核電站光電感煙探測(cè)器的防凝露裝置設(shè)計(jì)

李 蕊，張旭全，何銀江，林特君，李 原

（1.中廣核研究院有限公司 北京分公司, 北京 100086；2.大亞灣核電運(yùn)營(yíng)管理有限責(zé)任公司，深圳 518124）

0 引言

過去,當(dāng)談到核電站的安全時(shí),人們往往只重視核電站的內(nèi)部事件,而忽視了對(duì)核電站安全影響較大的外部事件,如火災(zāi)、地震、龍卷風(fēng)等。實(shí)踐表明,外部事件對(duì)核電站的安全問題影響極大。作為外部事件之一的“火災(zāi)”,對(duì)核電安全的影響頻度甚至大于核電站所有的內(nèi)部事件。嚴(yán)重的火災(zāi)事故甚至?xí)?dǎo)致停堆，影響核電站的壽期。

據(jù)美國(guó)火災(zāi)概率風(fēng)險(xiǎn)分析表明：作為初因事件的火災(zāi)對(duì)核電站總的“堆芯損壞頻率的貢獻(xiàn)高達(dá)55%”。從法國(guó)EDF事件數(shù)據(jù)庫找到與火災(zāi)相關(guān)的事件為2204件（1975年～1995年）。其中，火災(zāi)相關(guān)事件與真實(shí)火災(zāi)的比例是1:0.027。平均來講37次火災(zāi)相關(guān)事件,對(duì)應(yīng)著一次真實(shí)火災(zāi)。由此可見，自1975年起的20年中,火災(zāi)對(duì)法國(guó)核電站的經(jīng)濟(jì)和安全造成影響的真實(shí)火災(zāi)有60多次。核電站的防火安全,己經(jīng)成為世界上公眾十分關(guān)注的一個(gè)社會(huì)問題[1]。

圖1 核電站火災(zāi)探測(cè)器的分類Fig.1 Classification of Fire detectors in nuclear power plants

圖2 光電感煙式探測(cè)器工作原理Fig.2 Working principle of photoelectric smoke detector

然而，火災(zāi)探測(cè)中不可避免的誤報(bào)一直困擾著人們。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，若火災(zāi)探測(cè)器發(fā)生誤報(bào)警，則會(huì)造成火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)無法正常運(yùn)行，給核電站正常運(yùn)行帶來負(fù)面影響。主要表現(xiàn)在：誤報(bào)警可能誤啟動(dòng)關(guān)聯(lián)設(shè)備或關(guān)聯(lián)系統(tǒng)（如防火閥、消防水系統(tǒng)等），還可能造成運(yùn)行人員做出錯(cuò)誤判斷（如執(zhí)行疏散人員的火災(zāi)響應(yīng)）而使生產(chǎn)中斷。如經(jīng)常誤報(bào)，則不可避免地會(huì)造成一定的生產(chǎn)損失，同時(shí)還會(huì)降低運(yùn)行人員對(duì)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的信任度[2]。

1 火災(zāi)探測(cè)器的類型及其工作原理

1.1 核電站火災(zāi)探測(cè)器的類型

火災(zāi)探測(cè)器能檢測(cè)環(huán)境中與火災(zāi)相關(guān)的信號(hào)（如煙霧、溫度、火焰、可燃?xì)怏w濃度等），并將檢測(cè)到的信號(hào)傳遞至火警控制器，火警控制器通過信號(hào)處理、數(shù)據(jù)分析等過程，判斷是否發(fā)生火災(zāi)并觸發(fā)報(bào)警信號(hào)。根據(jù)火災(zāi)發(fā)生時(shí)現(xiàn)象及檢測(cè)氣體的不同，核電站用到的探測(cè)器有感煙探測(cè)器、感溫探測(cè)器、火焰探測(cè)器、氫氣探測(cè)器，如圖1所示。

1.2 光電感煙探測(cè)器工作原理

光電感煙型探測(cè)器是核電站應(yīng)用最普遍、數(shù)量最多的探測(cè)器，所占比例在80%以上。光電感煙探測(cè)器由檢測(cè)暗室（迷宮式）、發(fā)光元件、受光元件和電子電路組成，如圖2所示。通過檢測(cè)被煙粒子散射的光而達(dá)到對(duì)煙霧進(jìn)行探測(cè)的目的。由于是迷宮式設(shè)計(jì)，無煙時(shí)發(fā)光元件發(fā)出的光不能直接到達(dá)受光元件，煙霧一旦產(chǎn)生，隨著其濃度的增大，煙粒子數(shù)的增多，被煙霧粒子散射從而被受光元件接收到的光量增加，即感光元件接收到的光信號(hào)強(qiáng)度與煙霧濃度相關(guān)。感光元件再把光信號(hào)通過變送電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流模擬量，然后經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算比較器或CPU轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過通訊接口傳至火警控制器，最終由火警控制器實(shí)現(xiàn)報(bào)警，如圖3所示[3]。

圖3 探測(cè)器的基本工作原理Fig.3 Basic working principle of detectors

2 潮濕對(duì)光電感煙探測(cè)器的影響

感光元件是火災(zāi)探測(cè)器的主要組成部分，其通過光學(xué)、物理學(xué)原理來檢測(cè)外部環(huán)境的細(xì)微變化，往往會(huì)將與煙霧某方面特性相似的物質(zhì)（如粉塵、水霧）誤認(rèn)為是火災(zāi)煙霧。另外，由于感光元件長(zhǎng)期暴露在外部環(huán)境中，易受到空氣中粉塵、潮氣等影響而使靈敏度降低[4]。

因核電站大多處于沿海城市，氣候濕潤(rùn)，濕度經(jīng)常超標(biāo)，特別是夏季梅雨季節(jié)以及冬季回南天（南方城市）時(shí)期，濕度經(jīng)常達(dá)到95%以上，白天氣溫較高，空氣不易達(dá)到飽和，較難形成水珠，當(dāng)?shù)搅送砩希瑲鉁叵陆?，空氣中的水蒸氣很容易飽和，易形成水珠。?dāng)進(jìn)入探測(cè)器探測(cè)室里的濕氣形成水珠后，會(huì)導(dǎo)致光線大量散射，使探測(cè)器發(fā)生誤報(bào)警。濕氣還易吸附灰塵，在探測(cè)器的電路板上產(chǎn)生漏電流，腐蝕電路板，如遇雨天等潮濕天氣，則情況更加嚴(yán)重。

3 光電感煙探測(cè)器防凝露裝置的設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原理

考慮到潮濕引起火災(zāi)探測(cè)器誤報(bào)警的原因主要是溫差導(dǎo)致的水蒸氣凝結(jié)，如果能夠消除溫差，或者能減緩溫度下降速度，即可解決此類問題。本文針對(duì)潮濕引起的光電感煙探測(cè)器的誤報(bào)問題，設(shè)計(jì)一款鎂鋁合金的防凝露裝置，底座采用半包圍方式，保證正常煙霧探測(cè)的同時(shí)，通過熱輻射使探測(cè)器本體溫度始終高于露點(diǎn)溫度，從而確保不會(huì)在感煙探測(cè)器表面及迷宮內(nèi)部產(chǎn)生凝露，完全解決因?yàn)槟对斐傻恼`報(bào)警問題。

3.2 設(shè)計(jì)的合理性和安全性

1）加熱片的設(shè)計(jì)

圖4 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of test device

防凝露裝置的加熱片采用硅橡膠、耐高溫的纖維增強(qiáng)材料以及經(jīng)過排列后的鎳合金電阻線集合而成的軟性電加熱膜元件，此類元件由兩張玻璃纖維布及雙片壓硅膠合制而成的硅膠玻璃纖維布構(gòu)成。加熱片為薄片狀產(chǎn)品，加熱片與底座之間采用無縫隙緊貼，底座與加熱片的結(jié)合處不做任何噴涂處理，可保證最佳加熱效果。

2）保護(hù)電路設(shè)計(jì)

從安全方面考慮，在防凝露裝置內(nèi)部加裝溫控開關(guān)，當(dāng)因電網(wǎng)異常波動(dòng)造成電壓過高、加熱部件故障等原因造成溫度超過正常工作溫度時(shí)，溫控開關(guān)動(dòng)作，切斷加熱回路電源；同時(shí)，在加熱回路內(nèi)串入保險(xiǎn)絲，當(dāng)保險(xiǎn)絲熔斷，切斷加熱回路電源。如某一支路防凝露裝置出現(xiàn)故障，不會(huì)影響其他支路正常工作。

3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

加熱腔部分密封設(shè)計(jì)，在感煙探測(cè)器位置出線處采用環(huán)氧樹脂灌封，信號(hào)線和加熱電源線出線處采用防護(hù)等級(jí)為IP67的防水金屬航空連接器，確保在高濕度環(huán)境下不會(huì)有水份進(jìn)入電路部分，影響加熱性能。

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

1）試驗(yàn)裝置及方案

為驗(yàn)證防凝露裝置是否解決潮濕引起的誤報(bào)問題，同時(shí)將帶底座和不帶底座的兩臺(tái)探測(cè)器置于試驗(yàn)裝置中，如圖4所示。該試驗(yàn)箱為采用8mm厚度的玻璃制作的長(zhǎng)方體，便于觀察箱內(nèi)情況，箱內(nèi)容積80L。試驗(yàn)裝置包括風(fēng)扇、加熱電阻、溫/濕度儀、加濕器等。各項(xiàng)設(shè)備的參數(shù)為內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇風(fēng)量15CFM；加熱電阻功率0～100W連續(xù)可調(diào)，溫度測(cè)量設(shè)備范圍為0～80℃，誤差±0.3℃，分辨率0.1℃；濕度測(cè)量：0～99.9%RH，誤差±2%RH，分辨率0.1%RH；加濕器：水霧化0.5μm～1μm，加濕量80ml/h～280ml/h連續(xù)可調(diào)。

2）試驗(yàn)結(jié)果

少量水霧環(huán)境：加濕器持續(xù)加濕過程中，試驗(yàn)箱內(nèi)會(huì)產(chǎn)生水霧，其中無底座探測(cè)器發(fā)生誤報(bào)火警，有防凝露裝置的探測(cè)器整個(gè)加濕過程中檢測(cè)峰值最大為1%（達(dá)到100%時(shí)報(bào)火警），能很好地在少量水霧環(huán)境中正常工作。

高濕凝露環(huán)境：通過在凝露試驗(yàn)箱內(nèi)對(duì)有防凝露裝置探測(cè)器與無防凝露裝置探測(cè)器相同環(huán)境下的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在模擬凝露時(shí)，無防凝露裝置探測(cè)器發(fā)生誤報(bào)，有防凝露裝置探測(cè)器可正常工作。

凝露試驗(yàn)完成時(shí)對(duì)有防凝露裝置的探測(cè)器進(jìn)行煙霧測(cè)試，能正常報(bào)警。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)光電火災(zāi)探測(cè)器的工作原理及潮濕對(duì)探測(cè)器誤報(bào)的影響進(jìn)行分析，找出探測(cè)器誤報(bào)的原因，并提出防凝露裝置的設(shè)計(jì)方法。通過試驗(yàn)證明，該防凝露裝置可以解決核電站光電感煙探測(cè)器因潮濕產(chǎn)生的誤報(bào)問題，為火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。