核電廠核島消防系統雨淋閥控制的研究與改進

張 禹 顏盼想

(深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518172)

0 引言

與常規火電廠不同，核電廠是利用核裂變產生的能量進行發電，核燃料、DCS 機柜、柴油發電機等與核電廠運行息息相關的重要設備布置在核島廠房、電氣廠房和柴油發電機廠房(統稱核島)內。廠房內環境復雜、設備眾多，關鍵位置的火災預防、處理不當，會產生嚴重的后果，甚至會有放射性物質釋放的風險。因此，核電廠對核島內火災的預防和處理都有更為嚴格的要求。核島內通常采用雨淋系統進行消防供水，正常情況下，雨淋系統是自動控制的，其控制的關鍵是對雨淋閥的控制。本文在簡介核電廠核島內消防系統雨淋閥簡介的基礎上，結合GB 5135.5 -2003《自動噴水滅火系統 第5 部分:雨淋報警閥》的相關要求，對雨淋閥的控制邏輯進行了深入的研究分析，就其運行中存在的潛在風險提出可行的改進方案，為后續核電廠核島內消防系統雨淋閥和其他類似設備控制邏輯的設計提供可行的參考。

1 消防系統雨淋閥組功能

核電廠核島內消防系統的雨淋閥組是雨淋系統的核心設備，它用于火災發生時，向核島廠房、電氣廠房和柴油發電機廠房內的消防系統終端設備提供足夠壓力和流量的消防水，以保證及時、高效地滅火，從而避免火災擴大和蔓延。

2 雨淋閥組工作原理簡介

核電廠核島內消防系統通常采用膜片式雨淋閥，它由膜片將雨淋閥分為膜片腔和供水腔，通過上下受水面積和重力的差異，實現良好的密封。雨淋閥組主要由膜片式雨淋閥、電磁閥、應急手動閥、自動關斷閥、水力警鈴和手動主排水閥組成。雨淋閥組流程示意圖如圖1 所示。

雨淋閥供水動作過程:電磁閥通電開啟或應急手動閥打開后，從膜片腔中釋放水的速度快于膜片腔供水管上自動關斷閥中補水的速度，導致膜片腔內壓力P2迅速下降，P2作用在膜片上，使膜片保持在關閉位置的差壓力(ΔP = P2－P1)減小，當ΔP 低于閥門脫扣點時，供水側壓力P1迫使膜片開啟，水流入系統側管道，向消防管網終端供水，同時水流進入水力警鈴報警接口，觸發報警。

圖1 雨淋閥組供水流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the water supplying process for deluge valve group

當水進入系統時，自動關斷閥傳動腔內壓力增加，自動關斷向膜片腔內供水的水流，避免雨淋閥膜片腔再次被充壓，防止在滅火過程中雨淋閥的意外關閉。

雨淋閥復位操作:選用的膜片式雨淋閥組，采用手動復位方式，只需向膜片腔再次充壓，即可使雨淋閥復位。

3 雨淋閥控制方案剖析

3.1 雨淋閥控制方案

雨淋閥的控制包括開啟和關閉兩種操作。

雨淋閥開啟的控制方案包括:火災探測系統自動啟動、主控室內遠程手動啟動、就地消防模擬盤手動啟動、人工打開應急手動閥。

雨淋閥開啟的控制方案示意圖如圖2 所示。

圖2 雨淋閥開啟的控制方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of the open control scheme for deluge valve

雨淋閥一旦打開，需要運行人員就地檢查，在確定安全的情況下手動向膜片腔充壓，使雨淋閥復位。

3.2 標準中雨淋閥的控制要求

根據GB 5135.5 -2003《自動噴水滅火系統 第5部分:雨淋報警閥》第4.12.5 款:雨淋報警閥的啟動裝置動作后，應在15 s 內打開雨淋報警閥的閥瓣(當雨淋報警閥的公稱直徑超過200 mm 時，可在60 s 之內打開閥瓣)。［1］

3.3 雨淋閥控制方案分析

雨淋閥的控制方案即雨淋閥的開啟控制，也就是對電磁閥的控制。通過電磁閥通電打開，釋放雨淋閥內的膜腔水，使得供水側的壓力大于膜片腔內壓力，打開雨淋閥供水。

電磁閥通電啟動供水系統后，可能由于某種原因又被斷電關閉，這時的雨淋閥組存在如下三種可能。

(1)膜片腔已經完全泄壓，雨淋閥正常供水。

(2)膜片腔尚未完全泄壓，但雨淋閥中的供水可以提供足夠的關閉自動關斷閥的水壓力。此時，雨淋閥仍可以向管網供水，但供水無法保證足夠的壓力和流量。

(3)膜片腔尚未完全泄壓，雨淋閥中的供水無法提供足夠的關閉自動關斷閥所需的壓力，導致膜片腔再次被充壓，從而關閉雨淋閥的供水。

情況(2)和(3)會對管網終端消防供水產生影響，甚至可能會產生無可挽回的重大事故，這是不能、也不允許發生的，因此必須保證雨淋閥的完全打開并保持。除人工打開應急手動閥外，電磁閥的通電時間是保證膜片腔完全泄壓、雨淋閥完全打開，向消防系統提供足夠壓力和流量消防水的關鍵。通電時間短，可能會產生情況(2)和(3);通電時間過長，又可能導致雨淋閥供水結束后，運行人員無法直接復位雨淋閥的問題。因此，電磁閥通電時間的選擇是雨淋閥控制方案的關鍵。

結合GB 5135.5 -2003《自動噴水滅火系統 第5部分:雨淋報警閥》第4.12.5 款，且核電廠核島內消防系統雨淋閥的公稱直徑為DN100 的實際情況，電磁閥的通電時間需要滿足15 s 能完全打開雨淋閥的要求。

雨淋閥上電磁閥的通電時間主要由火災探測信號、就地消防模擬盤手動啟動信號和主控室DCS 系統遠程手動啟動信號實現。下面就各信號的作用時間逐一分析。

3.3.1 火災探測信號分析

一般情況下，用于雨淋閥自動啟動的火災探測信號(感溫和感光同時發生)是長信號，在火災發生時是長時間存在的。該信號的觸發可以保證電磁閥具有足夠的打開時間，使得雨淋閥膜片腔完全泄壓，正常打開雨淋閥。

3.3.2 消防模擬盤信號分析

一般情況下，就地消防模擬盤手動啟動雨淋閥的信號也是長信號。該信號觸發后需要運行人員手動取消，該信號的觸發可以保證電磁閥具有足夠的打開時間，使得雨淋閥膜片腔完全泄壓，正常打開雨淋閥。

3.3.3 DCS 遠程啟動信號分析

雨淋閥控制的DCS 組態示意圖如圖3 所示。

圖3 雨淋閥控制的DCS 組態示意圖Fig.3 The DCS configuration of deluge valve control

根據DCS 算法使用說明書，主控室遠程手動啟動電磁閥的輸出命令是脈沖類型，默認初始值為2 s，輸出命令的作用時間較短，與GB 5135.5 -2003 第4.12.5 款中15 s 內能完全打開雨淋閥的要求相差較大。在脈沖開命令信號消失、電磁閥斷電后，存在雨淋閥無法提供足夠壓力和流量的消防水，或者雨淋閥再次被關閉而無法供水的可能。一旦發生火災，以上任一種情況的發生，都可能導致雨淋閥無法提供足夠流量和壓力的消防水或無法供水，給著火點的消防帶來極大的風險。

4 雨淋閥控制方案的改進

根據上述分析，目前核島內消防系統的雨淋閥控制方案中確實存在潛在的風險，一旦在消防的過程中出現，將對核島設備造成極大的危險。為了避免出現上述風險，需對雨淋閥的控制方案進行改進。

從圖2 的雨淋閥控制方案示意圖中可知，雨淋閥的控制由硬件(雨淋閥組)和軟件(DCS 系統組態)兩部分組成，因此改進方案也將從這兩方面考慮。

從硬件的角度考慮，可以采用更換雨淋閥設備，以滿足主控室DCS 系統遠程手動啟動信號的作用時間的方案;從軟件的角度考慮，可以采用在已有設備不變的條件下，更改主控室DCS 系統遠程手動啟動信號的作用時間的方案。目前，核島內消防系統使用的雨淋閥組眾多，設備的采購周期較長，且存在滿足DCS 系統中的默認脈沖開命令時間2 s 的雨淋閥是否需要定制制造的因素。同時，核島消防可用是其他核島系統正常施工的重要保證，因此采用更換設備的方案將極大地影響施工工期、調試和運行。更改信號的作用時間僅需在DCS 系統的組態邏輯中對脈沖命令的作用時間進行修改。這種修改在DCS 系統設計時，或現場調試過程中都可以進行，對現場施工不會產生影響，對調試和運行的影響非常小。綜合考慮，確定選用更改主控室DCS 系統遠程手動啟動信號的軟件的改進方案。

在不更換雨淋閥設備的情況下，選用更改主控室DCS 系統遠程手動啟動信號的軟件改進方案，經過分析，分別從精確控制雨淋閥的啟動和滿足GB 5135.5 -2003 要求的角度考慮，有兩種簡單易行的修改方案。

方案1:在雨淋閥的控制邏輯中增加備注說明，要求主控室遠程手動控制模塊的開命令輸出信號的脈沖時間與實際選型的雨淋閥設備的打開時間保持一致。

方案2:將主控室遠程手動控制模塊的開命令輸出信號的脈沖時間修改為與GB 5135.5 -2003 中要求的雨淋閥的打開時間一致或略大于該時間。

兩種修改方案如圖4 所示。

圖4 雨淋閥控制修改方案示意圖Fig.4 The modification for deluge valve control

這兩種方案都可以保證雨淋閥完全打開，且不會出現雨淋閥打開后再次被關閉的可能。因此，這兩種修改方案都是切實可行的，但還需要考慮核電廠現場的實際情況，從設計、施工、調試等角度對兩種方案進行對比分析和綜合考慮，詳細說明請參見表1。

對于方案2，雖然電磁閥通電打開命令的作用時間設置超過了GB 5135.5 -2003 中要求15 s 完全打開雨淋閥的時間要求，當雨淋閥完全打開后，打開命令的信號仍持續作用在電磁閥上，但該信號只能保持雨淋閥的持續通電打開，這對雨淋閥的動作和供水都不會產生影響。結合雨淋閥關閉的要求的角度考慮，一旦雨淋閥打開，需要運行人員現場確認，在保證現場安全的情況下才能手動關閉雨淋閥。這個確認過程也需要一定的時間處理，因此如果設置的時間超出標準中的要求時間較短，并不會對雨淋閥的打開和關閉操作產生影響。綜上所述，結合不增加設計接口、保證設計和施工進度、減少組態修改和現場調試測試等方面考慮，采用方案2 更為合適。同時考慮到雨淋閥完全打開后，打開命令持續作用時間應盡可能短，最終將該脈沖時間設置為20 s。

該修改方案目前已經在核電廠的某項目中實施。經過現場調試驗證，該方案可以保證雨淋閥的完全打開;同時，脈沖信號仍持續作用的時間(5 s)對雨淋閥的打開和供水不產生影響，在保證核島內消防供水要求的基礎上，有效地避免了可能的潛在風險。

表1 方案改進分析Tab.1 Analysis of the improved scheme

5 結束語

綜上所述，本文對核電廠核島內消防系統雨淋閥組的部件組成、工作原理、控制方案進行了較為全面的介紹;對DCS 組態中主控室遠程手動控制模塊內的雨淋閥通電打開命令作用的脈沖時間與GB 5135.5 -2003 中對雨淋閥的完全打開時間的要求進行了對比，并對目前雨淋閥控制方案中的潛在風險進行了深入分析。通過方案對比，確定了既符合標準要求，又有利于設計、組態和調試的可行方案。通過調試驗證，該雨淋閥控制的改進方案是切實可行的。相比于參考電站的控制方案，改進后的方案從根本上消除了可能的潛在風險，極大地提高了雨淋閥供水系統的安全性和可靠性。該方案可為后續核電廠核島內消防系統的雨淋閥控制方案設計提供切實可行的參考，同時也為核電廠中的同類型設備的控制方案的設計、潛在風險分析和改進提供了切實可行的參考和依據。

［1］ GB 5135. 5-2003 自動噴水滅火系統 第5 部分:雨淋報警閥［S］.2003.