核電廠RCP主泵間火災探測改進和設計要點分析

吳超 任科 周濤

摘要：文章對核電廠RCP主泵間火災探測進行了研究，分析了RCP主泵間火災探測方式;分析了吸氣式感煙探測系統采樣管路存在的問題，提出了相關改進措施，闡述了電源故障報警等細節的設計要點。

關鍵詞：吸氣式感煙火災探測器;采樣管路;切換

核電廠反應堆廠房在機組功率運行期間，人員不能直接進入現場監視火災，所以反應堆廠房火災自動報警系統的可靠性就尤為重要。如果火災時系統不報警或沒有火災時系統誤報警都會對機組的正常運行造成影響，甚至影響機組的安全。

1? RCP主泵間火災探測器的選擇

RCP泵是核島一回路驅動冷卻劑主泵[1]，位于反應堆廠房。RCP主泵間有兩個特點，一是空間高，接近20m;二是輻照劑量高[2]，輻射分區屬于紅區。根據這兩個特點，主泵間火災探測器不適宜選擇常用的點型感煙探測器和點型感溫探測器。原因有兩點：

（1）點型感煙探測器的安裝高度一般不超過12m，即使在封閉的空間，安裝高度也不能超過14m;點型感溫探測器安裝高度不超過8m[3]。主泵間顯然不適合選用這兩款探測器。

（2）點型感煙探測器和點型感溫探測器由于內部裝有電子部件，電子部件耐輻照能力差。在高劑量輻照環境下，探測器前期會出現頻繁誤報，后期會出現故障報警，甚至徹底損壞。

雖然線型光束感煙探測器適用于高大空間，但線型光束感煙探測器同樣帶有電子部件，也不適合在高輻照劑量的主泵間使用。其他探測部位帶有電子部件的火災探測器，比如火焰探測器、線型感溫探測器等，均不適用于主泵間。

綜上所述，探測部件上不能帶電子部件，按照這一思路，采用了吸氣式感煙探測器，即在主泵間內只布置采樣管，含有電子部件的控制器安裝在主泵間之外。采樣管從主泵間伸出，連接至控制器，主泵間的空氣樣本從采樣管吸入控制器內的腔體。采用這種方式，吸氣式感煙探測器的控制器避開了主泵間的高劑量輻照。再則，按照GB 50116-2013《火災自動報警報警系統設計規范》5.4.1.2條“點型感煙、感溫火災探測器不適宜在大空間、舞臺上方、建筑高度超過12m或有特殊要求的場所”[4]宜選擇吸取式感煙探測器。所以在RCP主泵間采用吸氣式感煙探測器是比較合適的探測方式。

2? 采樣管管路設置及改進

吸氣式感煙探測器由采樣管和主機組成，主機內部安裝有吸氣泵、探測腔、控制電路等設備[5]。由于反應堆廠房在運行期間不便進入，所以每個主泵間設置兩套吸氣式感煙探測器主機，互為備用。主控室操作員可以選擇任意一臺主機工作，另一臺作為備用，當處于工作狀態的控制器發生故障則切換至另一臺。吸氣式感煙探測器主機設置在核島主泵間外，空氣采樣管伸入主泵間內抽取空氣樣本進行分析，當發生火災時發出報警。

這種冗余設計采用了兩套獨立的控制系統，當一臺控制器失效時不會導致探測系統失效，符合ETC-F提出的核島消防設備能動部件冗余的思想，符合隨機故障的要求。早期CPR1000堆型的多臺機組正是采用了以上設計思路，但兩套探測系統共用一套空氣采樣管路，也造成了以下缺陷和隱患。

2.1? 探測管路的缺陷

兩套吸氣式感煙探測器主機是各自獨立、互為備用的，但探測管路共用，也就是共用同一根空氣采樣管接入主泵間。這就導致抽取的氣體樣本不完全來自被探測區域，如圖1，當1#吸氣式感煙探測器主機工作時，由于兩臺主機共用采樣管，停止工作的2#主機氣流處于逆行狀態，會從周圍環境中吸取空氣，倒灌至1#主機分析腔內。由于兩臺空氣采樣控制器都安裝在主泵間外，故而，1#空氣采樣控制器采樣的空氣樣本一部分來自主泵間內，另一部分的空氣樣本來自主泵間外，導致該探測系統不能真實地探測主泵間的火災情況，有漏報和誤報火災的風險。

為了測試從停止的吸氣式探測器主機進入正在工作的吸氣式探測器主機的氣流量，設備供應商進行了如下實驗：

如圖2，在1#吸氣式探測器主機的分支管道上安裝截止閥，2#吸氣式探測器主機通電運行，1#主機停止。采樣VSC軟件監視2#主機的氣流。當截止閥關閉時，1#吸氣式探測器對2#吸氣式探測器不產生影響，此時軟件VSC顯示到氣流值為1532。當截止閥打開時，1#吸氣式探測器氣流逆行，倒灌至2#吸氣式探測器。此時軟件VSC觀測到氣流值為2824，基本上翻了一倍。

從實驗可以看出兩臺機共用采樣管導致有將近一半的空氣樣本不是來自被探測的區域。也就是說，對于RCP主泵間探測系統，不管是哪臺探測器主機在工作，抽取的空氣一半左右來自主泵間，另一半則是不相干的區域。

僅主機冗余，空氣采樣管不冗余，如果采樣管故障，則系統就不能正常運行。空氣采樣管路是空氣采樣系統中重要的組成部分，直接影響到空氣采樣系統能否有效探測。假設1#吸氣式探測器主機在運行時，空氣采樣管路出現破損或堵塞等故障，探測系統會報出故障，并自動切換到備用的2#吸氣式探測器主機;但此時1#主機并沒有故障，切換之后，由于1#主機、2#主機共用管路，2#主機也會報出相同故障。這樣就會在1#主機、2#主機間來回切換，系統卻不能正常探測。因此兩臺主機共用探測管路，通過主、備探測器切換的方式并不能解決采樣管路故障的問題。

2.2? 管路改進的措施

（1）分離共用的空氣采樣管

既然問題產生于兩套探測系統共用一套空氣采樣管，最直接的改進措施是將共用的空氣采樣管分開。如圖3所示，每臺吸氣式探測器主機配置一套獨立的空氣采樣管，這樣就能保證每臺主機抽取的空氣樣本都來自RCP主泵間，避免了由于空氣樣本的差錯導致火災漏報和誤報的風險。采用這種方式，吸氣式探測器主機和采樣管都實現了冗余備份。

（2）加裝電磁閥

在每個吸氣式探測器主機采樣管路入口或出口處加裝電磁閥作為截止閥，防止空氣從停用的吸氣式探測器主機進入到正在運行主機的采樣管路，該方案是解決氣流逆行倒灌的措施之一。但加裝電磁閥也會帶來問題，在實際應用中，當切換到備用主機工作后其電磁截止閥會長期保持通電狀態，以保證采樣管路的暢通。電磁閥的長時間通電線圈會發熱，長時間帶電發熱工作，易造成電磁閥的損壞，造成采樣空氣無法進入吸氣式探測器主機，探測系統不能正常工作。而且，一個換料周期內未必能夠保證電磁閥不出故障，運行期間通常無法更換安全殼內的設備。

（3）對比

對比上述兩種改進措施，兩套吸氣式探測器主機各自配置一套獨立的采樣管的方式優于在采樣管上加電磁閥的方式。實際改進采用的正是將共用的空氣采樣管分開，每套探測主機各自獨立設置的方式。

3? 其他設計要點分析

改進后，一臺RCP主泵間對應一套冗余的吸氣式感煙探測系統。除了主機和探測管路外，每臺主機需配置一臺電源，將AC220V電源轉換為DC24V電源;還需設置兩臺探測主機的切換和控制裝置，裝置具有故障情況下自動切換的功能，也具有人工手動切換的功能。所以，一套冗余吸氣式感煙探測系統由兩臺探測主機、兩套電源裝置、兩套探測管路及一套切換和控制裝置構成。依照系統的組成，設計時應注意以下幾點。

（1）反應堆廠房在機組功率運行期間難以進入，不能去現場查看和操作，所以運行和維修人員希望能在主控室獲取吸氣式感煙探測系統的各類信息，且能進行一些特定的操作。主控室的火災報警琴臺上應設置RCP泵的控制面板，面板上布置有系統運行相關的指示燈和操作按鈕等。主控室的操作人員可以根據需要進行選擇探測主機中的任意一臺工作，當一臺主機工作時另一臺停止，而且，采用旋轉式選擇開關比采樣按鈕更可靠，如果采用按鈕，當1#主機按鈕動作時，1#主機投運，需要通過互鎖電路鎖住2#主機不能投運。

（2）兩套吸氣式探測器主機的上游各有一臺將AC20V 轉換為DC24V的電源裝置，電源裝置的故障信息應送至主控室，如果不送出，當電源裝置故障，主控室操作員得不到相關的信息，系統帶故障運行，就失去了冗余備份的功能。增加了對空氣采樣控制器上游的電源裝置故障報警的監視，主控室操縱員能及時了解電源的狀態。

（3）吸氣式探測系統的火警信號接至核島火災自動報警系統，需要注意的是，一套探測系統共有火警、預警、探測系統設備故障、電源故障等4個信號接至核島火災自動報警系統。這些信號都能在主控室顯示和報警。

如圖4，上述4個信號配套設置輸入模塊，當出現報警或故障信號時，觸發輸入模塊動作，信號通過輸入模塊送至核島火災自動報警系統，并在主控室發出報警，操作員可以及時查看和進行后續處理。

4? 結語

上述改進已在新建的CPR1000機組和華龍一號機組實施，總結如下：

（1）將兩套吸氣式感煙探測器共用的采樣管改為每臺探測器配置一套獨立采樣管，從根本上解決了氣流從一臺探測器向另一臺探測器逆向倒灌的問題，徹底解決了空氣樣本不真實的問題，避免因空氣樣本的差錯導致報警失誤。

（2）設置旋轉式選擇開關，方便主控室操作員隨時選擇任意一臺吸氣式感煙探測器運行，另一臺備用，其他操作員也能從選擇開關上清晰地看到所選擇的探測器。

（3）設置輸入，模塊將火警、故障信號接入火災自動報警系統。增加了對吸氣式探測器上游電源裝置故障的監視，以便主控室操作人員及時了解探測系統電源裝置的運行狀態。

（4）采用增加一套采樣管、增加輸入模塊等少量元件、優化控制電路等手段，提高了探測系統可靠性，操作便利性。費用低廉，效果顯著，消除了系統原有的缺陷。

參考文獻：

[1]周煥，關悅，范雪珍，張進松.核電廠主泵區域空氣采樣系統的維護及改進設想[A].中國核學會核能動力分會.中國核學會核能動力分會2013年學術研討會論文集[C].中國核學會核能動力分會：中國核學會，2013：6.

[2]陸帆.空氣采樣式煙霧探測系統在核電廠的應用[J].核電工程與技術，2010， 023（003）：12-14.

[3]賈宏民.吸氣式火災探測器系統在工程中的應用[J].建筑電氣資訊，2010（001）：31-35.

[4]GB 50116-2013.火災自動報警系統設計規范[S].

[5]田裳，戴永鈞.VESDA極早期煙霧探測預警系統在鐵路火災防范中的應用[J].中國鐵路， 2002（10）：63-65.

Analysis on improving fire detector system designing in pumprooms of nuclear power plant

Wu Chao1， Ren Ke1， Zhou Tao2

（1.China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.;2.Xtralis Pty Ltd）

Abstract：This paper analyzes the fire detector system in major pumprooms of nuclear power plant， points out some problems in current sampling pipeline of suction smoke detection system， gives out relevant improvements， and elucidates design points in power alarming and other details.

Keywords：suction smoke detection system; sampling pipeline; switch