AP1000核電廠火災報警系統設計分析研究

王鑫

摘要：核安全是核電廠的生命線，國內外核電站運行經驗表明，火災可以對核電站的核安全造成潛在威脅。因此核電廠的火災報警系統對核廠的核安全有著至關重要的作用。本文對AP1000核電廠火警系統的設計進行分析研究，分析設計優點并研究改進不足之處。首先，對核島部分火災報警系統進行簡述。之后，針對現場設備的運維實際情況進行分析研究。最后總結設計優點并針對設計不足提出改進意見。

關鍵詞：AP1000 核電; 火災報警系統; SIMPLEX

1? ?引言

核電是國家能源的重要組成部分，建設核電廠將積極推動新舊動能轉換。AP1000核電廠作為國家重點引進的三代核電技術，具有先進的設計理念和更高的安全要求。分析研究AP1000電廠的火災報警系統，有助于對后續核電廠的設計及建設提供幫助，對我國自主化核電廠的設計優化有更加重要的意義。

本篇論文開始介紹核電廠火災報警系統，之后，針對現場設備的運維實際情況進行分析研究。最后總結設計優點并針對設計不足提出改進意見。

2? ?核島火災報警系統簡介

AP1000核電廠的火災報警系統由西屋公司提供設計文件。主要功能有：1.通過遍布全核島的火災探測器實現對核島廠房火警信息的連續實時監測和記錄。2.對核島區域消防管網的閥門狀態和2臺消防泵的運行狀態進行監測。3.特定探測器的火警信息聯動電梯、風機、防火閥、雨淋閥等設備。4.報出并記錄火災報警系統內的控制器和探測器的故障信息。

AP1000火災報警系統包含火警控制器網絡和火災探測器網絡。火警控制器網絡是一個環形網絡，環網中包含綜合顯示主機、區域火警控制器、噴淋控制器、區域圖文顯示器。每個區域火警控制器上可以建立多個火災探測器網絡，火災探測器網絡由多個火災探測器、輸入模塊、輸出模塊、手動報警按鈕和聲光報警器組成。

實現火警信息的監測和記錄是火災報警系統設計的主要目的，通過火警控制器和火災探測器的配合就可以實現此功能。AP1000核島火災報警系統采用SIMPLEX公司設備，火警控制器采用4100U系列，AP1000核電廠核島區域每個廠房至少設置一臺火警控制器，多個火警控制器之間使用CAN通訊協議進行通訊連接并組成環網。一個環網上的主機可以實現信息的共享，因此在AP1000核電廠的火災報警系統可以設置多臺主機，設置多個值班室同時對火警信息監控，可以有效避免人為原因漏報火警信息。

AP1000電廠的火災報警系統的聯動關系設計較為特殊，單個火災探測器的火警信息就可以聯動相關設備，相關設備包括電梯、風機、防火閥、雨淋閥、聲光報警器。手動報警按鈕作為報警輔助，只聯動聲光報警器，提示現場人員及時撤離。后續的變更可以參考現行國標GB_50116_2013，更改為兩種火災探測器的火警信息觸發聯動設備。

3? ?設備選型與安裝

3.1? 火警控制器

SIMPLEX火警控制器的基本組成包括電源卡、CPU卡、網卡、回路卡、顯示單元、備用電源蓄電池等。電源卡集成了變壓器和CPU卡槽、網卡卡槽，起到電壓轉換和集成底板的作用。CPU卡包含火警編程程序并存儲火警、故障信息。網卡負責建立火警控制器間的通訊，控制器間使用CAN總線通訊。回路卡負責建立火警控制器與火災探測器的通訊，使用SIMPLEX廠家研發的IDNet通訊協議，一個火警控制器最多支持6個回路卡。顯示單元起到人機交互的作用。SIMPLEX火警控制器需要使用特定的編程軟件ES program進行編程，不支持在線編輯。

AP1000電廠在安全殼廠房、放射性廢物廠房、柴油機廠房各設置了一臺火警控制器，在輔助廠房設置了7臺火警控制器、在附屬廠房設置了3臺火警控制器，核島部分共使用了13臺火警控制器。每臺火警控制器攜帶一條火災探測器回路。這樣設計的話，優點是不會因火警控制器的故障導致多個火災探測器回路、多個監測區域失效。缺點是設備利用率低，可以考慮減少火警控制器的數量，每個火警控制器攜帶多條火災探測器回路。在安全殼廠房、放射性廢物廠房、柴油機廠房、輻射控制區輔助廠房、非輻射控制區輔助廠房、附屬廠房各設置一臺火警控制器，將火警控制器數量減少至6臺。

3.2? 火災探測器

根據可燃物的類型及數量、燃燒特點、廠房的布置情況，AP1000電廠布置多種類型火災探測器。在安全殼廠房內使用輸入模塊與定溫式溫感探測器組合的方式對非電纜橋架區域進行火情監控。溫感探測器正常狀態輸出常開接點，觸發火警信號時輸出常閉接點。輸入模塊接入火警控制器的火災探測器環網，與火警控制器建立通訊，并將探測器的干接點信號傳輸給火警控制器。溫感探測器不含電子元件，耐輻照性能較好，不易產生故障報警。但是輸入模塊由電子元件組成，在輻射后易產生故障報警。輸入模塊的故障將導致與之相連的溫感探測器失去火情監控功能。

潮濕環境一直是導致火災報警系統誤報和故障的主要原因之一，冷凝水和霧氣會導致煙感探測器誤報火警，嚴重的冷凝水會損壞設備的電路部分。SIMPLEX設備的使用環境要求濕度在10%至93%之間，且不能存在冷凝水。潮濕主要是由于冷熱溫差導致，進入夏季環境溫度偏高，廠房內部溫度偏低，潮濕環境主要產生在廠房的外壁區域，如環廊區域。

建議后續設計考慮將環廊區域的煙感探測器更改為溫感探測器，以避免霧氣的干擾。并在探測器位置上增加電加熱裝置以避免冷凝水的干擾，如使用包含電加熱功能的探測器底座。

感溫光纖對比線型感溫電纜更適合在核島區域使用。感溫光纖主機可以顯示現場溫度實時值，光纖中石英分子鍵會受溫度上升而產生晶格振動。這種振動會導致在光纖中傳輸的光產生拉曼散射，而散射量的大小可以直接反應溫度的高低。線型感溫電纜只能反饋開關量的火警信號。而且光纖的相較于感溫電纜的材質耐輻射性能更加優異，更加適合應用于核電廠。

4? ?結論與展望

4.1? 設計優點

（1）火警控制器網絡采用環網設計，火警控制器之間可以共享探測器信息，根據需要可以設置多臺主機對所有探測器的火警、故障信息進行監控。

（2）安全殼內火災探測器的選型較為合理，采用金屬結構的溫感探測器和感溫光纖的搭配，探測器耐輻照性能較好。

（3）根據廠房布置，可燃物種類、數量選取合適的火災探測器進行火情監控。

4.2? 有待改進

（1）火警控制器安裝位置和數量可以進行優化，在安全殼廠房、放射性廢物廠房、柴油機廠房、輻射控制區輔助廠房、非輻射控制區輔助廠房、附屬廠房各設置一臺火警控制器，將火警控制器數量減少至6臺。

（2）通過增加光纖主機通道數量和每個通道的光纖長度可以對光纖主機的數量優化，相較于感溫電纜，感溫光纖的價格優勢在于單位長度的光纖價格低于感溫電纜，而光纖主機的價格遠遠高于感溫電纜控制器。減少光纖主機數量對成本控制有較大幫助。

（3）安全殼廠房內輸入模塊安裝位置有待優化，應該設計在輻射劑量小、便于檢修的位置。

（4）將單火災探測器火警信息聯動設備更改為雙探測器聯動設備動作。可以避免火警設備誤報導致的噴淋、電梯、風機、防火閥等設備動作。

（5）考慮潮濕環境對火警設備的影響，對探測器選型、探測器的安裝進行優化。

（6）將消防閥門開關信號接入DCS系統，并制作相關畫面，將防火分區與消防閥門狀態在畫面中對應起來，可以更加直觀監控實時消防閥門狀態。

4.3? 展望

本文對AP1000核電站火災報警系統的設計進行分析研究，總結出3項優點，希望在后續核電站火災報警系統的設計中可以繼續采納。提出了6項待優化的設計問題，期待同行及專家可以繼續分析研究，發現更多有待優化的設計，分析研究出更加優秀的解決方案，不斷完善系統設計，為國內核電項目的火警系統設計和優化提供有益借鑒。

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