主泵區域火災探測的創新投運

干炯申，張瑞華，周 煥

（中核核電運行管理有限公司 維修三處，浙江 海鹽 314300）

0 引言

中核運行秦山第二核電廠1、2號機組是中國自主設計、自主建造、自主管理和自主運營的首座2×60萬千瓦商用壓水堆核電站，分別于2002年4月和2004年5月投入商業運行。目前核電站主泵區域的火災監視采用兩種類型的探測器——紅外火焰探測器和VESDA空氣采樣系統。紅外火焰探測器為西安博康公司生產的三波段探測器，采用3個波長不同的光學紅外傳感器來識別火焰情況。一個傳感器作為火焰探測，另外兩個傳感器分別作為背景紅外輻射的探測。VESDA空氣采樣系統，由澳大利亞Vision公司出品，是基于激光探測技術和微處理器控制技術的煙霧探測裝置。

此兩類探測器在機組運行初期較好地完成了主泵區域的火災監視任務，但隨著機組運行周期加長，設備在高溫高輻射區域運行后的加速老化，設備升級換代，使用壽命過長等問題導致設備故障頻發。尤其在近幾年的運行過程中，因主泵區域火災探測故障導致失去部分火災監視，引起記錄IO（設備不可運行性）次數過多，嚴重影響機組運行狀態的保持。維修三處針對此類問題成立項目組，和技術部門一起討論分析、調研，并開發設計方案對現狀進行整改。

1 火災探測設備現狀

1.1 國內外發展狀況

隨著微電子技術、探測傳感器技術、通信和網絡化技術的飛速發展，國內外火災探測的主流技術[1]已發生很大改變。早期機械感溫探測技術、離子感煙技術已不能滿足需要，其應用范圍已逐漸縮小，光電感煙探測技術、分布式光纖測溫技術、多元復合探測技術、激光探測技術、圖像監測技術、超早期火災探測報警技術得到了很大發展，其應用產品也日漸成熟，大大降低了火災探測報警系統的誤報漏報率，具有較強的穩定性、可靠性和抗干擾能力[2]。

表1 紅外探測器特點Table 1 Features of infrared detectors

表2 空氣采樣系統特點Table 2 Features of air sampling system

本廠的火災探測設備還是幾年前的產品，無論是性能還是技術上都已落后，需進行更換以適應新的火災探測要求。

1.2 主泵區域火災探測設備現狀及存在的問題

1.2.1 紅外火焰探測器

紅外火焰探測器適用于火災萌發時以火焰為主的危險場所，利用光的散射原理工作，發出報警信號。它由于采用了3個波長不同的光學紅外傳感器來識別火焰情況，一個傳感器作為火焰探測，另外兩個傳感器分別作為背景紅外輻射探測，傳感器的信號通過放大和處理后，由內置的CPU進行輸入信號的分析判斷以及輸出信號的變換，根據采集的信號，動態進行分析，做出準確地判斷。

主泵區域為重要區域，發生火災會造成重大的影響。紅外火焰探測器是根據火焰來判斷火情的，也就是說它不能在火災的早期檢測到火情。而在關鍵區域，最好在未產生火焰的階段就能監測到火情，從而進行相應的滅火工作。表1為紅外探測器的特點。

1.2.2 空氣采樣系統

隨著超早期火災探測報警技術日漸成熟，可實現早期火災報警的空氣采樣感煙火災探測系統穩定性好、可靠性高和抗干擾能力強，特別適應于環境惡劣、干擾性大、空間大、危險程度高、保護對象價值大的特殊環境。在各工業場所、高大空間建筑物等對火災探測報警系統要求嚴格的地方，發揮著普通火災探測報警系統所不能達到的作用[1]。

但之前使用的VESDA系統，一臺主機只有3個管道口，管道總長度不超過200m，單管長度不超過100m，無法到達主泵的內環廊區域，且只能檢測到探測器本身和管道，無法精確定位到具體的區域。表2為空氣采樣系統的特點。

2 火災探測設備的選擇

2.1 主泵區域的環境特點

主泵區域是核電廠的關鍵敏感區域，其中反應堆冷卻劑泵是重要設備。它的功能是使冷卻劑形成強迫循環，從而把反應堆中產生的熱能傳送至蒸汽發生器，以產生蒸汽，驅動汽輪機做功。

一旦主泵區域發生火災，那將是災難性的。資料顯示火災的發生通常會經過4個階段，即：

第1階段，醞釀期（Incipient Stage）為火災的陰燃階段，產生不可見煙霧。從不可見煙霧到下一個可見煙霧階段的火災醞釀期，時間可長達0min～120min。

第2階段，可見煙霧（Visible Smoke）到大火（Flaming Fire）燃燒，約為10 min。

第3階段，大火到烈火（Intense Heat）為燃燒期，約10min。

第4階段，烈火全部燃燒，約為10min[3]。

從這4個階段可以看出火災發生的第1階段持續時間最長且危害最小，所以主泵區域的火災探測設備最好在火災形成的初期就能監測到火情，將危險控制在最小。而且主泵區域由于在核島，高溫高輻射，紅區劑量率為0.1Sv/h＜D（1Sv≈102rad），所用設備必須有抗輻射許可。在日常投用時，主泵正常轉動，將產生大量噪音，會限制一些火災探測設備的使用。

2.2 新型火災探測設備的要求

考慮到火災設備的穩定性對環境的適應性監測的要求，最后確定使用新的空氣采樣系統來代替現有的火災設備，但新的空氣采樣系統必須滿足以下幾個要求：1）新的空氣采樣系統必須要覆蓋到主泵區域中的內環廊側，來代替原先的紅外火焰探測器；2）考慮到設備的冗余性，原先的單路管道需要變成雙路的，內環廊區域也是如此，即每臺主機需接上4根采樣管；3）主泵區域有4層，原先的空氣采樣系統沒有定位具體的房間，是和紅外探測器一起配合使用定位的，但現在取消了紅外火焰探測器，所以需要用其他設備輔助新的空氣采樣系統來定位房間。

圖1 探測腔煙霧補償示意圖Fig.1 Diagram of detection cavity smoke compensation

2.3 ASD空氣采樣系統可行性分析

基于以上幾條要考慮的點，最終選擇了瑞士賽庫瑞登的ASD 535吸氣式感煙探測器。它的單根采樣管最長距離為300m，可以保證覆蓋到內環廊。它有1/2根配有獨立氣流檢測儀的采樣管道，即一臺主機有兩個腔，腔體能獨立工作，即使一個腔體故障也不會影響到火災的探測。它的最高靈敏度可達0.002%Obs/m，精度十分高，能確保在火災初期就能檢測到煙霧，發現火情。它能配上靈敏度為0.01%Obs/m的煙霧傳感器來確定具體的房間。

之所以選擇ASD 535吸氣式感煙探測器，還因為它的一些特有的核心技術。主泵間及內環廊是十分重要的區域，對火災探測的要求也十分高，對于任何會影響火災探測功能的情況都要考慮進去。對于空氣采樣系統來說，識別煙霧是它主要的功能，ASD的核心技術之一的灰塵顆粒抑制技術，便可以減少灰塵對煙霧探測的影響。高頻LED探測傳感器每秒發射64個脈沖。在全部是煙霧的情況下，光收集器接收到64個脈沖。如果有灰塵存在，光收集器接收的脈沖數量會小于64個。探測器通過脈沖的接收，可以精確地去除現場的灰塵。

另一項核心技術——探測腔污染補償，可以補償探測腔灰塵積累的影響。相對于基準信號，新的煙霧傳感器的報警閾值定義為100%。隨著系統工作的持續，傳感器會收集越來越多的灰塵顆粒。因此，基準信號也隨之上升變化。報警閾值將被同步的糾正以此來獲取同基準信號持續的差值。

綜上，ASD 535吸氣式感煙探測器能滿足現場的要求。

3 現場實施

3.1 主機與電源的實施

區別于以前的單主機探測方式，這次開發了新形式的探測方式，使用雙冗余吸氣式探測：每臺主泵間均有兩臺ASD吸氣式火災主機雙運行探測，一臺為主，另一臺熱備用；每臺采樣主機有各自獨立的空氣采樣管道，互不干擾，極大地提升了主泵間火災探測的可靠性，此類運行方式對國內在役核電是首次運用。

主泵區域高溫高輻射的環境無法改變，如果將設備安裝在此區域勢必不穩定。目前市面上現有設備均無法保證長期穩定運行。因此，考慮空氣采樣系統的優勢，將受環境影響不大的探測管道環繞安裝在主泵區域，探測主機安裝在環境較好的外環廊，如此大大提高了探測器主設備的穩定性。

關于電源方面，此次ASD系統采用雙電源冗余，主泵間探測裝置所用的220v和24v電源分別采用雙冗余電源供電，進一步提升了設備運行的可靠性，即便有一路電源檢修，也可保證主泵的火災探測不受影響。

3.2 電纜、采樣管的實施

在確定了主要設備的安裝位置后，就要考慮整個施工最復雜，也是最關鍵的地方即如何在錯綜復雜的現場將電纜、采樣管的路徑核實出來。

3.2.1 采樣管的敷設與焊接

采樣管的敷設均為環形分布，不穿插現場設備。以一號機組為例，主泵間R411/R511/R611房間參照原有抽氣小室管道路徑再并行加裝一套空氣采樣管道，并從內環廊R313房間配置兩套空氣采樣管道至R510房間，將原有的抽氣小室管道與新增的空氣采樣管道分別與安裝在外環廊（R510）的兩臺ASD管型吸氣式探測系統主機連接。確保兩臺ASD管型吸氣式探測系統主機均有一套空氣采樣管道（4組采樣管）送至R313/R411/R511/R611房間。

另外，安裝前需要了解現場施工條件，確定物料尺寸以便于物料運輸安裝，如采樣管的運輸，每根采樣管近10m長，無法在核島內運輸至主泵區域，所以在施工前需考慮材料運輸的可能性，經過測量運輸通道，得出采樣管需切割至每根3m才能順利從運輸通道進入，提前解決了無法正常運輸的問題。

圖2 R411房間采樣管敷設示意圖Fig.2 R411 Room sampling pipe laying diagram

圖3 電源、信號電纜的連接圖Fig.3 Connection diagram of power supply and signal cable

在項目實施過程中，腳手架搭建及拆除、拆封堵、焊接、無損檢測等工作和多部門都有交叉作業，找到合適的時間點具有事半功倍的效果。比如腳手架搭設，需要錯開機械主泵整體吊裝的工作；比如采樣管焊接及無損檢測，該工作為順序執行，必須在焊接后由檢測人員驗收通過才可進行下一步，這都需要項目組進行合理的規劃和協調。

3.2.2 電纜敷設路徑的選擇

為確保電纜敷設能夠快速順利實施，在電纜敷設前先將貫穿件內外底板拆卸運至機加工廠，根據所需敷設的電纜大小、數量進行開孔并加裝格蘭頭；核實現場電纜敷設的具體路徑，明確敷設時需要拆封堵的各個位置等。核實路徑時，把電源、貫穿件、核島主機作為3個基點，分兩段來統計路徑；在敷設時也分兩段進行，已達到節省時間的效果。

3.2.3 接口模塊和煙霧探測器的安裝

為了監測到火情的具體位置，需要安裝煙霧探測器作為地址模塊，它的精度與ASD探測腔設定精度一樣。另外還要配合相應的接口模塊，把信號傳輸到另一套系統——火災報警主機（JDT）上，這樣火災報警主機就能實時監測主泵區域。

以前紅外火焰探測器的接口模塊都放在外環廊處，雖然外環廊劑量小，但在大修時，人來人往，施工頻繁，為了保護模塊以及避免外部灰塵對煙霧探測的影響。將ASD主機、接口模塊、煙霧探測器統一起來，都安裝在箱體內，從而達到整體保護的效果。

圖4 ASD箱體內部一覽Fig.4 Inside the ASD box at a glance

4 實施效果

4.1 改進后的故障率

1號機組主泵房間新型火災探測方式于2016年4月投用，2號機組于2017年9月投用。新安裝的主泵間火災探測裝置已穩定運行近兩年，兩機組無任何缺陷及故障，也就沒有維修人員滿功率進核島主泵區域處理缺陷，設備維護成本、人力成本均大大下降。從近兩年的運行現狀可以看出電源的雙冗余、定位到房間的精準探測等新手段發揮了良好的效果，主泵間的火災探測穩定性和準確性大大提高。

4.2 實施后的推廣

這次火災探測的創新投運，依靠了前期多年的維護經驗，為后續在役核電站主泵區域火災系統改造提供了寶貴經驗，改造期間所涉及的經驗值得推廣、應用。目前秦二廠4號機組主泵間已經參照1、2號機組進行了改造。