核電廠核島消防系統(tǒng)雨淋閥控制的研究與改進

張 禹 顏盼想

(深圳中廣核工程設(shè)計有限公司，廣東 深圳 518172)

0 引言

與常規(guī)火電廠不同，核電廠是利用核裂變產(chǎn)生的能量進行發(fā)電，核燃料、DCS 機柜、柴油發(fā)電機等與核電廠運行息息相關(guān)的重要設(shè)備布置在核島廠房、電氣廠房和柴油發(fā)電機廠房(統(tǒng)稱核島)內(nèi)。廠房內(nèi)環(huán)境復(fù)雜、設(shè)備眾多，關(guān)鍵位置的火災(zāi)預(yù)防、處理不當(dāng)，會產(chǎn)生嚴重的后果，甚至?xí)蟹派湫晕镔|(zhì)釋放的風(fēng)險。因此，核電廠對核島內(nèi)火災(zāi)的預(yù)防和處理都有更為嚴格的要求。核島內(nèi)通常采用雨淋系統(tǒng)進行消防供水，正常情況下，雨淋系統(tǒng)是自動控制的，其控制的關(guān)鍵是對雨淋閥的控制。本文在簡介核電廠核島內(nèi)消防系統(tǒng)雨淋閥簡介的基礎(chǔ)上，結(jié)合GB 5135.5 -2003《自動噴水滅火系統(tǒng) 第5 部分:雨淋報警閥》的相關(guān)要求，對雨淋閥的控制邏輯進行了深入的研究分析，就其運行中存在的潛在風(fēng)險提出可行的改進方案，為后續(xù)核電廠核島內(nèi)消防系統(tǒng)雨淋閥和其他類似設(shè)備控制邏輯的設(shè)計提供可行的參考。

1 消防系統(tǒng)雨淋閥組功能

核電廠核島內(nèi)消防系統(tǒng)的雨淋閥組是雨淋系統(tǒng)的核心設(shè)備，它用于火災(zāi)發(fā)生時，向核島廠房、電氣廠房和柴油發(fā)電機廠房內(nèi)的消防系統(tǒng)終端設(shè)備提供足夠壓力和流量的消防水，以保證及時、高效地滅火，從而避免火災(zāi)擴大和蔓延。

2 雨淋閥組工作原理簡介

核電廠核島內(nèi)消防系統(tǒng)通常采用膜片式雨淋閥，它由膜片將雨淋閥分為膜片腔和供水腔，通過上下受水面積和重力的差異，實現(xiàn)良好的密封。雨淋閥組主要由膜片式雨淋閥、電磁閥、應(yīng)急手動閥、自動關(guān)斷閥、水力警鈴和手動主排水閥組成。雨淋閥組流程示意圖如圖1 所示。

雨淋閥供水動作過程:電磁閥通電開啟或應(yīng)急手動閥打開后，從膜片腔中釋放水的速度快于膜片腔供水管上自動關(guān)斷閥中補水的速度，導(dǎo)致膜片腔內(nèi)壓力P2迅速下降，P2作用在膜片上，使膜片保持在關(guān)閉位置的差壓力(ΔP = P2－P1)減小，當(dāng)ΔP 低于閥門脫扣點時，供水側(cè)壓力P1迫使膜片開啟，水流入系統(tǒng)側(cè)管道，向消防管網(wǎng)終端供水，同時水流進入水力警鈴報警接口，觸發(fā)報警。

圖1 雨淋閥組供水流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the water supplying process for deluge valve group

當(dāng)水進入系統(tǒng)時，自動關(guān)斷閥傳動腔內(nèi)壓力增加，自動關(guān)斷向膜片腔內(nèi)供水的水流，避免雨淋閥膜片腔再次被充壓，防止在滅火過程中雨淋閥的意外關(guān)閉。

雨淋閥復(fù)位操作:選用的膜片式雨淋閥組，采用手動復(fù)位方式，只需向膜片腔再次充壓，即可使雨淋閥復(fù)位。

3 雨淋閥控制方案剖析

3.1 雨淋閥控制方案

雨淋閥的控制包括開啟和關(guān)閉兩種操作。

雨淋閥開啟的控制方案包括:火災(zāi)探測系統(tǒng)自動啟動、主控室內(nèi)遠程手動啟動、就地消防模擬盤手動啟動、人工打開應(yīng)急手動閥。

雨淋閥開啟的控制方案示意圖如圖2 所示。

圖2 雨淋閥開啟的控制方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of the open control scheme for deluge valve

雨淋閥一旦打開，需要運行人員就地檢查，在確定安全的情況下手動向膜片腔充壓，使雨淋閥復(fù)位。

3.2 標(biāo)準中雨淋閥的控制要求

根據(jù)GB 5135.5 -2003《自動噴水滅火系統(tǒng) 第5部分:雨淋報警閥》第4.12.5 款:雨淋報警閥的啟動裝置動作后，應(yīng)在15 s 內(nèi)打開雨淋報警閥的閥瓣(當(dāng)雨淋報警閥的公稱直徑超過200 mm 時，可在60 s 之內(nèi)打開閥瓣)。［1］

3.3 雨淋閥控制方案分析

雨淋閥的控制方案即雨淋閥的開啟控制，也就是對電磁閥的控制。通過電磁閥通電打開，釋放雨淋閥內(nèi)的膜腔水，使得供水側(cè)的壓力大于膜片腔內(nèi)壓力，打開雨淋閥供水。

電磁閥通電啟動供水系統(tǒng)后，可能由于某種原因又被斷電關(guān)閉，這時的雨淋閥組存在如下三種可能。

(1)膜片腔已經(jīng)完全泄壓，雨淋閥正常供水。

(2)膜片腔尚未完全泄壓，但雨淋閥中的供水可以提供足夠的關(guān)閉自動關(guān)斷閥的水壓力。此時，雨淋閥仍可以向管網(wǎng)供水，但供水無法保證足夠的壓力和流量。

(3)膜片腔尚未完全泄壓，雨淋閥中的供水無法提供足夠的關(guān)閉自動關(guān)斷閥所需的壓力，導(dǎo)致膜片腔再次被充壓，從而關(guān)閉雨淋閥的供水。

情況(2)和(3)會對管網(wǎng)終端消防供水產(chǎn)生影響，甚至可能會產(chǎn)生無可挽回的重大事故，這是不能、也不允許發(fā)生的，因此必須保證雨淋閥的完全打開并保持。除人工打開應(yīng)急手動閥外，電磁閥的通電時間是保證膜片腔完全泄壓、雨淋閥完全打開，向消防系統(tǒng)提供足夠壓力和流量消防水的關(guān)鍵。通電時間短，可能會產(chǎn)生情況(2)和(3);通電時間過長，又可能導(dǎo)致雨淋閥供水結(jié)束后，運行人員無法直接復(fù)位雨淋閥的問題。因此，電磁閥通電時間的選擇是雨淋閥控制方案的關(guān)鍵。

結(jié)合GB 5135.5 -2003《自動噴水滅火系統(tǒng) 第5部分:雨淋報警閥》第4.12.5 款，且核電廠核島內(nèi)消防系統(tǒng)雨淋閥的公稱直徑為DN100 的實際情況，電磁閥的通電時間需要滿足15 s 能完全打開雨淋閥的要求。

雨淋閥上電磁閥的通電時間主要由火災(zāi)探測信號、就地消防模擬盤手動啟動信號和主控室DCS 系統(tǒng)遠程手動啟動信號實現(xiàn)。下面就各信號的作用時間逐一分析。

3.3.1 火災(zāi)探測信號分析

一般情況下，用于雨淋閥自動啟動的火災(zāi)探測信號(感溫和感光同時發(fā)生)是長信號，在火災(zāi)發(fā)生時是長時間存在的。該信號的觸發(fā)可以保證電磁閥具有足夠的打開時間，使得雨淋閥膜片腔完全泄壓，正常打開雨淋閥。

3.3.2 消防模擬盤信號分析

一般情況下，就地消防模擬盤手動啟動雨淋閥的信號也是長信號。該信號觸發(fā)后需要運行人員手動取消，該信號的觸發(fā)可以保證電磁閥具有足夠的打開時間，使得雨淋閥膜片腔完全泄壓，正常打開雨淋閥。

3.3.3 DCS 遠程啟動信號分析

雨淋閥控制的DCS 組態(tài)示意圖如圖3 所示。

圖3 雨淋閥控制的DCS 組態(tài)示意圖Fig.3 The DCS configuration of deluge valve control

根據(jù)DCS 算法使用說明書，主控室遠程手動啟動電磁閥的輸出命令是脈沖類型，默認初始值為2 s，輸出命令的作用時間較短，與GB 5135.5 -2003 第4.12.5 款中15 s 內(nèi)能完全打開雨淋閥的要求相差較大。在脈沖開命令信號消失、電磁閥斷電后，存在雨淋閥無法提供足夠壓力和流量的消防水，或者雨淋閥再次被關(guān)閉而無法供水的可能。一旦發(fā)生火災(zāi)，以上任一種情況的發(fā)生，都可能導(dǎo)致雨淋閥無法提供足夠流量和壓力的消防水或無法供水，給著火點的消防帶來極大的風(fēng)險。

4 雨淋閥控制方案的改進

根據(jù)上述分析，目前核島內(nèi)消防系統(tǒng)的雨淋閥控制方案中確實存在潛在的風(fēng)險，一旦在消防的過程中出現(xiàn)，將對核島設(shè)備造成極大的危險。為了避免出現(xiàn)上述風(fēng)險，需對雨淋閥的控制方案進行改進。

從圖2 的雨淋閥控制方案示意圖中可知，雨淋閥的控制由硬件(雨淋閥組)和軟件(DCS 系統(tǒng)組態(tài))兩部分組成，因此改進方案也將從這兩方面考慮。

從硬件的角度考慮，可以采用更換雨淋閥設(shè)備，以滿足主控室DCS 系統(tǒng)遠程手動啟動信號的作用時間的方案;從軟件的角度考慮，可以采用在已有設(shè)備不變的條件下，更改主控室DCS 系統(tǒng)遠程手動啟動信號的作用時間的方案。目前，核島內(nèi)消防系統(tǒng)使用的雨淋閥組眾多，設(shè)備的采購周期較長，且存在滿足DCS 系統(tǒng)中的默認脈沖開命令時間2 s 的雨淋閥是否需要定制制造的因素。同時，核島消防可用是其他核島系統(tǒng)正常施工的重要保證，因此采用更換設(shè)備的方案將極大地影響施工工期、調(diào)試和運行。更改信號的作用時間僅需在DCS 系統(tǒng)的組態(tài)邏輯中對脈沖命令的作用時間進行修改。這種修改在DCS 系統(tǒng)設(shè)計時，或現(xiàn)場調(diào)試過程中都可以進行，對現(xiàn)場施工不會產(chǎn)生影響，對調(diào)試和運行的影響非常小。綜合考慮，確定選用更改主控室DCS 系統(tǒng)遠程手動啟動信號的軟件的改進方案。

在不更換雨淋閥設(shè)備的情況下，選用更改主控室DCS 系統(tǒng)遠程手動啟動信號的軟件改進方案，經(jīng)過分析，分別從精確控制雨淋閥的啟動和滿足GB 5135.5 -2003 要求的角度考慮，有兩種簡單易行的修改方案。

方案1:在雨淋閥的控制邏輯中增加備注說明，要求主控室遠程手動控制模塊的開命令輸出信號的脈沖時間與實際選型的雨淋閥設(shè)備的打開時間保持一致。

方案2:將主控室遠程手動控制模塊的開命令輸出信號的脈沖時間修改為與GB 5135.5 -2003 中要求的雨淋閥的打開時間一致或略大于該時間。

兩種修改方案如圖4 所示。

圖4 雨淋閥控制修改方案示意圖Fig.4 The modification for deluge valve control

這兩種方案都可以保證雨淋閥完全打開，且不會出現(xiàn)雨淋閥打開后再次被關(guān)閉的可能。因此，這兩種修改方案都是切實可行的，但還需要考慮核電廠現(xiàn)場的實際情況，從設(shè)計、施工、調(diào)試等角度對兩種方案進行對比分析和綜合考慮，詳細說明請參見表1。

對于方案2，雖然電磁閥通電打開命令的作用時間設(shè)置超過了GB 5135.5 -2003 中要求15 s 完全打開雨淋閥的時間要求，當(dāng)雨淋閥完全打開后，打開命令的信號仍持續(xù)作用在電磁閥上，但該信號只能保持雨淋閥的持續(xù)通電打開，這對雨淋閥的動作和供水都不會產(chǎn)生影響。結(jié)合雨淋閥關(guān)閉的要求的角度考慮，一旦雨淋閥打開，需要運行人員現(xiàn)場確認，在保證現(xiàn)場安全的情況下才能手動關(guān)閉雨淋閥。這個確認過程也需要一定的時間處理，因此如果設(shè)置的時間超出標(biāo)準中的要求時間較短，并不會對雨淋閥的打開和關(guān)閉操作產(chǎn)生影響。綜上所述，結(jié)合不增加設(shè)計接口、保證設(shè)計和施工進度、減少組態(tài)修改和現(xiàn)場調(diào)試測試等方面考慮，采用方案2 更為合適。同時考慮到雨淋閥完全打開后，打開命令持續(xù)作用時間應(yīng)盡可能短，最終將該脈沖時間設(shè)置為20 s。

該修改方案目前已經(jīng)在核電廠的某項目中實施。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試驗證，該方案可以保證雨淋閥的完全打開;同時，脈沖信號仍持續(xù)作用的時間(5 s)對雨淋閥的打開和供水不產(chǎn)生影響，在保證核島內(nèi)消防供水要求的基礎(chǔ)上，有效地避免了可能的潛在風(fēng)險。

表1 方案改進分析Tab.1 Analysis of the improved scheme

5 結(jié)束語

綜上所述，本文對核電廠核島內(nèi)消防系統(tǒng)雨淋閥組的部件組成、工作原理、控制方案進行了較為全面的介紹;對DCS 組態(tài)中主控室遠程手動控制模塊內(nèi)的雨淋閥通電打開命令作用的脈沖時間與GB 5135.5 -2003 中對雨淋閥的完全打開時間的要求進行了對比，并對目前雨淋閥控制方案中的潛在風(fēng)險進行了深入分析。通過方案對比，確定了既符合標(biāo)準要求，又有利于設(shè)計、組態(tài)和調(diào)試的可行方案。通過調(diào)試驗證，該雨淋閥控制的改進方案是切實可行的。相比于參考電站的控制方案，改進后的方案從根本上消除了可能的潛在風(fēng)險，極大地提高了雨淋閥供水系統(tǒng)的安全性和可靠性。該方案可為后續(xù)核電廠核島內(nèi)消防系統(tǒng)的雨淋閥控制方案設(shè)計提供切實可行的參考，同時也為核電廠中的同類型設(shè)備的控制方案的設(shè)計、潛在風(fēng)險分析和改進提供了切實可行的參考和依據(jù)。

［1］ GB 5135. 5-2003 自動噴水滅火系統(tǒng) 第5 部分:雨淋報警閥［S］.2003.