核電站光電感煙探測器的防凝露裝置設計

李 蕊，張旭全，何銀江，林特君，李 原

（1.中廣核研究院有限公司 北京分公司, 北京 100086；2.大亞灣核電運營管理有限責任公司，深圳 518124）

0 引言

過去,當談到核電站的安全時,人們往往只重視核電站的內部事件,而忽視了對核電站安全影響較大的外部事件,如火災、地震、龍卷風等。實踐表明,外部事件對核電站的安全問題影響極大。作為外部事件之一的“火災”,對核電安全的影響頻度甚至大于核電站所有的內部事件。嚴重的火災事故甚至會導致停堆，影響核電站的壽期。

據美國火災概率風險分析表明：作為初因事件的火災對核電站總的“堆芯損壞頻率的貢獻高達55%”。從法國EDF事件數據庫找到與火災相關的事件為2204件（1975年～1995年）。其中，火災相關事件與真實火災的比例是1:0.027。平均來講37次火災相關事件,對應著一次真實火災。由此可見，自1975年起的20年中,火災對法國核電站的經濟和安全造成影響的真實火災有60多次。核電站的防火安全,己經成為世界上公眾十分關注的一個社會問題[1]。

圖1 核電站火災探測器的分類Fig.1 Classification of Fire detectors in nuclear power plants

圖2 光電感煙式探測器工作原理Fig.2 Working principle of photoelectric smoke detector

然而，火災探測中不可避免的誤報一直困擾著人們。在實際生產過程中，若火災探測器發生誤報警，則會造成火災報警系統無法正常運行，給核電站正常運行帶來負面影響。主要表現在：誤報警可能誤啟動關聯設備或關聯系統（如防火閥、消防水系統等），還可能造成運行人員做出錯誤判斷（如執行疏散人員的火災響應）而使生產中斷。如經常誤報，則不可避免地會造成一定的生產損失，同時還會降低運行人員對火災報警系統的信任度[2]。

1 火災探測器的類型及其工作原理

1.1 核電站火災探測器的類型

火災探測器能檢測環境中與火災相關的信號（如煙霧、溫度、火焰、可燃氣體濃度等），并將檢測到的信號傳遞至火警控制器，火警控制器通過信號處理、數據分析等過程，判斷是否發生火災并觸發報警信號。根據火災發生時現象及檢測氣體的不同，核電站用到的探測器有感煙探測器、感溫探測器、火焰探測器、氫氣探測器，如圖1所示。

1.2 光電感煙探測器工作原理

光電感煙型探測器是核電站應用最普遍、數量最多的探測器，所占比例在80%以上。光電感煙探測器由檢測暗室（迷宮式）、發光元件、受光元件和電子電路組成，如圖2所示。通過檢測被煙粒子散射的光而達到對煙霧進行探測的目的。由于是迷宮式設計，無煙時發光元件發出的光不能直接到達受光元件，煙霧一旦產生，隨著其濃度的增大，煙粒子數的增多，被煙霧粒子散射從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號強度與煙霧濃度相關。感光元件再把光信號通過變送電路轉換為電壓或電流模擬量，然后經過A／D轉換器、運算比較器或CPU轉換成數字信號，通過通訊接口傳至火警控制器，最終由火警控制器實現報警，如圖3所示[3]。

圖3 探測器的基本工作原理Fig.3 Basic working principle of detectors

2 潮濕對光電感煙探測器的影響

感光元件是火災探測器的主要組成部分，其通過光學、物理學原理來檢測外部環境的細微變化，往往會將與煙霧某方面特性相似的物質（如粉塵、水霧）誤認為是火災煙霧。另外，由于感光元件長期暴露在外部環境中，易受到空氣中粉塵、潮氣等影響而使靈敏度降低[4]。

因核電站大多處于沿海城市，氣候濕潤，濕度經常超標，特別是夏季梅雨季節以及冬季回南天（南方城市）時期，濕度經常達到95%以上，白天氣溫較高，空氣不易達到飽和，較難形成水珠，當到了晚上，氣溫下降，空氣中的水蒸氣很容易飽和，易形成水珠。當進入探測器探測室里的濕氣形成水珠后，會導致光線大量散射，使探測器發生誤報警。濕氣還易吸附灰塵，在探測器的電路板上產生漏電流，腐蝕電路板，如遇雨天等潮濕天氣，則情況更加嚴重。

3 光電感煙探測器防凝露裝置的設計

3.1 設計原理

考慮到潮濕引起火災探測器誤報警的原因主要是溫差導致的水蒸氣凝結，如果能夠消除溫差，或者能減緩溫度下降速度，即可解決此類問題。本文針對潮濕引起的光電感煙探測器的誤報問題，設計一款鎂鋁合金的防凝露裝置，底座采用半包圍方式，保證正常煙霧探測的同時，通過熱輻射使探測器本體溫度始終高于露點溫度，從而確保不會在感煙探測器表面及迷宮內部產生凝露，完全解決因為凝露造成的誤報警問題。

3.2 設計的合理性和安全性

1）加熱片的設計

圖4 試驗裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of test device

防凝露裝置的加熱片采用硅橡膠、耐高溫的纖維增強材料以及經過排列后的鎳合金電阻線集合而成的軟性電加熱膜元件，此類元件由兩張玻璃纖維布及雙片壓硅膠合制而成的硅膠玻璃纖維布構成。加熱片為薄片狀產品，加熱片與底座之間采用無縫隙緊貼，底座與加熱片的結合處不做任何噴涂處理，可保證最佳加熱效果。

2）保護電路設計

從安全方面考慮，在防凝露裝置內部加裝溫控開關，當因電網異常波動造成電壓過高、加熱部件故障等原因造成溫度超過正常工作溫度時，溫控開關動作，切斷加熱回路電源；同時，在加熱回路內串入保險絲，當保險絲熔斷，切斷加熱回路電源。如某一支路防凝露裝置出現故障，不會影響其他支路正常工作。

3）結構設計

加熱腔部分密封設計，在感煙探測器位置出線處采用環氧樹脂灌封，信號線和加熱電源線出線處采用防護等級為IP67的防水金屬航空連接器，確保在高濕度環境下不會有水份進入電路部分，影響加熱性能。

3.3 試驗驗證

1）試驗裝置及方案

為驗證防凝露裝置是否解決潮濕引起的誤報問題，同時將帶底座和不帶底座的兩臺探測器置于試驗裝置中，如圖4所示。該試驗箱為采用8mm厚度的玻璃制作的長方體，便于觀察箱內情況，箱內容積80L。試驗裝置包括風扇、加熱電阻、溫/濕度儀、加濕器等。各項設備的參數為內循環風扇風量15CFM；加熱電阻功率0～100W連續可調，溫度測量設備范圍為0～80℃，誤差±0.3℃，分辨率0.1℃；濕度測量：0～99.9%RH，誤差±2%RH，分辨率0.1%RH；加濕器：水霧化0.5μm～1μm，加濕量80ml/h～280ml/h連續可調。

2）試驗結果

少量水霧環境：加濕器持續加濕過程中，試驗箱內會產生水霧，其中無底座探測器發生誤報火警，有防凝露裝置的探測器整個加濕過程中檢測峰值最大為1%（達到100%時報火警），能很好地在少量水霧環境中正常工作。

高濕凝露環境：通過在凝露試驗箱內對有防凝露裝置探測器與無防凝露裝置探測器相同環境下的對比實驗，在模擬凝露時，無防凝露裝置探測器發生誤報，有防凝露裝置探測器可正常工作。

凝露試驗完成時對有防凝露裝置的探測器進行煙霧測試，能正常報警。

4 結語

本文通過對光電火災探測器的工作原理及潮濕對探測器誤報的影響進行分析，找出探測器誤報的原因，并提出防凝露裝置的設計方法。通過試驗證明，該防凝露裝置可以解決核電站光電感煙探測器因潮濕產生的誤報問題，為火災報警系統的安全穩定運行提供了保障。