核電廠RCP主泵間火災(zāi)探測改進(jìn)和設(shè)計要點(diǎn)分析

吳超 任科 周濤

摘要：文章對核電廠RCP主泵間火災(zāi)探測進(jìn)行了研究，分析了RCP主泵間火災(zāi)探測方式;分析了吸氣式感煙探測系統(tǒng)采樣管路存在的問題，提出了相關(guān)改進(jìn)措施，闡述了電源故障報警等細(xì)節(jié)的設(shè)計要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：吸氣式感煙火災(zāi)探測器;采樣管路;切換

核電廠反應(yīng)堆廠房在機(jī)組功率運(yùn)行期間，人員不能直接進(jìn)入現(xiàn)場監(jiān)視火災(zāi)，所以反應(yīng)堆廠房火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的可靠性就尤為重要。如果火災(zāi)時系統(tǒng)不報警或沒有火災(zāi)時系統(tǒng)誤報警都會對機(jī)組的正常運(yùn)行造成影響，甚至影響機(jī)組的安全。

1? RCP主泵間火災(zāi)探測器的選擇

RCP泵是核島一回路驅(qū)動冷卻劑主泵[1]，位于反應(yīng)堆廠房。RCP主泵間有兩個特點(diǎn)，一是空間高，接近20m;二是輻照劑量高[2]，輻射分區(qū)屬于紅區(qū)。根據(jù)這兩個特點(diǎn)，主泵間火災(zāi)探測器不適宜選擇常用的點(diǎn)型感煙探測器和點(diǎn)型感溫探測器。原因有兩點(diǎn)：

（1）點(diǎn)型感煙探測器的安裝高度一般不超過12m，即使在封閉的空間，安裝高度也不能超過14m;點(diǎn)型感溫探測器安裝高度不超過8m[3]。主泵間顯然不適合選用這兩款探測器。

（2）點(diǎn)型感煙探測器和點(diǎn)型感溫探測器由于內(nèi)部裝有電子部件，電子部件耐輻照能力差。在高劑量輻照環(huán)境下，探測器前期會出現(xiàn)頻繁誤報，后期會出現(xiàn)故障報警，甚至徹底損壞。

雖然線型光束感煙探測器適用于高大空間，但線型光束感煙探測器同樣帶有電子部件，也不適合在高輻照劑量的主泵間使用。其他探測部位帶有電子部件的火災(zāi)探測器，比如火焰探測器、線型感溫探測器等，均不適用于主泵間。

綜上所述，探測部件上不能帶電子部件，按照這一思路，采用了吸氣式感煙探測器，即在主泵間內(nèi)只布置采樣管，含有電子部件的控制器安裝在主泵間之外。采樣管從主泵間伸出，連接至控制器，主泵間的空氣樣本從采樣管吸入控制器內(nèi)的腔體。采用這種方式，吸氣式感煙探測器的控制器避開了主泵間的高劑量輻照。再則，按照GB 50116-2013《火災(zāi)自動報警報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》5.4.1.2條“點(diǎn)型感煙、感溫火災(zāi)探測器不適宜在大空間、舞臺上方、建筑高度超過12m或有特殊要求的場所”[4]宜選擇吸取式感煙探測器。所以在RCP主泵間采用吸氣式感煙探測器是比較合適的探測方式。

2? 采樣管管路設(shè)置及改進(jìn)

吸氣式感煙探測器由采樣管和主機(jī)組成，主機(jī)內(nèi)部安裝有吸氣泵、探測腔、控制電路等設(shè)備[5]。由于反應(yīng)堆廠房在運(yùn)行期間不便進(jìn)入，所以每個主泵間設(shè)置兩套吸氣式感煙探測器主機(jī)，互為備用。主控室操作員可以選擇任意一臺主機(jī)工作，另一臺作為備用，當(dāng)處于工作狀態(tài)的控制器發(fā)生故障則切換至另一臺。吸氣式感煙探測器主機(jī)設(shè)置在核島主泵間外，空氣采樣管伸入主泵間內(nèi)抽取空氣樣本進(jìn)行分析，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時發(fā)出報警。

這種冗余設(shè)計采用了兩套獨(dú)立的控制系統(tǒng)，當(dāng)一臺控制器失效時不會導(dǎo)致探測系統(tǒng)失效，符合ETC-F提出的核島消防設(shè)備能動部件冗余的思想，符合隨機(jī)故障的要求。早期CPR1000堆型的多臺機(jī)組正是采用了以上設(shè)計思路，但兩套探測系統(tǒng)共用一套空氣采樣管路，也造成了以下缺陷和隱患。

2.1? 探測管路的缺陷

兩套吸氣式感煙探測器主機(jī)是各自獨(dú)立、互為備用的，但探測管路共用，也就是共用同一根空氣采樣管接入主泵間。這就導(dǎo)致抽取的氣體樣本不完全來自被探測區(qū)域，如圖1，當(dāng)1#吸氣式感煙探測器主機(jī)工作時，由于兩臺主機(jī)共用采樣管，停止工作的2#主機(jī)氣流處于逆行狀態(tài)，會從周圍環(huán)境中吸取空氣，倒灌至1#主機(jī)分析腔內(nèi)。由于兩臺空氣采樣控制器都安裝在主泵間外，故而，1#空氣采樣控制器采樣的空氣樣本一部分來自主泵間內(nèi)，另一部分的空氣樣本來自主泵間外，導(dǎo)致該探測系統(tǒng)不能真實(shí)地探測主泵間的火災(zāi)情況，有漏報和誤報火災(zāi)的風(fēng)險。

為了測試從停止的吸氣式探測器主機(jī)進(jìn)入正在工作的吸氣式探測器主機(jī)的氣流量，設(shè)備供應(yīng)商進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)：

如圖2，在1#吸氣式探測器主機(jī)的分支管道上安裝截止閥，2#吸氣式探測器主機(jī)通電運(yùn)行，1#主機(jī)停止。采樣VSC軟件監(jiān)視2#主機(jī)的氣流。當(dāng)截止閥關(guān)閉時，1#吸氣式探測器對2#吸氣式探測器不產(chǎn)生影響，此時軟件VSC顯示到氣流值為1532。當(dāng)截止閥打開時，1#吸氣式探測器氣流逆行，倒灌至2#吸氣式探測器。此時軟件VSC觀測到氣流值為2824，基本上翻了一倍。

從實(shí)驗(yàn)可以看出兩臺機(jī)共用采樣管導(dǎo)致有將近一半的空氣樣本不是來自被探測的區(qū)域。也就是說，對于RCP主泵間探測系統(tǒng)，不管是哪臺探測器主機(jī)在工作，抽取的空氣一半左右來自主泵間，另一半則是不相干的區(qū)域。

僅主機(jī)冗余，空氣采樣管不冗余，如果采樣管故障，則系統(tǒng)就不能正常運(yùn)行。空氣采樣管路是空氣采樣系統(tǒng)中重要的組成部分，直接影響到空氣采樣系統(tǒng)能否有效探測。假設(shè)1#吸氣式探測器主機(jī)在運(yùn)行時，空氣采樣管路出現(xiàn)破損或堵塞等故障，探測系統(tǒng)會報出故障，并自動切換到備用的2#吸氣式探測器主機(jī);但此時1#主機(jī)并沒有故障，切換之后，由于1#主機(jī)、2#主機(jī)共用管路，2#主機(jī)也會報出相同故障。這樣就會在1#主機(jī)、2#主機(jī)間來回切換，系統(tǒng)卻不能正常探測。因此兩臺主機(jī)共用探測管路，通過主、備探測器切換的方式并不能解決采樣管路故障的問題。

2.2? 管路改進(jìn)的措施

（1）分離共用的空氣采樣管

既然問題產(chǎn)生于兩套探測系統(tǒng)共用一套空氣采樣管，最直接的改進(jìn)措施是將共用的空氣采樣管分開。如圖3所示，每臺吸氣式探測器主機(jī)配置一套獨(dú)立的空氣采樣管，這樣就能保證每臺主機(jī)抽取的空氣樣本都來自RCP主泵間，避免了由于空氣樣本的差錯導(dǎo)致火災(zāi)漏報和誤報的風(fēng)險。采用這種方式，吸氣式探測器主機(jī)和采樣管都實(shí)現(xiàn)了冗余備份。

（2）加裝電磁閥

在每個吸氣式探測器主機(jī)采樣管路入口或出口處加裝電磁閥作為截止閥，防止空氣從停用的吸氣式探測器主機(jī)進(jìn)入到正在運(yùn)行主機(jī)的采樣管路，該方案是解決氣流逆行倒灌的措施之一。但加裝電磁閥也會帶來問題，在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)切換到備用主機(jī)工作后其電磁截止閥會長期保持通電狀態(tài)，以保證采樣管路的暢通。電磁閥的長時間通電線圈會發(fā)熱，長時間帶電發(fā)熱工作，易造成電磁閥的損壞，造成采樣空氣無法進(jìn)入吸氣式探測器主機(jī)，探測系統(tǒng)不能正常工作。而且，一個換料周期內(nèi)未必能夠保證電磁閥不出故障，運(yùn)行期間通常無法更換安全殼內(nèi)的設(shè)備。

（3）對比

對比上述兩種改進(jìn)措施，兩套吸氣式探測器主機(jī)各自配置一套獨(dú)立的采樣管的方式優(yōu)于在采樣管上加電磁閥的方式。實(shí)際改進(jìn)采用的正是將共用的空氣采樣管分開，每套探測主機(jī)各自獨(dú)立設(shè)置的方式。

3? 其他設(shè)計要點(diǎn)分析

改進(jìn)后，一臺RCP主泵間對應(yīng)一套冗余的吸氣式感煙探測系統(tǒng)。除了主機(jī)和探測管路外，每臺主機(jī)需配置一臺電源，將AC220V電源轉(zhuǎn)換為DC24V電源;還需設(shè)置兩臺探測主機(jī)的切換和控制裝置，裝置具有故障情況下自動切換的功能，也具有人工手動切換的功能。所以，一套冗余吸氣式感煙探測系統(tǒng)由兩臺探測主機(jī)、兩套電源裝置、兩套探測管路及一套切換和控制裝置構(gòu)成。依照系統(tǒng)的組成，設(shè)計時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

（1）反應(yīng)堆廠房在機(jī)組功率運(yùn)行期間難以進(jìn)入，不能去現(xiàn)場查看和操作，所以運(yùn)行和維修人員希望能在主控室獲取吸氣式感煙探測系統(tǒng)的各類信息，且能進(jìn)行一些特定的操作。主控室的火災(zāi)報警琴臺上應(yīng)設(shè)置RCP泵的控制面板，面板上布置有系統(tǒng)運(yùn)行相關(guān)的指示燈和操作按鈕等。主控室的操作人員可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇探測主機(jī)中的任意一臺工作，當(dāng)一臺主機(jī)工作時另一臺停止，而且，采用旋轉(zhuǎn)式選擇開關(guān)比采樣按鈕更可靠，如果采用按鈕，當(dāng)1#主機(jī)按鈕動作時，1#主機(jī)投運(yùn)，需要通過互鎖電路鎖住2#主機(jī)不能投運(yùn)。

（2）兩套吸氣式探測器主機(jī)的上游各有一臺將AC20V 轉(zhuǎn)換為DC24V的電源裝置，電源裝置的故障信息應(yīng)送至主控室，如果不送出，當(dāng)電源裝置故障，主控室操作員得不到相關(guān)的信息，系統(tǒng)帶故障運(yùn)行，就失去了冗余備份的功能。增加了對空氣采樣控制器上游的電源裝置故障報警的監(jiān)視，主控室操縱員能及時了解電源的狀態(tài)。

（3）吸氣式探測系統(tǒng)的火警信號接至核島火災(zāi)自動報警系統(tǒng)，需要注意的是，一套探測系統(tǒng)共有火警、預(yù)警、探測系統(tǒng)設(shè)備故障、電源故障等4個信號接至核島火災(zāi)自動報警系統(tǒng)。這些信號都能在主控室顯示和報警。

如圖4，上述4個信號配套設(shè)置輸入模塊，當(dāng)出現(xiàn)報警或故障信號時，觸發(fā)輸入模塊動作，信號通過輸入模塊送至核島火災(zāi)自動報警系統(tǒng)，并在主控室發(fā)出報警，操作員可以及時查看和進(jìn)行后續(xù)處理。

4? 結(jié)語

上述改進(jìn)已在新建的CPR1000機(jī)組和華龍一號機(jī)組實(shí)施，總結(jié)如下：

（1）將兩套吸氣式感煙探測器共用的采樣管改為每臺探測器配置一套獨(dú)立采樣管，從根本上解決了氣流從一臺探測器向另一臺探測器逆向倒灌的問題，徹底解決了空氣樣本不真實(shí)的問題，避免因空氣樣本的差錯導(dǎo)致報警失誤。

（2）設(shè)置旋轉(zhuǎn)式選擇開關(guān)，方便主控室操作員隨時選擇任意一臺吸氣式感煙探測器運(yùn)行，另一臺備用，其他操作員也能從選擇開關(guān)上清晰地看到所選擇的探測器。

（3）設(shè)置輸入，模塊將火警、故障信號接入火災(zāi)自動報警系統(tǒng)。增加了對吸氣式探測器上游電源裝置故障的監(jiān)視，以便主控室操作人員及時了解探測系統(tǒng)電源裝置的運(yùn)行狀態(tài)。

（4）采用增加一套采樣管、增加輸入模塊等少量元件、優(yōu)化控制電路等手段，提高了探測系統(tǒng)可靠性，操作便利性。費(fèi)用低廉，效果顯著，消除了系統(tǒng)原有的缺陷。

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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