核電廠火災(zāi)探測性能優(yōu)化研究

李銀凡， 白緒濤， 李文杰， 方華松， 張曉晨， 宗若雯

(1.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究院，安徽 合肥 230094)

0 引 言

安全是核電工程的生命線。從核電廠幾十年來的運營情況看，火災(zāi)是核電安全重大威脅之一，且火災(zāi)隱患貫穿于核電廠的整個生命周期，火災(zāi)探測器作為火災(zāi)報警系統(tǒng)中最基本、最關(guān)鍵的單元設(shè)備，其探測性能對核電安全具有重要意義。然而在核電廠一些特殊區(qū)域中，現(xiàn)役的常規(guī)火災(zāi)探測器的探測性能難以滿足其使用需求，不可避免地出現(xiàn)誤報、故障及漏報等失效性問題。法國EDF事件權(quán)威數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明：某核電站20年間誤報率高達(dá)1∶0.0276。誤報率高是當(dāng)前核電站火災(zāi)報警系統(tǒng)普遍存在的現(xiàn)象。

針對一些區(qū)域探測器失效的問題，以大亞灣核電廠火災(zāi)探測系統(tǒng)作為研究對象，結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境對其進(jìn)行全面分析研究，并基于雙波長感煙火災(zāi)探測及圖像火災(zāi)識別技術(shù)提出性能優(yōu)化方案，提升核電廠消防探測系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確保核電廠的安全運營。

1 核電站火災(zāi)探測現(xiàn)狀

經(jīng)調(diào)研，大亞灣核電廠的火災(zāi)探測設(shè)備已連續(xù)工作多年，在維護(hù)期間發(fā)現(xiàn)了不少誤報、故障及漏報等失效問題。通過對24 h事件單、工作票、備件發(fā)料記錄及預(yù)防性維護(hù)程序的查詢，大亞灣核電廠目前根據(jù)不同場所主要采用了感煙火災(zāi)探測器、感溫火災(zāi)探測器及火焰探測器等，現(xiàn)對近6年的這三種類型火災(zāi)探測器歷史運行數(shù)據(jù)進(jìn)行整理統(tǒng)計，結(jié)果見表1。

表1 火災(zāi)探測器運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

對大亞灣核電廠火災(zāi)探測器運行情況的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得出：

(1)現(xiàn)役的火災(zāi)探測器總體上可以滿足大部分場所的使用需求，僅在一些高大空間和高濕環(huán)境等場所存在較多的誤報、故障及漏報問題。

(2)火災(zāi)探測器失效的主要形式為誤報火警，而故障報警、漏報報警的情況相對較少。

(3)不同探測原理的火災(zāi)探測器失效數(shù)據(jù)存在較大差別，其絕大部分的失效集中在感煙火災(zāi)探測器上，具體分布如圖1所示。

圖1 火災(zāi)探測器失效分項統(tǒng)計

(4)另外，整理近年數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)，火災(zāi)探測器在不同月份的失效次數(shù)有很大差別，主要集中在5—9月份。

2 火災(zāi)探測器失效性分析

針對核電廠火災(zāi)探測器的誤報、故障及漏報的失效問題，主要表現(xiàn)在感煙火災(zāi)探測器上，從以下三個方面進(jìn)行原因分析：

(1)深圳屬于亞熱帶海洋性氣候，受季風(fēng)氣候影響，整個夏季高溫多雨，環(huán)境潮濕現(xiàn)象較為明顯，再加上核電廠地下管廊區(qū)域通風(fēng)效果不佳，易形成高濕環(huán)境。而核電廠現(xiàn)役的感煙火災(zāi)探測器是采用發(fā)射一種紅外光來檢測煙霧顆粒，當(dāng)環(huán)境中的粉塵、水汽、煙霧等顆粒進(jìn)入迷宮檢測室時，因無法區(qū)分而統(tǒng)一認(rèn)為是煙霧而觸發(fā)報警，并把錯誤的報警信息傳遞給火災(zāi)報警控制器，造成誤報警。

(2)感煙火災(zāi)探測器相對于其他類型探測器更容易發(fā)生故障的主要原因在于感煙火災(zāi)探測器必須讓空氣進(jìn)入腔內(nèi)，因此感煙探測器特有的迷宮式結(jié)構(gòu)易于受環(huán)境條件的影響造成故障。

(3)核電站的眾多高大空間廠房的高度均在10 m以上，但一般火災(zāi)煙霧顆粒在7 m左右出現(xiàn)分層，在重力作用下難以再繼續(xù)上升，這是導(dǎo)致感煙火災(zāi)探測器漏報的重要原因之一。而感溫探測器不適用于高大空間火災(zāi)探測，火焰探測器的探測機(jī)理決定了其不能用于煙霧探測。

通過分析得到，傳統(tǒng)的火災(zāi)探測器在核電廠的高大空間和高濕環(huán)境的區(qū)域內(nèi)很難達(dá)到預(yù)期的探測效果而存在一定的安全隱患，該隱患對核電廠消防安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。因此，對火災(zāi)探測器的性能優(yōu)化刻不容緩。

3 火災(zāi)探測性能優(yōu)化

目前，核電廠對火災(zāi)探測器誤報、故障、漏報等失效問題常采取的整改措施主要有更換故障火災(zāi)探測器、改進(jìn)探測器安裝方式和采用局部加熱改善探測器的運行環(huán)境等，但經(jīng)過對火災(zāi)探測器失效的原因分析可知，這些措施并不能從根本上解決探測器失效的問題，探測系統(tǒng)依然存在很大的安全隱患。

隨著對火災(zāi)特性及探測技術(shù)的研究不斷深入，火災(zāi)探測方法已呈現(xiàn)多樣化?，F(xiàn)基于傳統(tǒng)型感煙探測器的單波長發(fā)射光源探測方式衍生出雙波長煙霧探測技術(shù)可有效地解決因粉塵、潮濕等因素引起的誤報問題；針對高大空間，引入圖像識別技術(shù)對原有的火災(zāi)探測系統(tǒng)進(jìn)行補充，可以解決傳統(tǒng)探測器漏報的問題。

3.1 雙波長感煙火災(zāi)探測器

3.1.1 火災(zāi)探測機(jī)理及特點

雙波長感煙火災(zāi)探測器基于雙波長煙霧探測技術(shù)，采用了獨特的倒螺旋式進(jìn)煙結(jié)構(gòu)、藍(lán)光/紅光雙光源煙霧檢測、獨特的數(shù)據(jù)算法和智能研判等技術(shù)綜合研制而成。進(jìn)行火災(zāi)檢測時，探測器交替發(fā)出兩種波長差異非常大的藍(lán)光和紅光，發(fā)射光遇到迷宮檢測室中的微小顆粒時產(chǎn)生散射，檢測室中的接收器捕捉到散射光后進(jìn)行差值對比、綜合研判，去除因粉塵、水汽等導(dǎo)致的干擾信號，在本質(zhì)上解決了感煙火災(zāi)探測器因粉塵、水汽等造成的誤報問題，且藍(lán)光對火災(zāi)初期時的小煙霧顆粒較為敏感，適用于火災(zāi)早期探測。雙波長感煙火災(zāi)探測器完美兼顧了低誤報和高靈敏的使用需求。

3.1.2 與傳統(tǒng)感煙火災(zāi)探測器性能對比

為驗證雙波長感煙火災(zāi)探測器在核電廠潮濕環(huán)境的適用性，根據(jù)《點型感煙火災(zāi)探測器》(GB 4715—2005)及《核電站新型火災(zāi)探測器功能需求規(guī)格書》，與傳統(tǒng)感煙火災(zāi)探測器進(jìn)行高低溫、高濕、粉塵、煙霧等對比測試(圖2)，結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)及功能需求且性能優(yōu)于傳統(tǒng)感煙火災(zāi)探測器，測試結(jié)果見表2。

圖2 性能測試圖片

表2 性能測試匯總表

3.2 圖像火災(zāi)識別系統(tǒng)

3.2.1 火災(zāi)識別系統(tǒng)原理及特點

常規(guī)火災(zāi)探測器一般都是基于光、煙和溫等特征之一設(shè)計研發(fā)的。譬如以光屬性為代表的有紫外火焰探測器、紅外火焰探測器等，以煙屬性為代表的有線型光束感煙探測器、點型感煙火災(zāi)探測器等；以溫屬性為代表的有點型感溫火災(zāi)探測器、線型感溫電纜等。圖像火災(zāi)識別系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)分析服務(wù)器為核心并結(jié)合圖像識別技術(shù)及AI深度學(xué)習(xí)算法而研制的一款新型火災(zāi)自動報警系統(tǒng)，其工作原理為將通過攝像頭攝取的視頻圖像幀作為識別對象，根據(jù)物質(zhì)燃燒過程中的煙霧、火焰、溫度等圖像特征，進(jìn)行圖像分割、特征提取、算法分析、綜合研判，達(dá)到識別火災(zāi)的目的。圖像火災(zāi)識別系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)對早期火災(zāi)的有效探測，而且具有探測距離遠(yuǎn)、檢測范圍大、報警速度快、不易受外界因素干擾等優(yōu)點。

3.2.2 系統(tǒng)適用性驗證

根據(jù)《特種火災(zāi)探測器》(GB 15631—2008)、《可視圖像早期火災(zāi)報警技術(shù)規(guī)程》(CECS 448—2016)及《核電站新型火災(zāi)探測器功能需求規(guī)格書》中的要求對該系統(tǒng)進(jìn)行性能測試，如圖3所示，均符合標(biāo)準(zhǔn)及使用要求，驗證結(jié)果見表3。

圖3 適用性測試圖片

表3 性能驗證測試匯總表

3.3 探測性能優(yōu)化應(yīng)用

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研及條件篩選，火災(zāi)探測示范應(yīng)用場地選取GB廊道部分高濕區(qū)域和KAC檢修大廳的高大空間區(qū)域，根據(jù)雙波長感煙探測器、圖像火災(zāi)識別系統(tǒng)布局要求，對選定區(qū)域進(jìn)行梳理，在考慮原有的探測系統(tǒng)為主體的情況下，制定出適用于核電廠兩者融合的應(yīng)用方案，并實施優(yōu)化改造。

3.3.1 探測系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

在GB管廊區(qū)域內(nèi)搭建雙波長感煙火災(zāi)探測系統(tǒng)，采用雙波長感煙火災(zāi)探測器替換部分已經(jīng)失效的感煙火災(zāi)探測器，通過輸入輸出模塊與火災(zāi)報警控制器相連；在KAC檢修大廳內(nèi)搭建圖像火災(zāi)識別系統(tǒng)，考慮到核電廠施工難度的復(fù)雜性，直接基于現(xiàn)有的安防監(jiān)控攝像機(jī)，通過交換機(jī)與火災(zāi)分析服務(wù)器連接，完成系統(tǒng)搭建，火災(zāi)分析服務(wù)器通過存儲陣列獲取現(xiàn)場實時監(jiān)控視頻流進(jìn)行圖像火災(zāi)識別，如圖5所示。

圖5 像分析服務(wù)器實時監(jiān)測圖片

整套系統(tǒng)分為三層架構(gòu)，即前端設(shè)備層、信息處理與轉(zhuǎn)換層和終端報警聯(lián)動層，其中前端設(shè)備層由雙波長感煙火災(zāi)探測器和該區(qū)域監(jiān)控攝像頭組成。信息處理與轉(zhuǎn)換層包含輸入輸出模塊、火災(zāi)識別服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、存儲陣列等，其中輸入輸出模塊主要用于信號轉(zhuǎn)換及傳輸，火災(zāi)分析服務(wù)器用于圖像處理、火災(zāi)識別及報警信息輸出；終端聯(lián)動層主要包含火災(zāi)聯(lián)動控制器，通過RS-485通訊和開關(guān)量信號接收及處理前段的報警、故障等信號并實現(xiàn)消防整體聯(lián)動。

3.3.2 應(yīng)用效果分析

設(shè)備安裝完整、調(diào)試完畢后，對雙波長感煙火災(zāi)探測器及圖像火災(zāi)識別系統(tǒng)進(jìn)行了性能測試均滿足功能需求，結(jié)果見表4。

表4 設(shè)備測試記錄匯總表

通過對雙波長感煙火災(zāi)探測器和圖像火災(zāi)識別系統(tǒng)的安裝、調(diào)試過程及測試結(jié)果可以看出：雙波長感煙火災(zāi)探測器可基于原有火災(zāi)報警系統(tǒng)行進(jìn)擴(kuò)充或者替換，圖像火災(zāi)識別系統(tǒng)可在視頻監(jiān)控系統(tǒng)上進(jìn)行升級改造，無須另外增加探測設(shè)備，整個系統(tǒng)在安裝方面布局簡單、施工方便，并對原有系統(tǒng)不均產(chǎn)生任何影響；在功能方面不僅報警準(zhǔn)確率高、響應(yīng)速度快而且監(jiān)測范圍大；在穩(wěn)定性方面，目前已經(jīng)在核電場所進(jìn)行了4個月的穩(wěn)定性測試，系統(tǒng)均沒有發(fā)生誤報、故障及漏報等失效情況，屬于準(zhǔn)確可靠的探測方式。應(yīng)用結(jié)果表明，雙波長感煙火災(zāi)探測器和圖像火災(zāi)識別系統(tǒng)適用于核電廠潮濕環(huán)境及高大空間場所。

4 結(jié)束語

本文從核電廠火災(zāi)探測器工作現(xiàn)狀和實際需求出發(fā)，重點分析傳統(tǒng)火災(zāi)探測器在核電廠高大空間及高濕環(huán)境場所應(yīng)用的局限性，提出基于雙波長煙霧探測及圖像火災(zāi)識別技術(shù)的適用于核電廠火災(zāi)探測性能優(yōu)化設(shè)計方案，通過現(xiàn)場示范應(yīng)用和性能測試表明符合核電廠使用需求。雙波長煙霧探測技術(shù)用于核電廠的優(yōu)勢在于其賦予火災(zāi)報警系統(tǒng)敏銳的嗅覺，解決了傳統(tǒng)感煙火災(zāi)探測器無法徹底區(qū)分粉塵、水汽等非煙類干擾信號的問題，有效地降低了核電廠高濕環(huán)境場所的誤報率；圖像火災(zāi)識別技術(shù)用于核電廠的優(yōu)勢在于其賦予火災(zāi)報警系統(tǒng)敏銳的視覺，在常規(guī)火災(zāi)探測器應(yīng)用效果不佳的場所可基于現(xiàn)有的安防監(jiān)控系統(tǒng)引入圖像火災(zāi)識別系統(tǒng)進(jìn)行補充，從而提高火災(zāi)探測準(zhǔn)確率。雙波長感煙火災(zāi)探測器和圖像火災(zāi)分析系統(tǒng)解決了核電廠火災(zāi)探測器因高大空間或潮濕環(huán)境引起誤報、故障或漏報等諸多失效性問題，為核電廠的火災(zāi)安全提供了有力保障，也為后續(xù)其他核電廠消防系統(tǒng)性能優(yōu)化提供了方向。