洁净厂房内火灾探测器的选择和应用研究王浩鸥

洁净厂房内火灾探测器的选择和应用研究王浩鸥

王浩鸥

信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司四川成都610021

摘要：国务院发布的《中国制造2025》中提出了要把我国建设成为制造强国的宏伟目标，特别是要大力发展高端制造业。电子高科技属于高端制造业的重要组成部分，而要发展电子高科技制造领域，必然会建设大量的洁净厂房。对于造价高昂的洁净厂房来说，设置科学完备的火警系统，建立完善的消防体系是至关重要的。作者从事电子高科技洁净厂房的设计、校对工作多年，本文从作者的实际工作经验出发，针对洁净厂房内火警系统的火灾探测器的选型、设置部位等实际应用问题进行探讨。本文的研究内容，对各类洁净等级的食药卫生生产厂房、实验室、手术室等亦有借鉴意义。

关键词：洁净厂房；洁净室；火灾探测器，消防；火灾自动报警系统

1、相关背景介绍

1.1洁净厂房的发展前景

2018年，中兴通信受到美国商务部的制裁禁令，给中国的高端制造业敲响了警钟。早在2015年，国务院就发布了国发（2015）28号《中国制造2025》一文，明确提出了我国要实施制造强国的战略。积极发展以电子高科技行业为代表，例如生产晶圆、芯片的高端制造业，是我国高端制造业面临的当午之急。而晶圆、芯片的生产都必须在洁净厂房内进行，这就可以预期我国在未来一定时期内会涉及大量的洁净厂房的建设工程。

1.2洁净厂房火灾探测的重要性

在洁净厂房的建设工程中，消防工程是其中的一个重要组成部分。从洁净厂房的建筑构造和运营管理特点来看，其发生火灾通常有如下特点：

（1）洁净厂房内部生产自动化程度高，生产人员较少，火灾发生后在厂房内部人为发现异常的可能性较低。

（2）洁净厂房的密闭性较高，厂房外部的人很难发现内部发生了火灾，消防人员也难以接近，实施灭火有一定难度。而且高密闭性的空间还会导致火灾时产生大量的烟尘，热量也无处泄漏，使得火灾扩散的速度非常快。

（3）洁净厂房内通常设有极为复杂的送风、回风、空调系统，各洁净室之间通过诸多风管彼此串联。发生火灾后，一旦未能及时发现并采取相应措施，风管将成为烟火迅速外传的有利通道，殃及其余相关房间和场所。

而洁净厂房的建设，特别是高端制造业的洁净厂房的建设，通常涉及十分巨大投资。例如2017年，合肥长鑫集成电路有限责任公司启动的长鑫12吋储存器晶圆制造基地项目，预估总投资就高达494亿元人民币。其中，厂房的建设工程投资就高达约80亿元，内部生产设备的投资更是高昂。这样的厂房一旦发生火灾，所造成的经济损失是无法估量的。而企业停产造成的损失的和后期恢复生产所需的投资更是巨大。

由此可见，预防火灾的发生，显然是洁净厂房运营和管理首当其冲的安全任务。工程设计人员需要重点考虑的，是火灾一旦发生，如何在第一时间发现险情，从而是消防相关人员能够迅速的控制险情、最大程度降低损失。

2、洁净厂房火灾探测器的选择

2.1洁净厂房火灾探测器选择的原则

（1）注重火灾探测器的灵敏度。如前所述，基于洁净厂房发生火灾会造成极大的损失，因此选择火灾探测器时，必须以能够尽早发现火情作为首要考虑因素。一般来说，火灾可分为四个阶段：第一阶段是火灾的初始阶段，会产生肉眼不可见的烟；第二阶段，人们可以发现明显的烟雾存在；而第三阶段，阴燃聚集的热量导致物质出现明火；最后一个阶段属于高温强热阶段，火灾会释放大量的热量。因此，洁净厂房内使用的火灾探测器应具备较高的灵敏度，在火灾第一阶段就做出报警，最大限度降低火灾造成损失。

（2）注重火灾探测器的误报率。通常情况下，伴随火灾探测器高灵敏度特性的就是高误报率。在洁净厂房的日常生产中，误报可能会导致人员恐慌、生产线暂停等情况。而很多生产线一旦暂停，重新启动需要现场长的时间，也会伴随产生相当数量的废品，同样也会造成经济损失。因此应该选择那些极低误报率的产品。

（3）注重设备的智能化程度。火灾的探测是一种特殊类型的信号检测，除去火灾探测器本身在现场利用自身的探测原理和结构进行探测外，其系统应能有相关的智能芯片提供微处理技术对火灾信号进行计算、处理和确认。系统的智能化程度对火灾探测器的探测结果的准确性提供保证。

（4）注重火灾探测器的安装和维护便利程度。选择便于安装的火灾探测器，能够大量节省施工安装和系统调试的时间，从而降低施工成本。而由于洁净厂房的高度防尘要求，显然不具备经常对设备进行维护的条件，所以要尽可能选择便于维护的火灾探测器。

2.2传统的火灾探测器的缺陷

传统火灾探测器常见于以下几种：光电感烟火灾探测器、感温火灾探测器、火焰探测器等等。如同前文2.1.（1）中所述，光电感烟火灾探测器能够在火灾的第二阶段发出警报，感温火灾探测器则要到火灾的第四阶段才能发出警报，火焰探测器也至少要到火灾的第三阶段才能发出警报。由此可见，即便是能够在火灾第二阶段就能实现警报的光电感烟火灾探测器，亦不能满足洁净厂房火灾探测器的要求。

此外，这几种传统的火灾探测器，全部属于被动式探测器。以光电感烟火灾探测器为例，其探测的对象为烟雾中的固体颗粒，当烟雾飘至探测器，并达到探测器的探测下限时，探测器才会发生报警。但在洁净厂房中，为满足工艺生产对环境洁净度要求，对气流流型、风速、换气量都做了详细规定（可参见《洁净厂房设计规范GB50073-2013》）。很多洁净厂房常采用“上送下回”或“上送侧回”的风系统，加上不同于普通房间的气体流速和换气次数，将极大减少甚至完全消除火灾烟雾颗粒抵达光电感烟火灾探测器的几率。这样一来，探测器的探测功能几乎丧失，无法适用。

2.3适用于洁净厂房的特种火灾探测器

（1）吸气式感烟火灾探测器

吸气式感烟火灾探测器已在发达国家电子高科技洁净厂房内广泛运用多年。此前在我国被称为“极早期烟雾探测器”、“极早期火灾报警系统探测器”等等，直到2008年才在《特种火灾探测器GB15631-2008》中才正式命名为吸气式感烟火灾探测器，并在2013年列入《火灾自动报警系统设计规范GB50116-2013》，规定了相关设计细则，并在条文中写明宜用于“具有高速气流的场所”、“需要进行火灾早期探测的重要场所”，又在条文解释中注明了适用于“无尘室”（即洁净室），方从制度上为广大设计人员提供了设计理论依据。

相对于传统火灾探测器，吸气式感烟火灾探测器面世时间较短，特别是我国的国家标准问世较晚，导致各设备厂家生产的设备参数不尽相同，但探测的原理基本相同：吸气式感烟火灾探测器在气体采样管上设置采样孔，通过探测器内设吸气泵的作用在采样管内产生负压，从而形成稳定的气流，将被保护区域内的空气样本吸入采样孔，再通过管网进入探测器，由探测器内部的激光探测装置对空气样本中的烟雾颗粒的尺寸及浓度进行识别、测量和计算，最终实现对火灾的监控和报警。吸气式感烟火灾探测器通常具备如下共同的特点：

A.灵敏度高。灵敏度高达0.04%~0.005obs/m，是常规火灾探测器灵敏度的100~1000倍，且阈值在0.004%~20%obs/m范围内可调。

B.探测范围广。可探测直径在0.0003~10um的各类烟雾颗粒。

C.发现火情早。在火灾第一阶段就能探测到不可见的烟雾颗粒并实现报警，提前于传统探测器0.5~2h。

D.多级报警输出。当前的吸气式感烟火灾探测器通常有不低于4级的继电器信号输出，便于与火警系统联动控制功能的匹配，还可反馈故障、隔离等信号。

E.强大的联网功能。探测器之间，探测器与主机之间有强大的联网功能，并且有协议和接口能够与用户PC机或其他报警系统实现对接联网。

（2）点型激光感烟探测器

在常用的点型感烟火灾探测器中，有一种激光感烟火灾探测器。在这种探测器的内部，设置有激光侦测系统。在限定的标准环境中，配合火灾报警控制器自带的软件算法，其灵敏度可达到0.1obs/m，是传统光电感烟火灾探测器的10~50倍。由于其安装方便，也适用于洁净厂房中的某些场所。

3、洁净厂房火灾探测器的应用

在洁净厂房内，一般设计考虑采用吸气式感烟火灾探测器和点型激光感烟火灾探测器结合的使用的方式。基于洁净厂房内的高速气流，厂房生产时大部分区域主要依靠吸气式感烟火灾探测器进行防护。

3.1吸气式感烟火灾探测器的设计原则

（1）采样管网的设置。采样管网设置的核心问题在于能够使探测器最有效地采集到火灾烟雾颗粒，使其从采样孔尽快达到探测器。从工程实践来看，烟雾颗粒从最远的采样孔到达探测器的时间控制在60秒之内较为理想。而根据应用场所不同，采样管可采取标准采样、毛细管采样和回风采样等多种方式。采样管网的设计完成后，并且必须由设备厂家提供自身的计算软件，对设计进行仿真验算并反馈修改，使得采样管网的布置方案达到最优。

（2）采样管的设计原则：《火灾自动报警系统设计规GB50116-2013》对采样管的长度、孔数已做了详细规定，本文不作赘述。需要强调的是，为了获得合适的空气样本，采样管不应该设置在有气流分层或气流不循环的区域采样孔应朝向空留流动的方向，并且探测器的排气管处的气压应低于或等于采样管探测区域的气压。因此，设计师应及时与暖通设计人员进行密切沟通。

3.2吸气式感烟火灾探测器的具体应用

各类洁净厂房设置的洁净室并不相同，存在多种的气流方式，因此吸气式感烟火灾探测器的设置方法也要“因地制宜”，常见的几种应用如下

（1）利用技术下夹层回风的洁净室：技术下夹层通常气流速度较高，同时下夹层除了回风之外，通常敷设了大量的水、暖、气、电的管道和桥架如果采样管网被其他管道所遮挡，对火灾的早期探测和报警极为不利。所以对于这样的洁净室，应将采样管网设置在下夹层的顶端，即洁净室的高架地板下方。

（2）利用回风夹道回风的洁净室：回风夹道的下方靠墙的区域通常为回风区域，采样管应布置在回风夹道下边靠墙处。

（3）利用技术下夹层和回风夹道回风的洁净室：需同时在技术下夹层（即生产区高架地板下方）和回风夹道（下方）同时设置采样管。

（4）送风口和回风口均位于吊顶上的洁净室：应在每一个回风口处设置采样孔。

（5）必要时，还可对风管内的火灾烟雾颗粒探测：每一条回风支管都进行采样。另考虑到净化空调系统电加热器的超温断电保护装置一旦发生故障，则新风机内很有可能发生火灾，故为提高保护等级，在空气处理后的新风管中进行探测也十分必要。

3.3点型激光感烟火灾探测器的应用

在洁净厂房的非生产状态下，例如员工休假、停工检修等情况，整个厂房的风系统可能完全停止（部分设置了值班风机的厂房除外）。这种状况下，整个厂房内部的空气流动状况与普通房间无异。此时如果发生火灾，则烟雾颗粒会按照传统方式向上方扩散和堆积，设置在高架地板下或回风夹道附近的吸气式感烟火灾探测器便失去了探测作用。因此，在楼板上和吊顶下方按照普通房间设置点型火灾探测器是非常重要的。并且，为了达到尽早报警的效果，应选用灵敏度高的激光感烟火灾探测器（设有值班风机的洁净室可不设置）。

4、洁净厂房火灾探测的常见问题

（1）当多个洁净室公用一个技术下夹层时，空气采样管网的设置不得跨越洁净等级不同的洁净室。

（2）对于大空间洁净室的共用技术下夹层，吸气式感烟火灾探测器应尽量设置多根采样管，从而尽可能缩短单根采样管的长度，使得监视的区域不至过分狭长，以缩短空气样本的传输时间。

（3）洁净厂房内除了生产用洁净室外，还有一些辅助房间，例如更衣、换鞋等区域亦设有通风设施。在设置火灾探测器时，应充分考虑其影响。

（4）吸气式感烟火灾探测器较多时，应自成网络，主机设在消防控制室内，与火灾自动报警系统主机联网。此外，在探测器设置的现场，应通过模块连接火警总线接入火灾自动报警系统。基于其重要性，宜单独设置火警总线，甚至对每台吸气式感烟火灾探测器均设置短路隔离器。在特别重要的区域，应通过探测器的输出直接联动相关设备。探测器数量较少时，可直接通过模块连接火警总线接入火灾自动报警系统，不必自成网络。但在特别重要的区域，仍应通过探测器的输出直接联动相关设备。

5、结束语

在我国建设制造强国的目标指引下，在可见的未来，洁净厂房在我国将会大力兴建。洁净厂房的消防安全至关重要，一旦洁净厂房发生火灾，必须要尽可能早的发现险情，防止火灾的进一步扩大，以避免人身生命和巨额的财产损失。而科学的选择和设置火灾探测器，是整个消防金字塔的塔基。

参考文献

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