干炯申，張瑞華，周 煥

（中核核電運行管理有限公司 維修三處，浙江 海鹽 314300）

0 引言

中核運行秦山第二核電廠1、2號機組是中國自主設(shè)計、自主建造、自主管理和自主運營的首座2×60萬千瓦商用壓水堆核電站，分別于2002年4月和2004年5月投入商業(yè)運行。目前核電站主泵區(qū)域的火災(zāi)監(jiān)視采用兩種類型的探測器——紅外火焰探測器和VESDA空氣采樣系統(tǒng)。紅外火焰探測器為西安博康公司生產(chǎn)的三波段探測器，采用3個波長不同的光學(xué)紅外傳感器來識別火焰情況。一個傳感器作為火焰探測，另外兩個傳感器分別作為背景紅外輻射的探測。VESDA空氣采樣系統(tǒng)，由澳大利亞Vision公司出品，是基于激光探測技術(shù)和微處理器控制技術(shù)的煙霧探測裝置。

此兩類探測器在機組運行初期較好地完成了主泵區(qū)域的火災(zāi)監(jiān)視任務(wù)，但隨著機組運行周期加長，設(shè)備在高溫高輻射區(qū)域運行后的加速老化，設(shè)備升級換代，使用壽命過長等問題導(dǎo)致設(shè)備故障頻發(fā)。尤其在近幾年的運行過程中，因主泵區(qū)域火災(zāi)探測故障導(dǎo)致失去部分火災(zāi)監(jiān)視，引起記錄IO（設(shè)備不可運行性）次數(shù)過多，嚴重影響機組運行狀態(tài)的保持。維修三處針對此類問題成立項目組，和技術(shù)部門一起討論分析、調(diào)研，并開發(fā)設(shè)計方案對現(xiàn)狀進行整改。

1 火災(zāi)探測設(shè)備現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)外發(fā)展狀況

隨著微電子技術(shù)、探測傳感器技術(shù)、通信和網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的飛速發(fā)展，國內(nèi)外火災(zāi)探測的主流技術(shù)[1]已發(fā)生很大改變。早期機械感溫探測技術(shù)、離子感煙技術(shù)已不能滿足需要，其應(yīng)用范圍已逐漸縮小，光電感煙探測技術(shù)、分布式光纖測溫技術(shù)、多元復(fù)合探測技術(shù)、激光探測技術(shù)、圖像監(jiān)測技術(shù)、超早期火災(zāi)探測報警技術(shù)得到了很大發(fā)展，其應(yīng)用產(chǎn)品也日漸成熟，大大降低了火災(zāi)探測報警系統(tǒng)的誤報漏報率，具有較強的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力[2]。

表1 紅外探測器特點Table 1 Features of infrared detectors

表2 空氣采樣系統(tǒng)特點Table 2 Features of air sampling system

本廠的火災(zāi)探測設(shè)備還是幾年前的產(chǎn)品，無論是性能還是技術(shù)上都已落后，需進行更換以適應(yīng)新的火災(zāi)探測要求。

1.2 主泵區(qū)域火災(zāi)探測設(shè)備現(xiàn)狀及存在的問題

1.2.1 紅外火焰探測器

紅外火焰探測器適用于火災(zāi)萌發(fā)時以火焰為主的危險場所，利用光的散射原理工作，發(fā)出報警信號。它由于采用了3個波長不同的光學(xué)紅外傳感器來識別火焰情況，一個傳感器作為火焰探測，另外兩個傳感器分別作為背景紅外輻射探測，傳感器的信號通過放大和處理后，由內(nèi)置的CPU進行輸入信號的分析判斷以及輸出信號的變換，根據(jù)采集的信號，動態(tài)進行分析，做出準確地判斷。

主泵區(qū)域為重要區(qū)域，發(fā)生火災(zāi)會造成重大的影響。紅外火焰探測器是根據(jù)火焰來判斷火情的，也就是說它不能在火災(zāi)的早期檢測到火情。而在關(guān)鍵區(qū)域，最好在未產(chǎn)生火焰的階段就能監(jiān)測到火情，從而進行相應(yīng)的滅火工作。表1為紅外探測器的特點。

1.2.2 空氣采樣系統(tǒng)

隨著超早期火災(zāi)探測報警技術(shù)日漸成熟，可實現(xiàn)早期火災(zāi)報警的空氣采樣感煙火災(zāi)探測系統(tǒng)穩(wěn)定性好、可靠性高和抗干擾能力強，特別適應(yīng)于環(huán)境惡劣、干擾性大、空間大、危險程度高、保護對象價值大的特殊環(huán)境。在各工業(yè)場所、高大空間建筑物等對火災(zāi)探測報警系統(tǒng)要求嚴格的地方，發(fā)揮著普通火災(zāi)探測報警系統(tǒng)所不能達到的作用[1]。

但之前使用的VESDA系統(tǒng)，一臺主機只有3個管道口，管道總長度不超過200m，單管長度不超過100m，無法到達主泵的內(nèi)環(huán)廊區(qū)域，且只能檢測到探測器本身和管道，無法精確定位到具體的區(qū)域。表2為空氣采樣系統(tǒng)的特點。

2 火災(zāi)探測設(shè)備的選擇

2.1 主泵區(qū)域的環(huán)境特點

主泵區(qū)域是核電廠的關(guān)鍵敏感區(qū)域，其中反應(yīng)堆冷卻劑泵是重要設(shè)備。它的功能是使冷卻劑形成強迫循環(huán)，從而把反應(yīng)堆中產(chǎn)生的熱能傳送至蒸汽發(fā)生器，以產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動汽輪機做功。

一旦主泵區(qū)域發(fā)生火災(zāi)，那將是災(zāi)難性的。資料顯示火災(zāi)的發(fā)生通常會經(jīng)過4個階段，即：

第1階段，醞釀期（Incipient Stage）為火災(zāi)的陰燃階段，產(chǎn)生不可見煙霧。從不可見煙霧到下一個可見煙霧階段的火災(zāi)醞釀期，時間可長達0min～120min。

第2階段，可見煙霧（Visible Smoke）到大火（Flaming Fire）燃燒，約為10 min。

第3階段，大火到烈火（Intense Heat）為燃燒期，約10min。

第4階段，烈火全部燃燒，約為10min[3]。

從這4個階段可以看出火災(zāi)發(fā)生的第1階段持續(xù)時間最長且危害最小，所以主泵區(qū)域的火災(zāi)探測設(shè)備最好在火災(zāi)形成的初期就能監(jiān)測到火情，將危險控制在最小。而且主泵區(qū)域由于在核島，高溫高輻射，紅區(qū)劑量率為0.1Sv/h＜D（1Sv≈102rad），所用設(shè)備必須有抗輻射許可。在日常投用時，主泵正常轉(zhuǎn)動，將產(chǎn)生大量噪音，會限制一些火災(zāi)探測設(shè)備的使用。

2.2 新型火災(zāi)探測設(shè)備的要求

考慮到火災(zāi)設(shè)備的穩(wěn)定性對環(huán)境的適應(yīng)性監(jiān)測的要求，最后確定使用新的空氣采樣系統(tǒng)來代替現(xiàn)有的火災(zāi)設(shè)備，但新的空氣采樣系統(tǒng)必須滿足以下幾個要求：1）新的空氣采樣系統(tǒng)必須要覆蓋到主泵區(qū)域中的內(nèi)環(huán)廊側(cè)，來代替原先的紅外火焰探測器；2）考慮到設(shè)備的冗余性，原先的單路管道需要變成雙路的，內(nèi)環(huán)廊區(qū)域也是如此，即每臺主機需接上4根采樣管；3）主泵區(qū)域有4層，原先的空氣采樣系統(tǒng)沒有定位具體的房間，是和紅外探測器一起配合使用定位的，但現(xiàn)在取消了紅外火焰探測器，所以需要用其他設(shè)備輔助新的空氣采樣系統(tǒng)來定位房間。

圖1 探測腔煙霧補償示意圖Fig.1 Diagram of detection cavity smoke compensation

2.3 ASD空氣采樣系統(tǒng)可行性分析

基于以上幾條要考慮的點，最終選擇了瑞士賽庫瑞登的ASD 535吸氣式感煙探測器。它的單根采樣管最長距離為300m，可以保證覆蓋到內(nèi)環(huán)廊。它有1/2根配有獨立氣流檢測儀的采樣管道，即一臺主機有兩個腔，腔體能獨立工作，即使一個腔體故障也不會影響到火災(zāi)的探測。它的最高靈敏度可達0.002%Obs/m，精度十分高，能確保在火災(zāi)初期就能檢測到煙霧，發(fā)現(xiàn)火情。它能配上靈敏度為0.01%Obs/m的煙霧傳感器來確定具體的房間。

之所以選擇ASD 535吸氣式感煙探測器，還因為它的一些特有的核心技術(shù)。主泵間及內(nèi)環(huán)廊是十分重要的區(qū)域，對火災(zāi)探測的要求也十分高，對于任何會影響火災(zāi)探測功能的情況都要考慮進去。對于空氣采樣系統(tǒng)來說，識別煙霧是它主要的功能，ASD的核心技術(shù)之一的灰塵顆粒抑制技術(shù)，便可以減少灰塵對煙霧探測的影響。高頻LED探測傳感器每秒發(fā)射64個脈沖。在全部是煙霧的情況下，光收集器接收到64個脈沖。如果有灰塵存在，光收集器接收的脈沖數(shù)量會小于64個。探測器通過脈沖的接收，可以精確地去除現(xiàn)場的灰塵。

另一項核心技術(shù)——探測腔污染補償，可以補償探測腔灰塵積累的影響。相對于基準信號，新的煙霧傳感器的報警閾值定義為100%。隨著系統(tǒng)工作的持續(xù)，傳感器會收集越來越多的灰塵顆粒。因此，基準信號也隨之上升變化。報警閾值將被同步的糾正以此來獲取同基準信號持續(xù)的差值。

綜上，ASD 535吸氣式感煙探測器能滿足現(xiàn)場的要求。

3 現(xiàn)場實施

3.1 主機與電源的實施

區(qū)別于以前的單主機探測方式，這次開發(fā)了新形式的探測方式，使用雙冗余吸氣式探測：每臺主泵間均有兩臺ASD吸氣式火災(zāi)主機雙運行探測，一臺為主，另一臺熱備用；每臺采樣主機有各自獨立的空氣采樣管道，互不干擾，極大地提升了主泵間火災(zāi)探測的可靠性，此類運行方式對國內(nèi)在役核電是首次運用。

主泵區(qū)域高溫高輻射的環(huán)境無法改變，如果將設(shè)備安裝在此區(qū)域勢必不穩(wěn)定。目前市面上現(xiàn)有設(shè)備均無法保證長期穩(wěn)定運行。因此，考慮空氣采樣系統(tǒng)的優(yōu)勢，將受環(huán)境影響不大的探測管道環(huán)繞安裝在主泵區(qū)域，探測主機安裝在環(huán)境較好的外環(huán)廊，如此大大提高了探測器主設(shè)備的穩(wěn)定性。

關(guān)于電源方面，此次ASD系統(tǒng)采用雙電源冗余，主泵間探測裝置所用的220v和24v電源分別采用雙冗余電源供電，進一步提升了設(shè)備運行的可靠性，即便有一路電源檢修，也可保證主泵的火災(zāi)探測不受影響。

3.2 電纜、采樣管的實施

在確定了主要設(shè)備的安裝位置后，就要考慮整個施工最復(fù)雜，也是最關(guān)鍵的地方即如何在錯綜復(fù)雜的現(xiàn)場將電纜、采樣管的路徑核實出來。

3.2.1 采樣管的敷設(shè)與焊接

采樣管的敷設(shè)均為環(huán)形分布，不穿插現(xiàn)場設(shè)備。以一號機組為例，主泵間R411/R511/R611房間參照原有抽氣小室管道路徑再并行加裝一套空氣采樣管道，并從內(nèi)環(huán)廊R313房間配置兩套空氣采樣管道至R510房間，將原有的抽氣小室管道與新增的空氣采樣管道分別與安裝在外環(huán)廊（R510）的兩臺ASD管型吸氣式探測系統(tǒng)主機連接。確保兩臺ASD管型吸氣式探測系統(tǒng)主機均有一套空氣采樣管道（4組采樣管）送至R313/R411/R511/R611房間。

另外，安裝前需要了解現(xiàn)場施工條件，確定物料尺寸以便于物料運輸安裝，如采樣管的運輸，每根采樣管近10m長，無法在核島內(nèi)運輸至主泵區(qū)域，所以在施工前需考慮材料運輸?shù)目赡苄?，?jīng)過測量運輸通道，得出采樣管需切割至每根3m才能順利從運輸通道進入，提前解決了無法正常運輸?shù)膯栴}。

圖2 R411房間采樣管敷設(shè)示意圖Fig.2 R411 Room sampling pipe laying diagram

圖3 電源、信號電纜的連接圖Fig.3 Connection diagram of power supply and signal cable

在項目實施過程中，腳手架搭建及拆除、拆封堵、焊接、無損檢測等工作和多部門都有交叉作業(yè)，找到合適的時間點具有事半功倍的效果。比如腳手架搭設(shè)，需要錯開機械主泵整體吊裝的工作；比如采樣管焊接及無損檢測，該工作為順序執(zhí)行，必須在焊接后由檢測人員驗收通過才可進行下一步，這都需要項目組進行合理的規(guī)劃和協(xié)調(diào)。

3.2.2 電纜敷設(shè)路徑的選擇

為確保電纜敷設(shè)能夠快速順利實施，在電纜敷設(shè)前先將貫穿件內(nèi)外底板拆卸運至機加工廠，根據(jù)所需敷設(shè)的電纜大小、數(shù)量進行開孔并加裝格蘭頭；核實現(xiàn)場電纜敷設(shè)的具體路徑，明確敷設(shè)時需要拆封堵的各個位置等。核實路徑時，把電源、貫穿件、核島主機作為3個基點，分兩段來統(tǒng)計路徑；在敷設(shè)時也分兩段進行，已達到節(jié)省時間的效果。

3.2.3 接口模塊和煙霧探測器的安裝

為了監(jiān)測到火情的具體位置，需要安裝煙霧探測器作為地址模塊，它的精度與ASD探測腔設(shè)定精度一樣。另外還要配合相應(yīng)的接口模塊，把信號傳輸?shù)搅硪惶紫到y(tǒng)——火災(zāi)報警主機（JDT）上，這樣火災(zāi)報警主機就能實時監(jiān)測主泵區(qū)域。

以前紅外火焰探測器的接口模塊都放在外環(huán)廊處，雖然外環(huán)廊劑量小，但在大修時，人來人往，施工頻繁，為了保護模塊以及避免外部灰塵對煙霧探測的影響。將ASD主機、接口模塊、煙霧探測器統(tǒng)一起來，都安裝在箱體內(nèi)，從而達到整體保護的效果。

圖4 ASD箱體內(nèi)部一覽Fig.4 Inside the ASD box at a glance

4 實施效果

4.1 改進后的故障率

1號機組主泵房間新型火災(zāi)探測方式于2016年4月投用，2號機組于2017年9月投用。新安裝的主泵間火災(zāi)探測裝置已穩(wěn)定運行近兩年，兩機組無任何缺陷及故障，也就沒有維修人員滿功率進核島主泵區(qū)域處理缺陷，設(shè)備維護成本、人力成本均大大下降。從近兩年的運行現(xiàn)狀可以看出電源的雙冗余、定位到房間的精準探測等新手段發(fā)揮了良好的效果，主泵間的火災(zāi)探測穩(wěn)定性和準確性大大提高。

4.2 實施后的推廣

這次火災(zāi)探測的創(chuàng)新投運，依靠了前期多年的維護經(jīng)驗，為后續(xù)在役核電站主泵區(qū)域火災(zāi)系統(tǒng)改造提供了寶貴經(jīng)驗，改造期間所涉及的經(jīng)驗值得推廣、應(yīng)用。目前秦二廠4號機組主泵間已經(jīng)參照1、2號機組進行了改造。