AP1000核電廠火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計分析研究

王鑫

摘要：核安全是核電廠的生命線，國內(nèi)外核電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，火災(zāi)可以對核電站的核安全造成潛在威脅。因此核電廠的火災(zāi)報警系統(tǒng)對核廠的核安全有著至關(guān)重要的作用。本文對AP1000核電廠火警系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行分析研究，分析設(shè)計優(yōu)點(diǎn)并研究改進(jìn)不足之處。首先，對核島部分火災(zāi)報警系統(tǒng)進(jìn)行簡述。之后，針對現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)維實(shí)際情況進(jìn)行分析研究。最后總結(jié)設(shè)計優(yōu)點(diǎn)并針對設(shè)計不足提出改進(jìn)意見。

關(guān)鍵詞：AP1000 核電; 火災(zāi)報警系統(tǒng); SIMPLEX

1? ?引言

核電是國家能源的重要組成部分，建設(shè)核電廠將積極推動新舊動能轉(zhuǎn)換。AP1000核電廠作為國家重點(diǎn)引進(jìn)的三代核電技術(shù)，具有先進(jìn)的設(shè)計理念和更高的安全要求。分析研究AP1000電廠的火災(zāi)報警系統(tǒng)，有助于對后續(xù)核電廠的設(shè)計及建設(shè)提供幫助，對我國自主化核電廠的設(shè)計優(yōu)化有更加重要的意義。

本篇論文開始介紹核電廠火災(zāi)報警系統(tǒng)，之后，針對現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)維實(shí)際情況進(jìn)行分析研究。最后總結(jié)設(shè)計優(yōu)點(diǎn)并針對設(shè)計不足提出改進(jìn)意見。

2? ?核島火災(zāi)報警系統(tǒng)簡介

AP1000核電廠的火災(zāi)報警系統(tǒng)由西屋公司提供設(shè)計文件。主要功能有：1.通過遍布全核島的火災(zāi)探測器實(shí)現(xiàn)對核島廠房火警信息的連續(xù)實(shí)時監(jiān)測和記錄。2.對核島區(qū)域消防管網(wǎng)的閥門狀態(tài)和2臺消防泵的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。3.特定探測器的火警信息聯(lián)動電梯、風(fēng)機(jī)、防火閥、雨淋閥等設(shè)備。4.報出并記錄火災(zāi)報警系統(tǒng)內(nèi)的控制器和探測器的故障信息。

AP1000火災(zāi)報警系統(tǒng)包含火警控制器網(wǎng)絡(luò)和火災(zāi)探測器網(wǎng)絡(luò)?；鹁刂破骶W(wǎng)絡(luò)是一個環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，環(huán)網(wǎng)中包含綜合顯示主機(jī)、區(qū)域火警控制器、噴淋控制器、區(qū)域圖文顯示器。每個區(qū)域火警控制器上可以建立多個火災(zāi)探測器網(wǎng)絡(luò)，火災(zāi)探測器網(wǎng)絡(luò)由多個火災(zāi)探測器、輸入模塊、輸出模塊、手動報警按鈕和聲光報警器組成。

實(shí)現(xiàn)火警信息的監(jiān)測和記錄是火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計的主要目的，通過火警控制器和火災(zāi)探測器的配合就可以實(shí)現(xiàn)此功能。AP1000核島火災(zāi)報警系統(tǒng)采用SIMPLEX公司設(shè)備，火警控制器采用4100U系列，AP1000核電廠核島區(qū)域每個廠房至少設(shè)置一臺火警控制器，多個火警控制器之間使用CAN通訊協(xié)議進(jìn)行通訊連接并組成環(huán)網(wǎng)。一個環(huán)網(wǎng)上的主機(jī)可以實(shí)現(xiàn)信息的共享，因此在AP1000核電廠的火災(zāi)報警系統(tǒng)可以設(shè)置多臺主機(jī)，設(shè)置多個值班室同時對火警信息監(jiān)控，可以有效避免人為原因漏報火警信息。

AP1000電廠的火災(zāi)報警系統(tǒng)的聯(lián)動關(guān)系設(shè)計較為特殊，單個火災(zāi)探測器的火警信息就可以聯(lián)動相關(guān)設(shè)備，相關(guān)設(shè)備包括電梯、風(fēng)機(jī)、防火閥、雨淋閥、聲光報警器。手動報警按鈕作為報警輔助，只聯(lián)動聲光報警器，提示現(xiàn)場人員及時撤離。后續(xù)的變更可以參考現(xiàn)行國標(biāo)GB_50116_2013，更改為兩種火災(zāi)探測器的火警信息觸發(fā)聯(lián)動設(shè)備。

3? ?設(shè)備選型與安裝

3.1? 火警控制器

SIMPLEX火警控制器的基本組成包括電源卡、CPU卡、網(wǎng)卡、回路卡、顯示單元、備用電源蓄電池等。電源卡集成了變壓器和CPU卡槽、網(wǎng)卡卡槽，起到電壓轉(zhuǎn)換和集成底板的作用。CPU卡包含火警編程程序并存儲火警、故障信息。網(wǎng)卡負(fù)責(zé)建立火警控制器間的通訊，控制器間使用CAN總線通訊。回路卡負(fù)責(zé)建立火警控制器與火災(zāi)探測器的通訊，使用SIMPLEX廠家研發(fā)的IDNet通訊協(xié)議，一個火警控制器最多支持6個回路卡。顯示單元起到人機(jī)交互的作用。SIMPLEX火警控制器需要使用特定的編程軟件ES program進(jìn)行編程，不支持在線編輯。

AP1000電廠在安全殼廠房、放射性廢物廠房、柴油機(jī)廠房各設(shè)置了一臺火警控制器，在輔助廠房設(shè)置了7臺火警控制器、在附屬廠房設(shè)置了3臺火警控制器，核島部分共使用了13臺火警控制器。每臺火警控制器攜帶一條火災(zāi)探測器回路。這樣設(shè)計的話，優(yōu)點(diǎn)是不會因火警控制器的故障導(dǎo)致多個火災(zāi)探測器回路、多個監(jiān)測區(qū)域失效。缺點(diǎn)是設(shè)備利用率低，可以考慮減少火警控制器的數(shù)量，每個火警控制器攜帶多條火災(zāi)探測器回路。在安全殼廠房、放射性廢物廠房、柴油機(jī)廠房、輻射控制區(qū)輔助廠房、非輻射控制區(qū)輔助廠房、附屬廠房各設(shè)置一臺火警控制器，將火警控制器數(shù)量減少至6臺。

3.2? 火災(zāi)探測器

根據(jù)可燃物的類型及數(shù)量、燃燒特點(diǎn)、廠房的布置情況，AP1000電廠布置多種類型火災(zāi)探測器。在安全殼廠房內(nèi)使用輸入模塊與定溫式溫感探測器組合的方式對非電纜橋架區(qū)域進(jìn)行火情監(jiān)控。溫感探測器正常狀態(tài)輸出常開接點(diǎn)，觸發(fā)火警信號時輸出常閉接點(diǎn)。輸入模塊接入火警控制器的火災(zāi)探測器環(huán)網(wǎng)，與火警控制器建立通訊，并將探測器的干接點(diǎn)信號傳輸給火警控制器。溫感探測器不含電子元件，耐輻照性能較好，不易產(chǎn)生故障報警。但是輸入模塊由電子元件組成，在輻射后易產(chǎn)生故障報警。輸入模塊的故障將導(dǎo)致與之相連的溫感探測器失去火情監(jiān)控功能。

潮濕環(huán)境一直是導(dǎo)致火災(zāi)報警系統(tǒng)誤報和故障的主要原因之一，冷凝水和霧氣會導(dǎo)致煙感探測器誤報火警，嚴(yán)重的冷凝水會損壞設(shè)備的電路部分。SIMPLEX設(shè)備的使用環(huán)境要求濕度在10%至93%之間，且不能存在冷凝水。潮濕主要是由于冷熱溫差導(dǎo)致，進(jìn)入夏季環(huán)境溫度偏高，廠房內(nèi)部溫度偏低，潮濕環(huán)境主要產(chǎn)生在廠房的外壁區(qū)域，如環(huán)廊區(qū)域。

建議后續(xù)設(shè)計考慮將環(huán)廊區(qū)域的煙感探測器更改為溫感探測器，以避免霧氣的干擾。并在探測器位置上增加電加熱裝置以避免冷凝水的干擾，如使用包含電加熱功能的探測器底座。

感溫光纖對比線型感溫電纜更適合在核島區(qū)域使用。感溫光纖主機(jī)可以顯示現(xiàn)場溫度實(shí)時值，光纖中石英分子鍵會受溫度上升而產(chǎn)生晶格振動。這種振動會導(dǎo)致在光纖中傳輸?shù)墓猱a(chǎn)生拉曼散射，而散射量的大小可以直接反應(yīng)溫度的高低。線型感溫電纜只能反饋開關(guān)量的火警信號。而且光纖的相較于感溫電纜的材質(zhì)耐輻射性能更加優(yōu)異，更加適合應(yīng)用于核電廠。

4? ?結(jié)論與展望

4.1? 設(shè)計優(yōu)點(diǎn)

（1）火警控制器網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)網(wǎng)設(shè)計，火警控制器之間可以共享探測器信息，根據(jù)需要可以設(shè)置多臺主機(jī)對所有探測器的火警、故障信息進(jìn)行監(jiān)控。

（2）安全殼內(nèi)火災(zāi)探測器的選型較為合理，采用金屬結(jié)構(gòu)的溫感探測器和感溫光纖的搭配，探測器耐輻照性能較好。

（3）根據(jù)廠房布置，可燃物種類、數(shù)量選取合適的火災(zāi)探測器進(jìn)行火情監(jiān)控。

4.2? 有待改進(jìn)

（1）火警控制器安裝位置和數(shù)量可以進(jìn)行優(yōu)化，在安全殼廠房、放射性廢物廠房、柴油機(jī)廠房、輻射控制區(qū)輔助廠房、非輻射控制區(qū)輔助廠房、附屬廠房各設(shè)置一臺火警控制器，將火警控制器數(shù)量減少至6臺。

（2）通過增加光纖主機(jī)通道數(shù)量和每個通道的光纖長度可以對光纖主機(jī)的數(shù)量優(yōu)化，相較于感溫電纜，感溫光纖的價格優(yōu)勢在于單位長度的光纖價格低于感溫電纜，而光纖主機(jī)的價格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于感溫電纜控制器。減少光纖主機(jī)數(shù)量對成本控制有較大幫助。

（3）安全殼廠房內(nèi)輸入模塊安裝位置有待優(yōu)化，應(yīng)該設(shè)計在輻射劑量小、便于檢修的位置。

（4）將單火災(zāi)探測器火警信息聯(lián)動設(shè)備更改為雙探測器聯(lián)動設(shè)備動作?？梢员苊饣鹁O(shè)備誤報導(dǎo)致的噴淋、電梯、風(fēng)機(jī)、防火閥等設(shè)備動作。

（5）考慮潮濕環(huán)境對火警設(shè)備的影響，對探測器選型、探測器的安裝進(jìn)行優(yōu)化。

（6）將消防閥門開關(guān)信號接入DCS系統(tǒng)，并制作相關(guān)畫面，將防火分區(qū)與消防閥門狀態(tài)在畫面中對應(yīng)起來，可以更加直觀監(jiān)控實(shí)時消防閥門狀態(tài)。

4.3? 展望

本文對AP1000核電站火災(zāi)報警系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行分析研究，總結(jié)出3項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，希望在后續(xù)核電站火災(zāi)報警系統(tǒng)的設(shè)計中可以繼續(xù)采納。提出了6項(xiàng)待優(yōu)化的設(shè)計問題，期待同行及專家可以繼續(xù)分析研究，發(fā)現(xiàn)更多有待優(yōu)化的設(shè)計，分析研究出更加優(yōu)秀的解決方案，不斷完善系統(tǒng)設(shè)計，為國內(nèi)核電項(xiàng)目的火警系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化提供有益借鑒。

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