核电厂RCP主泵间火灾探测改进和设计要点分析

吴超 任科 周涛

摘要：文章对核电厂RCP主泵间火灾探测进行了研究，分析了RCP主泵间火灾探测方式;分析了吸气式感烟探测系统采样管路存在的问题，提出了相关改进措施，阐述了电源故障报警等细节的设计要点。

关键词：吸气式感烟火灾探测器;采样管路;切换

核电厂反应堆厂房在机组功率运行期间，人员不能直接进入现场监视火灾，所以反应堆厂房火灾自动报警系统的可靠性就尤为重要。如果火灾时系统不报警或没有火灾时系统误报警都会对机组的正常运行造成影响，甚至影响机组的安全。

1  RCP主泵间火灾探测器的选择

RCP泵是核岛一回路驱动冷却剂主泵[1]，位于反应堆厂房。RCP主泵间有两个特点，一是空间高，接近20m;二是辐照剂量高[2]，辐射分区属于红区。根据这两个特点，主泵间火灾探测器不适宜选择常用的点型感烟探测器和点型感温探测器。原因有两点：

（1）点型感烟探测器的安装高度一般不超过12m，即使在封闭的空间，安装高度也不能超过14m;点型感温探测器安装高度不超过8m[3]。主泵间显然不适合选用这两款探测器。

（2）点型感烟探测器和点型感温探测器由于内部装有电子部件，电子部件耐辐照能力差。在高剂量辐照环境下，探测器前期会出现频繁误报，后期会出现故障报警，甚至彻底损坏。

虽然线型光束感烟探测器适用于高大空间，但线型光束感烟探测器同样带有电子部件，也不适合在高辐照剂量的主泵间使用。其他探测部位带有电子部件的火灾探测器，比如火焰探测器、线型感温探测器等，均不适用于主泵间。

综上所述，探测部件上不能带电子部件，按照这一思路，采用了吸气式感烟探测器，即在主泵间内只布置采样管，含有电子部件的控制器安装在主泵间之外。采样管从主泵间伸出，连接至控制器，主泵间的空气样本从采样管吸入控制器内的腔体。采用这种方式，吸气式感烟探测器的控制器避开了主泵间的高剂量辐照。再则，按照GB 50116-2013《火灾自动报警报警系统设计规范》5.4.1.2条“点型感烟、感温火灾探测器不适宜在大空间、舞台上方、建筑高度超过12m或有特殊要求的场所”[4]宜选择吸取式感烟探测器。所以在RCP主泵间采用吸气式感烟探测器是比较合适的探测方式。

2  采樣管管路设置及改进

吸气式感烟探测器由采样管和主机组成，主机内部安装有吸气泵、探测腔、控制电路等设备[5]。由于反应堆厂房在运行期间不便进入，所以每个主泵间设置两套吸气式感烟探测器主机，互为备用。主控室操作员可以选择任意一台主机工作，另一台作为备用，当处于工作状态的控制器发生故障则切换至另一台。吸气式感烟探测器主机设置在核岛主泵间外，空气采样管伸入主泵间内抽取空气样本进行分析，当发生火灾时发出报警。

这种冗余设计采用了两套独立的控制系统，当一台控制器失效时不会导致探测系统失效，符合ETC-F提出的核岛消防设备能动部件冗余的思想，符合随机故障的要求。早期CPR1000堆型的多台机组正是采用了以上设计思路，但两套探测系统共用一套空气采样管路，也造成了以下缺陷和隐患。

2.1  探测管路的缺陷

两套吸气式感烟探测器主机是各自独立、互为备用的，但探测管路共用，也就是共用同一根空气采样管接入主泵间。这就导致抽取的气体样本不完全来自被探测区域，如图1，当1#吸气式感烟探测器主机工作时，由于两台主机共用采样管，停止工作的2#主机气流处于逆行状态，会从周围环境中吸取空气，倒灌至1#主机分析腔内。由于两台空气采样控制器都安装在主泵间外，故而，1#空气采样控制器采样的空气样本一部分来自主泵间内，另一部分的空气样本来自主泵间外，导致该探测系统不能真实地探测主泵间的火灾情况，有漏报和误报火灾的风险。

为了测试从停止的吸气式探测器主机进入正在工作的吸气式探测器主机的气流量，设备供应商进行了如下实验：

如图2，在1#吸气式探测器主机的分支管道上安装截止阀，2#吸气式探测器主机通电运行，1#主机停止。采样VSC软件监视2#主机的气流。当截止阀关闭时，1#吸气式探测器对2#吸气式探测器不产生影响，此时软件VSC显示到气流值为1532。当截止阀打开时，1#吸气式探测器气流逆行，倒灌至2#吸气式探测器。此时软件VSC观测到气流值为2824，基本上翻了一倍。

从实验可以看出两台机共用采样管导致有将近一半的空气样本不是来自被探测的区域。也就是说，对于RCP主泵间探测系统，不管是哪台探测器主机在工作，抽取的空气一半左右来自主泵间，另一半则是不相干的区域。

仅主机冗余，空气采样管不冗余，如果采样管故障，则系统就不能正常运行。空气采样管路是空气采样系统中重要的组成部分，直接影响到空气采样系统能否有效探测。假设1#吸气式探测器主机在运行时，空气采样管路出现破损或堵塞等故障，探测系统会报出故障，并自动切换到备用的2#吸气式探测器主机;但此时1#主机并没有故障，切换之后，由于1#主机、2#主机共用管路，2#主机也会报出相同故障。这样就会在1#主机、2#主机间来回切换，系统却不能正常探测。因此两台主机共用探测管路，通过主、备探测器切换的方式并不能解决采样管路故障的问题。

2.2  管路改进的措施

（1）分离共用的空气采样管

既然问题产生于两套探测系统共用一套空气采样管，最直接的改进措施是将共用的空气采样管分开。如图3所示，每台吸气式探测器主机配置一套独立的空气采样管，这样就能保證每台主机抽取的空气样本都来自RCP主泵间，避免了由于空气样本的差错导致火灾漏报和误报的风险。采用这种方式，吸气式探测器主机和采样管都实现了冗余备份。

（2）加装电磁阀

在每个吸气式探测器主机采样管路入口或出口处加装电磁阀作为截止阀，防止空气从停用的吸气式探测器主机进入到正在运行主机的采样管路，该方案是解决气流逆行倒灌的措施之一。但加装电磁阀也会带来问题，在实际应用中，当切换到备用主机工作后其电磁截止阀会长期保持通电状态，以保证采样管路的畅通。电磁阀的长时间通电线圈会发热，长时间带电发热工作，易造成电磁阀的损坏，造成采样空气无法进入吸气式探测器主机，探测系统不能正常工作。而且，一个换料周期内未必能够保证电磁阀不出故障，运行期间通常无法更换安全壳内的设备。

（3）对比

对比上述两种改进措施，两套吸气式探测器主机各自配置一套独立的采样管的方式优于在采样管上加电磁阀的方式。实际改进采用的正是将共用的空气采样管分开，每套探测主机各自独立设置的方式。

3  其他设计要点分析

改进后，一台RCP主泵间对应一套冗余的吸气式感烟探测系统。除了主机和探测管路外，每台主机需配置一台电源，将AC220V电源转换为DC24V电源;还需设置两台探测主机的切换和控制装置，装置具有故障情况下自动切换的功能，也具有人工手动切换的功能。所以，一套冗余吸气式感烟探测系统由两台探测主机、两套电源装置、两套探测管路及一套切换和控制装置构成。依照系统的组成，设计时应注意以下几点。

（1）反应堆厂房在机组功率运行期间难以进入，不能去现场查看和操作，所以运行和维修人员希望能在主控室获取吸气式感烟探测系统的各类信息，且能进行一些特定的操作。主控室的火灾报警琴台上应设置RCP泵的控制面板，面板上布置有系统运行相关的指示灯和操作按钮等。主控室的操作人员可以根据需要进行选择探测主机中的任意一台工作，当一台主机工作时另一台停止，而且，采用旋转式选择开关比采样按钮更可靠，如果采用按钮，当1#主机按钮动作时，1#主机投运，需要通过互锁电路锁住2#主机不能投运。

（2）两套吸气式探测器主机的上游各有一台将AC20V 转换为DC24V的电源装置，电源装置的故障信息应送至主控室，如果不送出，当电源装置故障，主控室操作员得不到相关的信息，系统带故障运行，就失去了冗余备份的功能。增加了对空气采样控制器上游的电源装置故障报警的监视，主控室操纵员能及时了解电源的状态。

（3）吸气式探测系统的火警信号接至核岛火灾自动报警系统，需要注意的是，一套探测系统共有火警、预警、探测系统设备故障、电源故障等4个信号接至核岛火灾自动报警系统。这些信号都能在主控室显示和报警。

如图4，上述4个信号配套设置输入模块，当出现报警或故障信号时，触发输入模块动作，信号通过输入模块送至核岛火灾自动报警系统，并在主控室发出报警，操作员可以及时查看和进行后续处理。

4  结语

上述改进已在新建的CPR1000机组和华龙一号机组实施，总结如下：

（1）将两套吸气式感烟探测器共用的采样管改为每台探测器配置一套独立采样管，从根本上解决了气流从一台探测器向另一台探测器逆向倒灌的问题，彻底解决了空气样本不真实的问题，避免因空气样本的差错导致报警失误。

（2）设置旋转式选择开关，方便主控室操作员随时选择任意一台吸气式感烟探测器运行，另一台备用，其他操作员也能从选择开关上清晰地看到所选择的探测器。

（3）设置输入，模块将火警、故障信号接入火灾自动报警系统。增加了对吸气式探测器上游电源装置故障的监视，以便主控室操作人员及时了解探测系统电源装置的运行状态。

（4）采用增加一套采样管、增加输入模块等少量元件、优化控制电路等手段，提高了探测系统可靠性，操作便利性。费用低廉，效果显著，消除了系统原有的缺陷。

参考文献：

[1]周焕，关悦，范雪珍，张进松.核电厂主泵区域空气采样系统的维护及改进设想[A].中国核学会核能动力分会.中国核学会核能动力分会2013年学术研讨会论文集[C].中国核学会核能动力分会：中国核学会，2013：6.

[2]陆帆.空气采样式烟雾探测系统在核电厂的应用[J].核电工程与技术，2010， 023（003）：12-14.

[3]贾宏民.吸气式火灾探测器系统在工程中的应用[J].建筑电气资讯，2010（001）：31-35.

[4]GB 50116-2013.火灾自动报警系统设计规范[S].

[5]田裳，戴永钧.VESDA极早期烟雾探测预警系统在铁路火灾防范中的应用[J].中国铁路， 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