核电厂核岛消防系统雨淋阀控制的研究与改进

张 禹 颜盼想

(深圳中广核工程设计有限公司，广东 深圳 518172)

0 引言

与常规火电厂不同，核电厂是利用核裂变产生的能量进行发电，核燃料、DCS 机柜、柴油发电机等与核电厂运行息息相关的重要设备布置在核岛厂房、电气厂房和柴油发电机厂房(统称核岛)内。厂房内环境复杂、设备众多，关键位置的火灾预防、处理不当，会产生严重的后果，甚至会有放射性物质释放的风险。因此，核电厂对核岛内火灾的预防和处理都有更为严格的要求。核岛内通常采用雨淋系统进行消防供水，正常情况下，雨淋系统是自动控制的，其控制的关键是对雨淋阀的控制。本文在简介核电厂核岛内消防系统雨淋阀简介的基础上，结合GB 5135.5 -2003《自动喷水灭火系统 第5 部分:雨淋报警阀》的相关要求，对雨淋阀的控制逻辑进行了深入的研究分析，就其运行中存在的潜在风险提出可行的改进方案，为后续核电厂核岛内消防系统雨淋阀和其他类似设备控制逻辑的设计提供可行的参考。

1 消防系统雨淋阀组功能

核电厂核岛内消防系统的雨淋阀组是雨淋系统的核心设备，它用于火灾发生时，向核岛厂房、电气厂房和柴油发电机厂房内的消防系统终端设备提供足够压力和流量的消防水，以保证及时、高效地灭火，从而避免火灾扩大和蔓延。

2 雨淋阀组工作原理简介

核电厂核岛内消防系统通常采用膜片式雨淋阀，它由膜片将雨淋阀分为膜片腔和供水腔，通过上下受水面积和重力的差异，实现良好的密封。雨淋阀组主要由膜片式雨淋阀、电磁阀、应急手动阀、自动关断阀、水力警铃和手动主排水阀组成。雨淋阀组流程示意图如图1 所示。

雨淋阀供水动作过程:电磁阀通电开启或应急手动阀打开后，从膜片腔中释放水的速度快于膜片腔供水管上自动关断阀中补水的速度，导致膜片腔内压力P2迅速下降，P2作用在膜片上，使膜片保持在关闭位置的差压力(ΔP = P2－P1)减小，当ΔP 低于阀门脱扣点时，供水侧压力P1迫使膜片开启，水流入系统侧管道，向消防管网终端供水，同时水流进入水力警铃报警接口，触发报警。

图1 雨淋阀组供水流程示意图Fig.1 Schematic diagram of the water supplying process for deluge valve group

当水进入系统时，自动关断阀传动腔内压力增加，自动关断向膜片腔内供水的水流，避免雨淋阀膜片腔再次被充压，防止在灭火过程中雨淋阀的意外关闭。

雨淋阀复位操作:选用的膜片式雨淋阀组，采用手动复位方式，只需向膜片腔再次充压，即可使雨淋阀复位。

3 雨淋阀控制方案剖析

3.1 雨淋阀控制方案

雨淋阀的控制包括开启和关闭两种操作。

雨淋阀开启的控制方案包括:火灾探测系统自动启动、主控室内远程手动启动、就地消防模拟盘手动启动、人工打开应急手动阀。

雨淋阀开启的控制方案示意图如图2 所示。

图2 雨淋阀开启的控制方案示意图Fig.2 Schematic diagram of the open control scheme for deluge valve

雨淋阀一旦打开，需要运行人员就地检查，在确定安全的情况下手动向膜片腔充压，使雨淋阀复位。

3.2 标准中雨淋阀的控制要求

根据GB 5135.5 -2003《自动喷水灭火系统 第5部分:雨淋报警阀》第4.12.5 款:雨淋报警阀的启动装置动作后，应在15 s 内打开雨淋报警阀的阀瓣(当雨淋报警阀的公称直径超过200 mm 时，可在60 s 之内打开阀瓣)。［1］

3.3 雨淋阀控制方案分析

雨淋阀的控制方案即雨淋阀的开启控制，也就是对电磁阀的控制。通过电磁阀通电打开，释放雨淋阀内的膜腔水，使得供水侧的压力大于膜片腔内压力，打开雨淋阀供水。

电磁阀通电启动供水系统后，可能由于某种原因又被断电关闭，这时的雨淋阀组存在如下三种可能。

(1)膜片腔已经完全泄压，雨淋阀正常供水。

(2)膜片腔尚未完全泄压，但雨淋阀中的供水可以提供足够的关闭自动关断阀的水压力。此时，雨淋阀仍可以向管网供水，但供水无法保证足够的压力和流量。

(3)膜片腔尚未完全泄压，雨淋阀中的供水无法提供足够的关闭自动关断阀所需的压力，导致膜片腔再次被充压，从而关闭雨淋阀的供水。

情况(2)和(3)会对管网终端消防供水产生影响，甚至可能会产生无可挽回的重大事故，这是不能、也不允许发生的，因此必须保证雨淋阀的完全打开并保持。除人工打开应急手动阀外，电磁阀的通电时间是保证膜片腔完全泄压、雨淋阀完全打开，向消防系统提供足够压力和流量消防水的关键。通电时间短，可能会产生情况(2)和(3);通电时间过长，又可能导致雨淋阀供水结束后，运行人员无法直接复位雨淋阀的问题。因此，电磁阀通电时间的选择是雨淋阀控制方案的关键。

结合GB 5135.5 -2003《自动喷水灭火系统 第5部分:雨淋报警阀》第4.12.5 款，且核电厂核岛内消防系统雨淋阀的公称直径为DN100 的实际情况，电磁阀的通电时间需要满足15 s 能完全打开雨淋阀的要求。

雨淋阀上电磁阀的通电时间主要由火灾探测信号、就地消防模拟盘手动启动信号和主控室DCS 系统远程手动启动信号实现。下面就各信号的作用时间逐一分析。

3.3.1 火灾探测信号分析

一般情况下，用于雨淋阀自动启动的火灾探测信号(感温和感光同时发生)是长信号，在火灾发生时是长时间存在的。该信号的触发可以保证电磁阀具有足够的打开时间，使得雨淋阀膜片腔完全泄压，正常打开雨淋阀。

3.3.2 消防模拟盘信号分析

一般情况下，就地消防模拟盘手动启动雨淋阀的信号也是长信号。该信号触发后需要运行人员手动取消，该信号的触发可以保证电磁阀具有足够的打开时间，使得雨淋阀膜片腔完全泄压，正常打开雨淋阀。

3.3.3 DCS 远程启动信号分析

雨淋阀控制的DCS 组态示意图如图3 所示。

图3 雨淋阀控制的DCS 组态示意图Fig.3 The DCS configuration of deluge valve control

根据DCS 算法使用说明书，主控室远程手动启动电磁阀的输出命令是脉冲类型，默认初始值为2 s，输出命令的作用时间较短，与GB 5135.5 -2003 第4.12.5 款中15 s 内能完全打开雨淋阀的要求相差较大。在脉冲开命令信号消失、电磁阀断电后，存在雨淋阀无法提供足够压力和流量的消防水，或者雨淋阀再次被关闭而无法供水的可能。一旦发生火灾，以上任一种情况的发生，都可能导致雨淋阀无法提供足够流量和压力的消防水或无法供水，给着火点的消防带来极大的风险。

4 雨淋阀控制方案的改进

根据上述分析，目前核岛内消防系统的雨淋阀控制方案中确实存在潜在的风险，一旦在消防的过程中出现，将对核岛设备造成极大的危险。为了避免出现上述风险，需对雨淋阀的控制方案进行改进。

从图2 的雨淋阀控制方案示意图中可知，雨淋阀的控制由硬件(雨淋阀组)和软件(DCS 系统组态)两部分组成，因此改进方案也将从这两方面考虑。

从硬件的角度考虑，可以采用更换雨淋阀设备，以满足主控室DCS 系统远程手动启动信号的作用时间的方案;从软件的角度考虑，可以采用在已有设备不变的条件下，更改主控室DCS 系统远程手动启动信号的作用时间的方案。目前，核岛内消防系统使用的雨淋阀组众多，设备的采购周期较长，且存在满足DCS 系统中的默认脉冲开命令时间2 s 的雨淋阀是否需要定制制造的因素。同时，核岛消防可用是其他核岛系统正常施工的重要保证，因此采用更换设备的方案将极大地影响施工工期、调试和运行。更改信号的作用时间仅需在DCS 系统的组态逻辑中对脉冲命令的作用时间进行修改。这种修改在DCS 系统设计时，或现场调试过程中都可以进行，对现场施工不会产生影响，对调试和运行的影响非常小。综合考虑，确定选用更改主控室DCS 系统远程手动启动信号的软件的改进方案。

在不更换雨淋阀设备的情况下，选用更改主控室DCS 系统远程手动启动信号的软件改进方案，经过分析，分别从精确控制雨淋阀的启动和满足GB 5135.5 -2003 要求的角度考虑，有两种简单易行的修改方案。

方案1:在雨淋阀的控制逻辑中增加备注说明，要求主控室远程手动控制模块的开命令输出信号的脉冲时间与实际选型的雨淋阀设备的打开时间保持一致。

方案2:将主控室远程手动控制模块的开命令输出信号的脉冲时间修改为与GB 5135.5 -2003 中要求的雨淋阀的打开时间一致或略大于该时间。

两种修改方案如图4 所示。

图4 雨淋阀控制修改方案示意图Fig.4 The modification for deluge valve control

这两种方案都可以保证雨淋阀完全打开，且不会出现雨淋阀打开后再次被关闭的可能。因此，这两种修改方案都是切实可行的，但还需要考虑核电厂现场的实际情况，从设计、施工、调试等角度对两种方案进行对比分析和综合考虑，详细说明请参见表1。

对于方案2，虽然电磁阀通电打开命令的作用时间设置超过了GB 5135.5 -2003 中要求15 s 完全打开雨淋阀的时间要求，当雨淋阀完全打开后，打开命令的信号仍持续作用在电磁阀上，但该信号只能保持雨淋阀的持续通电打开，这对雨淋阀的动作和供水都不会产生影响。结合雨淋阀关闭的要求的角度考虑，一旦雨淋阀打开，需要运行人员现场确认，在保证现场安全的情况下才能手动关闭雨淋阀。这个确认过程也需要一定的时间处理，因此如果设置的时间超出标准中的要求时间较短，并不会对雨淋阀的打开和关闭操作产生影响。综上所述，结合不增加设计接口、保证设计和施工进度、减少组态修改和现场调试测试等方面考虑，采用方案2 更为合适。同时考虑到雨淋阀完全打开后，打开命令持续作用时间应尽可能短，最终将该脉冲时间设置为20 s。

该修改方案目前已经在核电厂的某项目中实施。经过现场调试验证，该方案可以保证雨淋阀的完全打开;同时，脉冲信号仍持续作用的时间(5 s)对雨淋阀的打开和供水不产生影响，在保证核岛内消防供水要求的基础上，有效地避免了可能的潜在风险。

表1 方案改进分析Tab.1 Analysis of the improved scheme

5 结束语

综上所述，本文对核电厂核岛内消防系统雨淋阀组的部件组成、工作原理、控制方案进行了较为全面的介绍;对DCS 组态中主控室远程手动控制模块内的雨淋阀通电打开命令作用的脉冲时间与GB 5135.5 -2003 中对雨淋阀的完全打开时间的要求进行了对比，并对目前雨淋阀控制方案中的潜在风险进行了深入分析。通过方案对比，确定了既符合标准要求，又有利于设计、组态和调试的可行方案。通过调试验证，该雨淋阀控制的改进方案是切实可行的。相比于参考电站的控制方案，改进后的方案从根本上消除了可能的潜在风险，极大地提高了雨淋阀供水系统的安全性和可靠性。该方案可为后续核电厂核岛内消防系统的雨淋阀控制方案设计提供切实可行的参考，同时也为核电厂中的同类型设备的控制方案的设计、潜在风险分析和改进提供了切实可行的参考和依据。

［1］ GB 5135. 5-2003 自动喷水灭火系统 第5 部分:雨淋报警阀［S］.2003.