{x^2}{{\mathrm{\δ}}^2}+\frac{z^2}{{\mathrm{\δ}}^2})\]---\left(9\right)$

$C_z(x,y,z)=C_0\·\frac{Q}{{\mathrm{\πu\δ}}^2}\·\exp \[-\frac{1}{2}(\frac{x^2}{{\mathrm{\δ}}^2}+\frac{y^2}{{\mathrm{\δ}}^2})\]---\left(10\right)$

x,y,z为电气间内任意一点的坐标值。

由公式(8)、(9)、(10)知，当电气间模块的烟雾浓度向各个方向的扩散系数是均等时，电气间模块内的烟雾浓度服从正态分布，由此可得出以下结论：平行于xoy平面且距离z轴相等位置处的烟雾浓度相等。

有通风条件下采用高斯烟雾模拟模型进行计算的具体步骤为：

设在t时刻，所有的烟雾都在包围的密闭空间里，在t+Δt时刻，所有的烟雾都在包围的密闭空间Ω₁里，在[t，t+Δt]时刻，通过密闭空间Ω₁的烟雾量为公式(11)所示：

$W_1={\∫}_t^{t+\mathrm{\Δ}t}\∫{\∫}_s\stackrel{\→}{q}\·\stackrel{\→}{n}d\mathrm{\σ}dt---\left(11\right)$

式中：W₁为密闭空间的烟雾量，为单位时间内通过单位面积的烟雾量，为单位面积上烟雾量的法向量，s为密闭空间Ω₁在空间坐标系xoy平面上的投影面积，dσ为烟雾浓度的偏导数，dt为时间偏导数；

密闭空间Ω₁内的烟雾改变量为公式(12)所示：

$\begin{array}{c}{W}_2\underset{V}{\∫\∫\∫}\[C(x,y,z,t)-C(x,y,z,t+\mathrm{\Δ}t)\]dV\\ W_2={\∫}_t^{t+\mathrm{\Δ}t}\∫\∫{\∫}_V-\frac{\∂C(x,y,z,s)}{\∂s}dVds\end{array}---\left(12\right)$

式中：W₂为Δt时间内烟雾的改变量，为烟雾浓度的变化量，V为密闭空间的体积,dV为密闭空间Ω₁体积V的偏导数，s为密闭空间Ω₁在空间坐标系xoy平面上的投影面积，ds为密闭空间Ω₁在空间坐标系xoy平面上的投影面积的偏导数，

因为W₁＝W₂,所以

$\∫{\∫}_s\stackrel{\→}{q}\·\stackrel{\→}{n}d\mathrm{\σ}dt=\∫\∫{\∫}_V-\frac{\∂C(x,y,z,s)}{\∂s}dV---\left(13\right)$

根据奥氏曲面面积积分知：

$\∫{\∫}_s\stackrel{\→}{q}\·\stackrel{\→}{n}d\mathrm{\σ}=\∫\∫{\∫}_{V}div\stackrel{\→}{q}dV---\left(14\right)$

式中：为烟雾浓度在单位法向面积上的流量的散度。

单位时间内通过单位法向面积的流量与浓度梯度成正比，即公式(15)、(16)所示：

$\stackrel{\→}{q}=-k\·grandC---\left(15\right)$

$\frac{\∂C}{\∂t}=k(\frac{{\∂}^{2}C}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^{2}C}{\∂y^2}+\frac{{\∂}^{2}C}{\∂z^2})---\left(16\right)$

其中：grandC为烟雾浓度的梯度，k为比例系数，通常取1，为浓度对时间的偏导，分别为浓度函数对x，y，z坐标的二阶偏导。

则通风后，烟雾浓度变化和时间的关系式为公式(17)所示：

$dC=-\frac{C\stackrel{\→}{q}dt}{V}---\left(17\right)$

式中：dC为浓度函数的偏导数，C为空间任一点的烟雾浓度，为单位时间内通过单位面积的烟雾量，V为密闭空间的体积，dt为时间偏导数。

可以得出烟雾浓度与通风量的关系式为公式(18)所示：

$C(x,y,z)=C_0{e}^{-\frac{u}{V}}---\left(18\right)$

式中：C(x,y,z)为室内烟雾浓度，C₀为室内初始烟雾浓度，u为室内风速，V为房间体积。

由公式18可以看出：烟雾浓度与风速为负指数函数关系，随着风速的增加，烟雾浓度减小，则在电气间模块内有通风条件下，由于靠近通风管道处的风速较大，烟雾浓度初始浓度一定时，导致靠近通风管道处的烟雾浓度较低，而远离通风管道处的风速较小，则烟雾浓度越高。

Claims (4)

1.一种电气间模块基于极早期烟雾探测器的布置方法，其特征在于它包括以下步骤：

步骤一、根据电气间有无通风情况分别计算电气间模块内烟雾浓度分布情况,其中在电气间模块内无通风条件下，烟雾在电气间内各个方向的扩散系数是均等的,以设定的着火点为坐标原点O,以电气间模块的长度方向为X轴，宽度方向为Y轴，高度方向为Z轴，则平行于xoy平面距离z轴相等的位置烟雾浓度相等；在电气间模块内有通风条件下，靠近通风管道处的烟雾浓度最低，远离通风管道处，烟雾浓度越高；

步骤二、在电气间模块内无通风条件下，在电气间模块宽度方向的一侧墙壁的中间位置安装极早期烟雾探测器,极早期烟雾探测器与2根或4根采样管道相连，所述的采样管道固定在天花板下并以电气间模块宽度方向的墙壁的中心线为对称轴在对称轴两侧对称布置,在所述的采样管道上开有多个采样孔；在电气间模块有通风条件下，将极早期烟雾探测器设置在靠近电气间模块的通风管道处且安装在通风管道的对立侧的墙壁上，所述的极早期烟雾探测器与1根或3根采样管道相连，所述的采样管道固定在天花板下，当采样管道为1根时，将采样管道直接布置在电气间模块宽度方向墙壁的中心线上，当采样管道为3根时，将3根采样管道中的1根布置在电气间模块宽度方向墙壁的中心线上，其余两根采样管道以第一根采样管道为对称轴对称布置，在所述的采样管道上开有多个采样孔。

2.根据权利要求1所述的电气间模块基于极早期烟雾探测器的布置方法，其特征在于:所述的电气间模块内烟雾浓度分布采用高斯烟雾模拟模型进行计算。

3.根据权利要求2所述的电气间模块基于极早期烟雾探测器的布置方法，其特征在于:无通风条件下采用高斯烟雾模拟模型公式为：

$C_x(x,y,z)=C_0\·\frac{Q}{{\mathrm{\πu\δ}}^2}\·\exp \[-\frac{1}{2}(\frac{y^2}{{\mathrm{\δ}}^2}+\frac{z^2}{{\mathrm{\δ}}^2})\]$

$C_y(x,y,z)=C_0\·\frac{Q}{{\mathrm{\πu\δ}}^2}\·\exp \[-\frac{1}{2}(\frac{x^2}{{\mathrm{\δ}}^2}+\frac{z^2}{{\mathrm{\δ}}^2})\]$

$C_z(x,y,z)=C_0\·\frac{Q}{{\mathrm{\πu\δ}}^2}\·\exp \[-\frac{1}{2}(\frac{x^2}{{\mathrm{\δ}}^2}+\frac{y^2}{{\mathrm{\δ}}^2})\]$

式中C_x(x，y，z)、C_y(x，y，z)、C_z(x，y，z)分别为烟雾在X轴、Y轴和Z轴方向上的浓度变化,x,y,z为电气间内任意一点的坐标值，C₀为烟雾初始浓度，Q为室内温度为25℃时烟雾的流量，u为风速，δ为烟雾浓度扩散系数，在室内温度为25℃时，δ＝2.5。

4.根据权利要求2所述的电气间模块基于极早期烟雾探测器的布置方法，其特征在于：有通风条件下采用高斯烟雾模拟模型公式为：

式中：C(x，y，z)为室内烟雾浓度，C₀为室内初始烟雾浓度，u为室内风速，V为房间体积。