分布式感温光纤探测系统在AP1000核电厂中的应用

严振杰，邹颖男

（国核工程有限公司，上海 200233）

分布式感温光纤探测系统在AP1000核电厂中的应用

严振杰，邹颖男

（国核工程有限公司，上海 200233）

AP1000核电厂首次将分布式感温光纤探测系统应用于1E级与非1E级电缆桥架火灾探测。文章介绍了分布式感温光纤探测系统技术原理，分析了感温光纤探测系统的结构及其特点，并根据核电厂的特殊环境，研究了对感温光纤的影响以及提出了相关建议，最后介绍了AP1000分布式感温光纤探测系统设计、光纤布置方案。

分布式感温光纤；火灾探测；AP1000

AP1000核电厂的主回路系统和设备均采用成熟的电厂设计［1］，主要安全系统采用简化的非能动设计，大大提高了安全性和经济性。AP1000核电厂首次应用分布式感温光纤探测系统（DTS）用于探测1E级与非1E级电缆桥架温度。分布式感温光纤探测系统［2］是融合了当前世界上先进的光纤和激光技术，利用光纤作为传感探测器进行温度探测的比较完善和理想的高科技设备。DTS系统是目前世界上较为先进且有效的在线分布式感温探测系统，并广泛应用于电力、石油、化工及交通等诸多领域。

本文介绍了感温式火灾探测技术原理，对不同类型的设备进行了比较。同时，根据核电厂的特殊环境，研究了对感温光纤的影响以及提出了相关建议。最后，本文介绍了分布式感温光纤探测系统在AP1000核电厂中的应用，重点介绍系统设计方案、光纤布置方案。

1　感温式火灾探测技术原理

线型感温式火灾探测器根据敏感部件形式可分为：1）缆式线型感温火灾探测器；2）分布式光纤线型感温火灾探测器；3）光纤光栅感温火灾探测器；4）空气管式线型感温火灾探测器；5）线式多点型感温火灾探测器。目前，只有缆式线型感温火灾探测器和分布式光纤线型感温火灾探测器被应用于核电厂。

由于感温电缆无法进行在线监测被测对象的温度变化，只是在火灾发生后给出区域的报警信号，电缆过热烧穿绝缘是一个长期累积的过程，此外感温电缆报警不能给出报警点的确切位置。如表1所示。

表1　分布式感温光纤探测系统与感温电缆性能比较Table 1　Performance comparison between the distributed fiber optic heat detector and temperature sensing cable

因此，AP1000核电厂核岛设计中采用分布式感温光纤探测系统弥补感温电缆的上述不足。下面介绍一下光纤测温的原理。

光纤测温［3］的机理是依据后向喇曼（Raman）散射效应。激光脉冲与光纤分子相互作用，发生散射，散射有多种，如瑞利（Rayleigh）散射、布里渊（Brillouin）散射和喇曼（Raman）散射等。其中喇曼散射是由于光纤分子的热振动，它会产生一个比光源波长长的光，称斯托克斯（Stokes）光，和一个比光源波长短的光，称为反斯托克斯（Anti-Stokes）光。光纤受外部温度的调制使光纤中的反斯托克斯（Anti-Stokes）光强发生变化，Anti-Stokes与Stokes的比值提供了温度的绝对指示，利用这一原理可以实现对沿光纤温度场的分布式测量。

结合高品质的脉冲光源和高速的信号采集与处理技术，就可以得到沿着光纤所有点的准确温度值。系统用一个10 ns延迟的激光脉冲，能够实现对最大30 km的光纤空间分辨率1 m的温度测量，也就是相当于30 000个测量点。

2　AP1000核电厂特殊应用环境对感温光纤的影响

AP1000首次应用感温光纤于核电厂电缆桥架的温度探测。感温光纤主要用于探测壳内与壳外1E级与非1E级电缆桥架。安全壳内属于辐照区域，辐照环境可能影响光纤的传输特性，从而影响测温。由于此前感温光纤从未在辐照环境下进行使用，因此，本文将500 m商品级感温光纤分为100 m的5段，分别命名为1号、2号、3号、4号、5号，每段100 m光纤从检测室通过穿墙孔沿辐照室外墙面敷设约30 m，其余70 m盘成卷放置在辐照实验室内相应剂量率位置，按照1、0.7、0.5、0.3、0.1 Mrad/h分别测试，并观察记录，结果如表2所示。

试验结果表明，辐照对感温光纤的测量结果影响巨大，且对光纤的损伤降低了光纤的传输特性，高剂量的电离辐射可能会使光纤不能传输信号，使感温光纤在辐照区域的应用受到了影响。辐照对光纤的影响主要表现在两个方面：1） 光吸收损耗增加；2） 产生荧光或契仑科夫光，辐照射线有γ、n、X和电子4种，研究表明基本现象是一致的。对直流和脉冲源的辐照，光纤有稳态和瞬态两种吸收不同的相应，其区别主要在于恢复效应的不同，一般情况下，一种光纤的瞬态吸收在同一剂量下要比稳态吸收大几个数量级，当光纤收到直流辐照时，开始存在最大损耗——峰值损耗，然后随恢复快慢损耗下降，光纤辐照诱导损耗的结果是使传输信号强度降低。

表2　感温光纤辐照监测记录Table 2　Radiation monitoring record of the temperature sensing optic fiber cable

光纤的诱导吸收主要来源于染色中心的产生，即新的缺陷产生，由于构成光纤材料的随机性，本来就存在硅离子和氧空穴以及桥键氧离子和非桥键氧离子等缺陷，另外还存在碱金属离子等杂质，当受到射线的电离辐照时，光纤的包层和芯中形成电子和空穴，而这些电子空穴对在缺陷和杂质位置上被俘获，产生新的缺陷中心。这些缺陷中心也称作“色心”，其使光纤的缺陷增加并都具有使光纤吸收增加的光谱，从而造成了光纤的损耗增加。

因此，壳内用耐辐照感温光纤必须严格控制光纤的掺杂、杂质浓度和OH-含量浓度等。

3　AP1000感温光纤火灾探测系统研究

3.1组网方式

AP1000核电厂分布式感温光纤探测系统的基本构成主要分为3个部分：

1）感温探测系统图文工作站；主要显示告警信息，便于操作人员进行火警定位、复位、数据查询等；

2）DTS主机；该部分包括探测器、就地显示屏、光电转换模块、监视模块、内置继电器等；

3）感温光纤。

AP1000核电厂分布式感温光纤探测系统结构图如图1所示。

图1　AP1000核岛分布式感温光纤探测系统结构图Fig.1　System structure of the distributed fiber optic heat detector in AP1000 nuclear island

如图1所示，AP1000核岛分布式感温光纤探测系统设计理念如下，系统通过DTS主机中的通讯口与布置在主控室的图文工作站连接，将探测数据、报警信息等发送至工作站，便于操作人员进行查询、复位等操作。同时，每个DTS主机配置两个带地址的监视模块，两个模块分别接入火灾探测与联动回路，一个用于触发温度报警，另一个用于触发DTS自身故障。一旦某个模块动作后，相关信息将显示在主消防控制柜显示屏上，操作人员在得知DTS主机报警后，前往图文工作站进行查询定位，确定准确的报警点，排除故障。

3.2感温光纤布置方案研究

对电缆桥架宜采用接触电缆铺设，当感温光纤不能安装在电缆的表面时，应安装在被测电缆的上方桥架或竖井的侧壁上。对于透气性良好的梯级式等电缆桥架和夹层通常每隔一层安装一根感温光纤，光纤直接放在或吊装在桥架上方；对于透气性不好的槽式和托盘式电缆桥架建议每层铺设一根感温光纤。对于宽度小于0.3 m的电缆桥架，通常采用直线方式铺设光纤，光纤以宽松方式铺设在桥架正中央；大于0.3 m的桥架建议采用正弦波方式铺设光纤，光纤直接绑缚在保护电缆的外护套上面。感温光纤固定点数计算方法：固定点数 = 正弦波个数×4+1

感温光纤的长度按下列公式计算：感温光纤的长度 = 托架长×倍率系数

倍率系数按表3选定。感温光纤布置如图2所示。

表3　倍率系数表Table 3　Magnification coefficients

图2　感温光纤布置示意图Fig.2　Layout of temperature sensing fiber optic

4　结束语

根据分布式感温光纤探测系统的特点，结合工程实际，AP1000首次将其应用于1E级与非1E级电缆桥架温度探测。根据核电厂特殊环境，研究并论证了感温光纤在辐照环境下的特性，这将对AP1000后续堆型中继续推广具有示范作用；同时也可以推广到国内外其他核电堆型。该系统的可靠运行可以方便核电厂运行和维护，满足业主功能要求。

［1］ 林诚格. 非能动安全先进核电厂AP1000［M］. 北京：原子能出版社，2008.（LIN Cheng-ge. Passive Safety of Advanced AP1000 Nuclear Power Plant［M］. Beijing： Atomic Energy Press， 2008. ）

［2］ 刘继则. 光纤分布式感温探测系统在1000 MW超超临界机组的应用［J］. 华电技术，2008，30（4）：32-34.（LIU Ji-ze. Application of the Optical Fibre Distributed Temperature-sensing Detection System in 1000 MW Ultra-supercritical Unit［J］. Huadian Technology， 2008， 30（4）：32-34. ）

［3］ 王忆莲，等. 线型感温探测器技术在核电站的应用探讨［J］. 消防技术与产品信息，2014，1：49-52.（WANG Yi-lian，et al. Application of Linear Temperature-sensing Detector Technologies in Nuclear Power Plant［J］. Fire Protection Techniques and Products Information， Jan. 2014：49-52. ）

Distributed Temperature Sensing Optic Fiber Monitoring System Applied in AP1000 Nuclear Power Plant

YAN Zhen-jie， ZOU Ying-nan
（State Nuclear Power Engineering Co.， Ltd.， Shanghai 200233， China）

AP1000 nuclear power plant firstly applied the distributed temperature sensing optic fiber monitoring system for monitoring Class 1E and Non-Class 1E cable trays. This paper introduces the technical principle of distributed temperature sensing optic fiber monitoring system， and analyzes the system configuration and characteristics. According to the special environmental condition of the nuclear power plant， the influence on temperature sensing optic fiber is studied and relevant proposals are put forward. The system design and fiber layout proposal are also introduced according to the AP1000 design.

distributed temperature sensing optic fiber； fire detection； AP1000

TM623 Article character：A Article ID：1674-1617（2016）03-0226-05

TM623

A

1674-1617（2016）03-0226-05

2016-03-31

严振杰（1985—），男，上海人，工程师，硕士，主要从事AP1000核电厂消防设备采购工作。