核电站光电感烟探测器的防凝露装置设计

2019-07-22张旭全何银江林特君

仪器仪表用户 2019年8期

李蕊，张旭全，何银江，林特君，李原

（1.中广核研究院有限公司北京分公司, 北京 100086；2.大亚湾核电运营管理有限责任公司，深圳 518124）

0 引言

过去,当谈到核电站的安全时,人们往往只重视核电站的内部事件,而忽视了对核电站安全影响较大的外部事件,如火灾、地震、龙卷风等。实践表明,外部事件对核电站的安全问题影响极大。作为外部事件之一的“火灾”,对核电安全的影响频度甚至大于核电站所有的内部事件。严重的火灾事故甚至会导致停堆，影响核电站的寿期。

据美国火灾概率风险分析表明：作为初因事件的火灾对核电站总的“堆芯损坏频率的贡献高达55%”。从法国EDF事件数据库找到与火灾相关的事件为2204件（1975年～1995年）。其中，火灾相关事件与真实火灾的比例是1:0.027。平均来讲37次火灾相关事件,对应着一次真实火灾。由此可见，自1975年起的20年中,火灾对法国核电站的经济和安全造成影响的真实火灾有60多次。核电站的防火安全,己经成为世界上公众十分关注的一个社会问题[1]。

图1 核电站火灾探测器的分类Fig.1 Classification of Fire detectors in nuclear power plants

图2 光电感烟式探测器工作原理Fig.2 Working principle of photoelectric smoke detector

然而，火灾探测中不可避免的误报一直困扰着人们。在实际生产过程中，若火灾探测器发生误报警，则会造成火灾报警系统无法正常运行，给核电站正常运行带来负面影响。主要表现在：误报警可能误启动关联设备或关联系统（如防火阀、消防水系统等），还可能造成运行人员做出错误判断（如执行疏散人员的火灾响应）而使生产中断。如经常误报，则不可避免地会造成一定的生产损失，同时还会降低运行人员对火灾报警系统的信任度[2]。

1 火灾探测器的类型及其工作原理

1.1 核电站火灾探测器的类型

火灾探测器能检测环境中与火灾相关的信号（如烟雾、温度、火焰、可燃气体浓度等），并将检测到的信号传递至火警控制器，火警控制器通过信号处理、数据分析等过程，判断是否发生火灾并触发报警信号。根据火灾发生时现象及检测气体的不同，核电站用到的探测器有感烟探测器、感温探测器、火焰探测器、氢气探测器，如图1所示。

1.2 光电感烟探测器工作原理

光电感烟型探测器是核电站应用最普遍、数量最多的探测器，所占比例在80%以上。光电感烟探测器由检测暗室（迷宫式）、发光元件、受光元件和电子电路组成，如图2所示。通过检测被烟粒子散射的光而达到对烟雾进行探测的目的。由于是迷宫式设计，无烟时发光元件发出的光不能直接到达受光元件，烟雾一旦产生，随着其浓度的增大，烟粒子数的增多，被烟雾粒子散射从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号强度与烟雾浓度相关。感光元件再把光信号通过变送电路转换为电压或电流模拟量，然后经过A／D转换器、运算比较器或CPU转换成数字信号，通过通讯接口传至火警控制器，最终由火警控制器实现报警，如图3所示[3]。

图3 探测器的基本工作原理Fig.3 Basic working principle of detectors

2 潮湿对光电感烟探测器的影响

感光元件是火灾探测器的主要组成部分，其通过光学、物理学原理来检测外部环境的细微变化，往往会将与烟雾某方面特性相似的物质（如粉尘、水雾）误认为是火灾烟雾。另外，由于感光元件长期暴露在外部环境中，易受到空气中粉尘、潮气等影响而使灵敏度降低[4]。

因核电站大多处于沿海城市，气候湿润，湿度经常超标，特别是夏季梅雨季节以及冬季回南天（南方城市）时期，湿度经常达到95%以上，白天气温较高，空气不易达到饱和，较难形成水珠，当到了晚上，气温下降，空气中的水蒸气很容易饱和，易形成水珠。当进入探测器探测室里的湿气形成水珠后，会导致光线大量散射，使探测器发生误报警。湿气还易吸附灰尘，在探测器的电路板上产生漏电流，腐蚀电路板，如遇雨天等潮湿天气，则情况更加严重。

3 光电感烟探测器防凝露装置的设计

3.1 设计原理

考虑到潮湿引起火灾探测器误报警的原因主要是温差导致的水蒸气凝结，如果能够消除温差，或者能减缓温度下降速度，即可解决此类问题。本文针对潮湿引起的光电感烟探测器的误报问题，设计一款镁铝合金的防凝露装置，底座采用半包围方式，保证正常烟雾探测的同时，通过热辐射使探测器本体温度始终高于露点温度，从而确保不会在感烟探测器表面及迷宫内部产生凝露，完全解决因为凝露造成的误报警问题。

3.2 设计的合理性和安全性

1）加热片的设计

图4 试验装置示意图Fig.4 Schematic diagram of test device

防凝露装置的加热片采用硅橡胶、耐高温的纤维增强材料以及经过排列后的镍合金电阻线集合而成的软性电加热膜元件，此类元件由两张玻璃纤维布及双片压硅胶合制而成的硅胶玻璃纤维布构成。加热片为薄片状产品，加热片与底座之间采用无缝隙紧贴，底座与加热片的结合处不做任何喷涂处理，可保证最佳加热效果。

2）保护电路设计

从安全方面考虑，在防凝露装置内部加装温控开关，当因电网异常波动造成电压过高、加热部件故障等原因造成温度超过正常工作温度时，温控开关动作，切断加热回路电源；同时，在加热回路内串入保险丝，当保险丝熔断，切断加热回路电源。如某一支路防凝露装置出现故障，不会影响其他支路正常工作。

3）结构设计

加热腔部分密封设计，在感烟探测器位置出线处采用环氧树脂灌封，信号线和加热电源线出线处采用防护等级为IP67的防水金属航空连接器，确保在高湿度环境下不会有水份进入电路部分，影响加热性能。

3.3 试验验证

1）试验装置及方案

为验证防凝露装置是否解决潮湿引起的误报问题，同时将带底座和不带底座的两台探测器置于试验装置中，如图4所示。该试验箱为采用8mm厚度的玻璃制作的长方体，便于观察箱内情况，箱内容积80L。试验装置包括风扇、加热电阻、温/湿度仪、加湿器等。各项设备的参数为内循环风扇风量15CFM；加热电阻功率0～100W连续可调，温度测量设备范围为0～80℃，误差±0.3℃，分辨率0.1℃；湿度测量：0～99.9%RH，误差±2%RH，分辨率0.1%RH；加湿器：水雾化0.5μm～1μm，加湿量80ml/h～280ml/h连续可调。

2）试验结果

少量水雾环境：加湿器持续加湿过程中，试验箱内会产生水雾，其中无底座探测器发生误报火警，有防凝露装置的探测器整个加湿过程中检测峰值最大为1%（达到100%时报火警），能很好地在少量水雾环境中正常工作。

高湿凝露环境：通过在凝露试验箱内对有防凝露装置探测器与无防凝露装置探测器相同环境下的对比实验，在模拟凝露时，无防凝露装置探测器发生误报，有防凝露装置探测器可正常工作。

凝露试验完成时对有防凝露装置的探测器进行烟雾测试，能正常报警。