AP1000核电厂火灾报警系统设计分析研究

王鑫

摘要：核安全是核电厂的生命线，国内外核电站运行经验表明，火灾可以对核电站的核安全造成潜在威胁。因此核电厂的火灾报警系统对核厂的核安全有着至关重要的作用。本文对AP1000核电厂火警系统的设计进行分析研究，分析设计优点并研究改进不足之处。首先，对核岛部分火灾报警系统进行简述。之后，针对现场设备的运维实际情况进行分析研究。最后总结设计优点并针对设计不足提出改进意见。

关键词：AP1000 核电; 火灾报警系统; SIMPLEX

1   引言

核电是国家能源的重要组成部分，建设核电厂将积极推动新旧动能转换。AP1000核电厂作为国家重点引进的三代核电技术，具有先进的设计理念和更高的安全要求。分析研究AP1000电厂的火灾报警系统，有助于对后续核电厂的设计及建设提供帮助，对我国自主化核电厂的设计优化有更加重要的意义。

本篇论文开始介绍核电厂火灾报警系统，之后，针对现场设备的运维实际情况进行分析研究。最后总结设计优点并针对设计不足提出改进意见。

2   核岛火灾报警系统简介

AP1000核电厂的火灾报警系统由西屋公司提供设计文件。主要功能有：1.通过遍布全核岛的火灾探测器实现对核岛厂房火警信息的连续实时监测和记录。2.对核岛区域消防管网的阀门状态和2台消防泵的运行状态进行监测。3.特定探测器的火警信息联动电梯、风机、防火阀、雨淋阀等设备。4.报出并记录火灾报警系统内的控制器和探测器的故障信息。

AP1000火灾报警系统包含火警控制器网络和火灾探测器网络。火警控制器网络是一个环形网络，环网中包含综合显示主机、区域火警控制器、喷淋控制器、区域图文显示器。每个区域火警控制器上可以建立多个火灾探测器网络，火灾探测器网络由多个火灾探测器、输入模块、输出模块、手动报警按钮和声光报警器组成。

实现火警信息的监测和记录是火灾报警系统设计的主要目的，通过火警控制器和火灾探测器的配合就可以实现此功能。AP1000核岛火灾报警系统采用SIMPLEX公司设备，火警控制器采用4100U系列，AP1000核电厂核岛区域每个厂房至少设置一台火警控制器，多个火警控制器之间使用CAN通讯协议进行通讯连接并组成环网。一个环网上的主机可以实现信息的共享，因此在AP1000核电厂的火灾报警系统可以设置多台主机，设置多个值班室同时对火警信息监控，可以有效避免人为原因漏报火警信息。

AP1000电厂的火灾报警系统的联动关系设计较为特殊，单个火灾探测器的火警信息就可以联动相关设备，相关设备包括电梯、风机、防火阀、雨淋阀、声光报警器。手动报警按钮作为报警辅助，只联动声光报警器，提示现场人员及时撤离。后续的变更可以参考现行国标GB_50116_2013，更改为两种火灾探测器的火警信息触发联动设备。

3   设备选型与安装

3.1  火警控制器

SIMPLEX火警控制器的基本组成包括电源卡、CPU卡、网卡、回路卡、显示单元、备用电源蓄电池等。电源卡集成了变压器和CPU卡槽、网卡卡槽，起到电压转换和集成底板的作用。CPU卡包含火警编程程序并存储火警、故障信息。网卡负责建立火警控制器间的通讯，控制器间使用CAN总线通讯。回路卡负责建立火警控制器与火灾探测器的通讯，使用SIMPLEX厂家研发的IDNet通讯协议，一个火警控制器最多支持6个回路卡。显示单元起到人机交互的作用。SIMPLEX火警控制器需要使用特定的編程软件ES program进行编程，不支持在线编辑。

AP1000电厂在安全壳厂房、放射性废物厂房、柴油机厂房各设置了一台火警控制器，在辅助厂房设置了7台火警控制器、在附属厂房设置了3台火警控制器，核岛部分共使用了13台火警控制器。每台火警控制器携带一条火灾探测器回路。这样设计的话，优点是不会因火警控制器的故障导致多个火灾探测器回路、多个监测区域失效。缺点是设备利用率低，可以考虑减少火警控制器的数量，每个火警控制器携带多条火灾探测器回路。在安全壳厂房、放射性废物厂房、柴油机厂房、辐射控制区辅助厂房、非辐射控制区辅助厂房、附属厂房各设置一台火警控制器，将火警控制器数量减少至6台。

3.2  火灾探测器

根据可燃物的类型及数量、燃烧特点、厂房的布置情况，AP1000电厂布置多种类型火灾探测器。在安全壳厂房内使用输入模块与定温式温感探测器组合的方式对非电缆桥架区域进行火情监控。温感探测器正常状态输出常开接点，触发火警信号时输出常闭接点。输入模块接入火警控制器的火灾探测器环网，与火警控制器建立通讯，并将探测器的干接点信号传输给火警控制器。温感探测器不含电子元件，耐辐照性能较好，不易产生故障报警。但是输入模块由电子元件组成，在辐射后易产生故障报警。输入模块的故障将导致与之相连的温感探测器失去火情监控功能。

潮湿环境一直是导致火灾报警系统误报和故障的主要原因之一，冷凝水和雾气会导致烟感探测器误报火警，严重的冷凝水会损坏设备的电路部分。SIMPLEX设备的使用环境要求湿度在10%至93%之间，且不能存在冷凝水。潮湿主要是由于冷热温差导致，进入夏季环境温度偏高，厂房内部温度偏低，潮湿环境主要产生在厂房的外壁区域，如环廊区域。

建议后续设计考虑将环廊区域的烟感探测器更改为温感探测器，以避免雾气的干扰。并在探测器位置上增加电加热装置以避免冷凝水的干扰，如使用包含电加热功能的探测器底座。

感温光纤对比线型感温电缆更适合在核岛区域使用。感温光纤主机可以显示现场温度实时值，光纤中石英分子键会受温度上升而产生晶格振动。这种振动会导致在光纤中传输的光产生拉曼散射，而散射量的大小可以直接反应温度的高低。线型感温电缆只能反馈开关量的火警信号。而且光纤的相较于感温电缆的材质耐辐射性能更加优异，更加适合应用于核电厂。

4   结论与展望

4.1  设计优点

（1）火警控制器网络采用环网设计，火警控制器之间可以共享探测器信息，根据需要可以设置多台主机对所有探测器的火警、故障信息进行监控。

（2）安全壳内火灾探测器的选型较为合理，采用金属结构的温感探测器和感温光纤的搭配，探测器耐辐照性能较好。

（3）根据厂房布置，可燃物种类、数量选取合适的火灾探测器进行火情监控。

4.2  有待改进

（1）火警控制器安装位置和数量可以进行优化，在安全壳厂房、放射性废物厂房、柴油机厂房、辐射控制区辅助厂房、非辐射控制区辅助厂房、附属厂房各设置一台火警控制器，将火警控制器数量减少至6台。

（2）通过增加光纤主机通道数量和每个通道的光纤长度可以对光纤主机的数量优化，相较于感温电缆，感温光纤的价格优势在于单位长度的光纤价格低于感温电缆，而光纤主机的价格远远高于感温电缆控制器。减少光纤主机数量对成本控制有较大帮助。

（3）安全壳厂房内输入模块安装位置有待优化，应该设计在辐射剂量小、便于检修的位置。

（4）将单火灾探测器火警信息联动设备更改为双探测器联动设备动作。可以避免火警设备误报导致的喷淋、电梯、风机、防火阀等设备动作。

（5）考虑潮湿环境对火警设备的影响，对探测器选型、探测器的安装进行优化。

（6）将消防阀门开关信号接入DCS系统，并制作相关画面，将防火分区与消防阀门状态在画面中对应起来，可以更加直观监控实时消防阀门状态。

4.3  展望

本文对AP1000核电站火灾报警系统的设计进行分析研究，总结出3项优点，希望在后续核电站火灾报警系统的设计中可以继续采纳。提出了6项待优化的设计问题，期待同行及专家可以继续分析研究，发现更多有待优化的设计，分析研究出更加优秀的解决方案，不断完善系统设计，为国内核电项目的火警系统设计和优化提供有益借鉴。

参考文献：

[1]   刘婧婧，何  坤，李  岩.核岛火灾自动报警系统设计分析[J].自动化与仪器仪表，2017，（01）.

[2]   柴保發，张永明，林海东.核电厂潮湿环境的火灾探测问题研究[J].智能建筑电气技术，2015，（03）.

[3]   张亚婷，李  晶.核电厂核岛火灾烟气控制技术研究[J].应用能源技术，2018，（11）.

[4]   张  禹，颜盼想.核电厂核岛消防系统雨淋阀控制的研究与改进[J].自动化仪表，2015，（11）.

[5]   王  彤，潘武红，成  震.核电厂火灾自动报警系统控制网络设计[J].中国核电，2016，（03）.