主泵区域火灾探测的创新投运

干炯申，张瑞华，周 焕

（中核核电运行管理有限公司 维修三处，浙江 海盐 314300）

0 引言

中核运行秦山第二核电厂1、2号机组是中国自主设计、自主建造、自主管理和自主运营的首座2×60万千瓦商用压水堆核电站，分别于2002年4月和2004年5月投入商业运行。目前核电站主泵区域的火灾监视采用两种类型的探测器——红外火焰探测器和VESDA空气采样系统。红外火焰探测器为西安博康公司生产的三波段探测器，采用3个波长不同的光学红外传感器来识别火焰情况。一个传感器作为火焰探测，另外两个传感器分别作为背景红外辐射的探测。VESDA空气采样系统，由澳大利亚Vision公司出品，是基于激光探测技术和微处理器控制技术的烟雾探测装置。

此两类探测器在机组运行初期较好地完成了主泵区域的火灾监视任务，但随着机组运行周期加长，设备在高温高辐射区域运行后的加速老化，设备升级换代，使用寿命过长等问题导致设备故障频发。尤其在近几年的运行过程中，因主泵区域火灾探测故障导致失去部分火灾监视，引起记录IO（设备不可运行性）次数过多，严重影响机组运行状态的保持。维修三处针对此类问题成立项目组，和技术部门一起讨论分析、调研，并开发设计方案对现状进行整改。

1 火灾探测设备现状

1.1 国内外发展状况

随着微电子技术、探测传感器技术、通信和网络化技术的飞速发展，国内外火灾探测的主流技术[1]已发生很大改变。早期机械感温探测技术、离子感烟技术已不能满足需要，其应用范围已逐渐缩小，光电感烟探测技术、分布式光纤测温技术、多元复合探测技术、激光探测技术、图像监测技术、超早期火灾探测报警技术得到了很大发展，其应用产品也日渐成熟，大大降低了火灾探测报警系统的误报漏报率，具有较强的稳定性、可靠性和抗干扰能力[2]。

表1 红外探测器特点Table 1 Features of infrared detectors

表2 空气采样系统特点Table 2 Features of air sampling system

本厂的火灾探测设备还是几年前的产品，无论是性能还是技术上都已落后，需进行更换以适应新的火灾探测要求。

1.2 主泵区域火灾探测设备现状及存在的问题

1.2.1 红外火焰探测器

红外火焰探测器适用于火灾萌发时以火焰为主的危险场所，利用光的散射原理工作，发出报警信号。它由于采用了3个波长不同的光学红外传感器来识别火焰情况，一个传感器作为火焰探测，另外两个传感器分别作为背景红外辐射探测，传感器的信号通过放大和处理后，由内置的CPU进行输入信号的分析判断以及输出信号的变换，根据采集的信号，动态进行分析，做出准确地判断。

主泵区域为重要区域，发生火灾会造成重大的影响。红外火焰探测器是根据火焰来判断火情的，也就是说它不能在火灾的早期检测到火情。而在关键区域，最好在未产生火焰的阶段就能监测到火情，从而进行相应的灭火工作。表1为红外探测器的特点。

1.2.2 空气采样系统

随着超早期火灾探测报警技术日渐成熟，可实现早期火灾报警的空气采样感烟火灾探测系统稳定性好、可靠性高和抗干扰能力强，特别适应于环境恶劣、干扰性大、空间大、危险程度高、保护对象价值大的特殊环境。在各工业场所、高大空间建筑物等对火灾探测报警系统要求严格的地方，发挥着普通火灾探测报警系统所不能达到的作用[1]。

但之前使用的VESDA系统，一台主机只有3个管道口，管道总长度不超过200m，单管长度不超过100m，无法到达主泵的内环廊区域，且只能检测到探测器本身和管道，无法精确定位到具体的区域。表2为空气采样系统的特点。

2 火灾探测设备的选择

2.1 主泵区域的环境特点

主泵区域是核电厂的关键敏感区域，其中反应堆冷却剂泵是重要设备。它的功能是使冷却剂形成强迫循环，从而把反应堆中产生的热能传送至蒸汽发生器，以产生蒸汽，驱动汽轮机做功。

一旦主泵区域发生火灾，那将是灾难性的。资料显示火灾的发生通常会经过4个阶段，即：

第1阶段，酝酿期（Incipient Stage）为火灾的阴燃阶段，产生不可见烟雾。从不可见烟雾到下一个可见烟雾阶段的火灾酝酿期，时间可长达0min～120min。

第2阶段，可见烟雾（Visible Smoke）到大火（Flaming Fire）燃烧，约为10 min。

第3阶段，大火到烈火（Intense Heat）为燃烧期，约10min。

第4阶段，烈火全部燃烧，约为10min[3]。

从这4个阶段可以看出火灾发生的第1阶段持续时间最长且危害最小，所以主泵区域的火灾探测设备最好在火灾形成的初期就能监测到火情，将危险控制在最小。而且主泵区域由于在核岛，高温高辐射，红区剂量率为0.1Sv/h＜D（1Sv≈102rad），所用设备必须有抗辐射许可。在日常投用时，主泵正常转动，将产生大量噪音，会限制一些火灾探测设备的使用。

2.2 新型火灾探测设备的要求

考虑到火灾设备的稳定性对环境的适应性监测的要求，最后确定使用新的空气采样系统来代替现有的火灾设备，但新的空气采样系统必须满足以下几个要求：1）新的空气采样系统必须要覆盖到主泵区域中的内环廊侧，来代替原先的红外火焰探测器；2）考虑到设备的冗余性，原先的单路管道需要变成双路的，内环廊区域也是如此，即每台主机需接上4根采样管；3）主泵区域有4层，原先的空气采样系统没有定位具体的房间，是和红外探测器一起配合使用定位的，但现在取消了红外火焰探测器，所以需要用其他设备辅助新的空气采样系统来定位房间。

图1 探测腔烟雾补偿示意图Fig.1 Diagram of detection cavity smoke compensation

2.3 ASD空气采样系统可行性分析

基于以上几条要考虑的点，最终选择了瑞士赛库瑞登的ASD 535吸气式感烟探测器。它的单根采样管最长距离为300m，可以保证覆盖到内环廊。它有1/2根配有独立气流检测仪的采样管道，即一台主机有两个腔，腔体能独立工作，即使一个腔体故障也不会影响到火灾的探测。它的最高灵敏度可达0.002%Obs/m，精度十分高，能确保在火灾初期就能检测到烟雾，发现火情。它能配上灵敏度为0.01%Obs/m的烟雾传感器来确定具体的房间。

之所以选择ASD 535吸气式感烟探测器，还因为它的一些特有的核心技术。主泵间及内环廊是十分重要的区域，对火灾探测的要求也十分高，对于任何会影响火灾探测功能的情况都要考虑进去。对于空气采样系统来说，识别烟雾是它主要的功能，ASD的核心技术之一的灰尘颗粒抑制技术，便可以减少灰尘对烟雾探测的影响。高频LED探测传感器每秒发射64个脉冲。在全部是烟雾的情况下，光收集器接收到64个脉冲。如果有灰尘存在，光收集器接收的脉冲数量会小于64个。探测器通过脉冲的接收，可以精确地去除现场的灰尘。

另一项核心技术——探测腔污染补偿，可以补偿探测腔灰尘积累的影响。相对于基准信号，新的烟雾传感器的报警阈值定义为100%。随着系统工作的持续，传感器会收集越来越多的灰尘颗粒。因此，基准信号也随之上升变化。报警阈值将被同步的纠正以此来获取同基准信号持续的差值。

综上，ASD 535吸气式感烟探测器能满足现场的要求。

3 现场实施

3.1 主机与电源的实施

区别于以前的单主机探测方式，这次开发了新形式的探测方式，使用双冗余吸气式探测：每台主泵间均有两台ASD吸气式火灾主机双运行探测，一台为主，另一台热备用；每台采样主机有各自独立的空气采样管道，互不干扰，极大地提升了主泵间火灾探测的可靠性，此类运行方式对国内在役核电是首次运用。

主泵区域高温高辐射的环境无法改变，如果将设备安装在此区域势必不稳定。目前市面上现有设备均无法保证长期稳定运行。因此，考虑空气采样系统的优势，将受环境影响不大的探测管道环绕安装在主泵区域，探测主机安装在环境较好的外环廊，如此大大提高了探测器主设备的稳定性。

关于电源方面，此次ASD系统采用双电源冗余，主泵间探测装置所用的220v和24v电源分别采用双冗余电源供电，进一步提升了设备运行的可靠性，即便有一路电源检修，也可保证主泵的火灾探测不受影响。

3.2 电缆、采样管的实施

在确定了主要设备的安装位置后，就要考虑整个施工最复杂，也是最关键的地方即如何在错综复杂的现场将电缆、采样管的路径核实出来。

3.2.1 采样管的敷设与焊接

采样管的敷设均为环形分布，不穿插现场设备。以一号机组为例，主泵间R411/R511/R611房间参照原有抽气小室管道路径再并行加装一套空气采样管道，并从内环廊R313房间配置两套空气采样管道至R510房间，将原有的抽气小室管道与新增的空气采样管道分别与安装在外环廊（R510）的两台ASD管型吸气式探测系统主机连接。确保两台ASD管型吸气式探测系统主机均有一套空气采样管道（4组采样管）送至R313/R411/R511/R611房间。

另外，安装前需要了解现场施工条件，确定物料尺寸以便于物料运输安装，如采样管的运输，每根采样管近10m长，无法在核岛内运输至主泵区域，所以在施工前需考虑材料运输的可能性，经过测量运输通道，得出采样管需切割至每根3m才能顺利从运输通道进入，提前解决了无法正常运输的问题。

图2 R411房间采样管敷设示意图Fig.2 R411 Room sampling pipe laying diagram

图3 电源、信号电缆的连接图Fig.3 Connection diagram of power supply and signal cable

在项目实施过程中，脚手架搭建及拆除、拆封堵、焊接、无损检测等工作和多部门都有交叉作业，找到合适的时间点具有事半功倍的效果。比如脚手架搭设，需要错开机械主泵整体吊装的工作；比如采样管焊接及无损检测，该工作为顺序执行，必须在焊接后由检测人员验收通过才可进行下一步，这都需要项目组进行合理的规划和协调。

3.2.2 电缆敷设路径的选择

为确保电缆敷设能够快速顺利实施，在电缆敷设前先将贯穿件内外底板拆卸运至机加工厂，根据所需敷设的电缆大小、数量进行开孔并加装格兰头；核实现场电缆敷设的具体路径，明确敷设时需要拆封堵的各个位置等。核实路径时，把电源、贯穿件、核岛主机作为3个基点，分两段来统计路径；在敷设时也分两段进行，已达到节省时间的效果。

3.2.3 接口模块和烟雾探测器的安装

为了监测到火情的具体位置，需要安装烟雾探测器作为地址模块，它的精度与ASD探测腔设定精度一样。另外还要配合相应的接口模块，把信号传输到另一套系统——火灾报警主机（JDT）上，这样火灾报警主机就能实时监测主泵区域。

以前红外火焰探测器的接口模块都放在外环廊处，虽然外环廊剂量小，但在大修时，人来人往，施工频繁，为了保护模块以及避免外部灰尘对烟雾探测的影响。将ASD主机、接口模块、烟雾探测器统一起来，都安装在箱体内，从而达到整体保护的效果。

图4 ASD箱体内部一览Fig.4 Inside the ASD box at a glance

4 实施效果

4.1 改进后的故障率

1号机组主泵房间新型火灾探测方式于2016年4月投用，2号机组于2017年9月投用。新安装的主泵间火灾探测装置已稳定运行近两年，两机组无任何缺陷及故障，也就没有维修人员满功率进核岛主泵区域处理缺陷，设备维护成本、人力成本均大大下降。从近两年的运行现状可以看出电源的双冗余、定位到房间的精准探测等新手段发挥了良好的效果，主泵间的火灾探测稳定性和准确性大大提高。

4.2 实施后的推广

这次火灾探测的创新投运，依靠了前期多年的维护经验，为后续在役核电站主泵区域火灾系统改造提供了宝贵经验，改造期间所涉及的经验值得推广、应用。目前秦二厂4号机组主泵间已经参照1、2号机组进行了改造。