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1、极早期抽气式烟雾探测在核电站的应用极早期抽气式烟雾探测在核电站的应用 作者 Xtralis P t y L t d 亚太地区业务发展经理 Eddie Tieppo B Eng Mech Dip Mgt 简介 无论家庭还是公司发生火灾 造成的影响都可能是灾难性的 而核电站如果发生此类事故 就 会影响到周边地区和员工的健康与安定 长期损坏到环境 还会中断上百万用户的生活重心 电 力供应 1975年3月22日 Browns Ferry 核电站核电站发生了一场意义重大的火灾 它使美国核电工业的消防 制度发生了根本的改变 起火时 电缆线架中的工人正用蜡烛检测一个通往反应室的非防火 聚氨 酯泡沫体 密封体
2、的空气泄漏 火苗点燃了密封材料和纵横交错的电缆 持续燃烧了近7小时才熄灭 1600多条电缆受到了影响 其中有628条安全重要性都非常高 这场火灾不但破坏了电力供应和电站控制系统及仪器电缆 削弱了常规反应堆和备用反应堆冷 却系统的功能 而且影响了操作人员对电站的监控能力 很多安全系统都遭受了损失 工作人员只 好对有关系统进行抢修 以便使反应堆处于安全停工状态 Browns Ferry核电站火灾之后的调查发现 核电站的消防参数设计和该电站的火灾反应程序都存 在重大的缺陷 调查员断定 消防保险公司关于人身安全和财产保护的条款没有充分考虑到核安全 的问题 尤其没有考虑到能使系统备用部分和反应堆安全停工
3、的重要部件产生故障的潜在火灾危害 当今的核电站消防工程必须满足一个基本目标 即火灾发生的可能性和火灾造成的后果都要降至最 低 而要达到这个目标 消防系统就必须能合理保证 火灾不会使必要的安全停工无法发挥作用 也不会扩大放射性物质释放到环境中的危险 运行中反应堆主要的消防工程要达到的主要目标有 防止火灾发生 探测到已发生的火灾 并进行快速控制与及时灭火 如果火灾未及时熄灭 则应确保需安全停工的各建筑 系统及部件受到保护 在提高安全性的同时 又要相应降低建设成本的要求 因此很多国家都在编制基于性能的建设 规范 现在大家已公认 专业的风险管理技术能实现成本效益最高 可靠性最强的解决方案 加拿大的Br
4、uce Power已成为达到上述基于性能目标的一个范例 1999年 它启动了一个项目 对二十世纪70年代设计的两座电厂进行了更新 重点是基于性能的消防工程的实际应用 此项目是 核工业中规模最大的一次消防升级工程 Bruce Power还与美国国家防火协会 NFPA 积极合作 为大量电站消防升级所面临的独特问 题开发解决方案 应该公司要求 NFPA号召核电站技术协会召开了一次会议 通过了NFPA 805号 文件 基于性能的轻水反应堆发电站消防标准 使各电站能够考虑如何有效地将基于性能的方法 投入实际应用 改变消防状况 当今的核电站消防工程必须满足一个基本目标 即火灾发生的可能 性和火灾造成的后果
5、都要降至最低 选择ICAM的原因有若干个 重点考虑的区域是那些起火较慢 对反应堆的安全运行承担重大 责任的电气 电子火灾载体 传统标准的点式探测器很难在初级阶段探测到这些类型的火灾 传统的烟雾探测系统可能要等 火灾发展到紧急阶段才能做出反应 温度感应火灾探测器和喷淋系统只在特定的温度水平下 通常为135 F 57 C 做出反应 尤其 是为了控制污染而高速通风时 火势更可能已经加剧 火焰探测器要求有明显的火苗产生 而电缆盘 设备箱和其它物体都可能阻挡其探测视线 选择ICAM 还因为它便于安装和维护 该公司已安装了50多台ICAM探测器 现在又在加 倍安装 引导了另一个新阶段 ICAM抽气式烟雾探
6、测的设计适用于控制室和无人值班变电站等特殊运行场所 以及电站内很 具环境挑战性的区域 比如温湿度 颗粒密度变化多端 气流速度高的区域 非常适合探测电站和 重点运行区域内的整体火灾风险 正确的设计方法能确定最合适的消防系统 因为它在概念设计阶 段就对环境风险进行评估 内外部环境 烟雾来源和运动 热传播和电站内的烟雾探测都是评估考 虑的因素 抽气式烟雾探测 抽气式烟雾探测系统与传统的点式烟雾探测器大为不同 它通常由很多平行铺设于天花板上方 或下方 钻有小孔的管线构成 管线与小孔的间距都是几米 形成一个孔矩阵 采样点 平均分 布于天花板 空气和烟雾通过这些小孔被抽入管线 然后利用一台抽气机的压力 继
7、续行进到安装 于附近的高灵敏度烟雾探测器 ICAM 抽气式烟雾探测器也是一种空气污染监测器 灵敏度比传统的烟雾探测器约高出两千 倍 而各种独立调查现实 其误警报率却格外地低 这种可靠性来源于它对主要误报来源的高度免疫力 如灰尘 气流及电气干扰 因此 火势扩大前几小时 可能就能监测到整个区域内材料发热的早期征兆 这通常能有充足的时间采取人为措施或自动措施 比如可以通过操作电路断路器断开发热电路 因此 抽气式烟雾探测的主要作用就是预防预防火灾 该图是烟雾浓度与时间的对比关系 显示了ICAM能在那些阶 段探测到烟雾 ICAM Systems 最可喜的一个特点是它的灵敏度设置非常灵活 使探测器发出警报
8、的烟雾浓度 设置可以为0 001 Ob m 到 20 Ob m Obscuration 遮光度 是烟雾使能见度降低的程度 烟雾 越浓 遮光度越高 能见度则越低 前三个浓度级别设置为一般值 在相对清洁的环境中 设置标准为 警报 0 02 m 动作 0 06 m 火灾1 0 12 m 但有时可能要设置 火灾2 10 m 确认已发生严重火灾 烟 雾浓度达到该点时就要选择激活灭火系统 规定这些报警级别是为了激活紧急反应程序 例如 警报 状态仅用于召集本地工作人员调查 异常状况 一旦烟雾继续扩散 动作 状态将被激活 这会启动烟雾控制程序 通过疏散系统启动 警报 并通过传呼机或手机短信向更多的工作人员发出
9、警报 火灾1 说明火灾条件已非常成熟或 已经起火 在此阶段 建筑内的人员已疏散 火警控制面板上的 保护区域 已激活 警报信号已 传送到当地的消防监视部门 一旦烟雾浓度充分证明火灾已开始 报警级别 火灾2 即发出响应 灭火系统也将启动 一种产品既能提供极早期预警 又能在更晚的阶段启动灭火程序 这还是第一 次 ICAM Systems的另一个重要特点是探测器的灵敏度非常稳定 甚至可以把它当作一个绝对值 即意味着它不不需要随时间进行自调整 以探测电子元件内的气流或光学零件的尘污 或者因为人为 的原因而去适应环境变化 实际上 大多数用户都需要了解 保护区域内的空气质量是否由于人为 或设备的原因而存在重
10、大的长期变动 自调整探测器的系统在试车时进行的烟雾灵敏度测试结果在几个月或几年后可能无法复验 因 为这时的灵敏度会因为极重要的因素而意外降低 达不到早期预警应有的安全系数 或者 也可能 因灵敏度意外升高而使误警报数量超出试车测试数据 绝对灵敏度的意义在于报警设置非常稳定 不会随时间而变化 绝对探测绝对探测是ICAM烟雾探测系统独家提供的一项功能 因为牵涉到贵重的财产和人身安全 而 且在基于性能的设计中抽气式烟雾探测所占的比重不断扩大 所以绝对烟雾探测是极早期预警烟雾 探测中至关重要的功能 维护 另一个贯穿设计始终 使基于性能的系统设计目标得以实现的重要因素是维护工作的要求 核 电站的组成区域不
11、但花样繁多 而且挑战性很大 其中包括高吊顶区域和空中电缆桥架 这使烟雾 探测器在维修时很难接近 多灰尘的环境条件会影响传统探测器的正常功能 导致频繁修理和更换 设备 经常停工检修危险性大的机械 成本非常高 因此 极少需要维修的烟雾探测器在此类环境 中具有明显优势 抽气式烟雾探测器主要有三个部分需要日常维护 探测器 过滤器 管网 ICAM探测器的设计寿命在标准应用条件下为10年以上 这就能省去任何现场校准工作 降低 寿命周期成本 ICAM灰尘过滤器具有双重功能 第一 防止因灰尘颗粒进入探测器而引起的误警 报 第二 防止探测器的光学部件受到任何污损 这是第一次有一种产品 既能提供极早期预警 又能在
12、更晚的阶段启动灭火程序 灰尘颗粒会进入过滤器 进入的数量取决于环境条件 通常2到4年要更换或清洗一次过滤器 某业内竞争者曾经尝试省略过滤器 以免去这项维护要求 但他们不一定有完善的电气识别技术来 减少灰尘带来的误警报 设备污损的问题仍旧存在 探测器灵敏度因光学元件受到污损而逐渐降低 结果 该竞争者只好每六个月进行一次探测器清洗 反而与省略过滤器的目的背道而驰 在一定的 环境中 决定过滤器寿命的关键因素是从中经过的灰尘空气的绝对数量 要使管线内的烟雾传输时 间达到满意的水平 无需借助于极小的管道系统和造价高 可靠度低 耗电量大的真空泵 就需 要极大的气流量 近40 140升 分钟 专门设计的 高
13、效的ICAM抽气机就能实现此目标 赢得了 赞誉 管线最近已进行了改装 声级降低了6dBA 并用一个流速计精确控制系统气流量 但也没有必要让全部空气都通过探测器 代表性空气样本的烟雾浓度与总气流的烟雾浓度相等 只有一小部分气流需要经过探测腔进行过滤 因此不但大为延长了过滤器寿命 而且真正实现了小 型化 过滤器能有效减少因灰尘导致的误警报 但并不能清除气流中所有尺寸的颗粒来完成烟雾探测 探测器仍会受到慢性污损 因此配合了第二阶段过滤器HEPA 高效颗粒捕捉器 它不但能清除烟 雾 还能清除任何残留的灰尘 提供清洁的空气 作为流动屏障或帘幕覆盖探测腔内所有的敏感光 学元件 防止颗粒向它们入侵 测试结果
14、显示 该措施在维修周期10年以内能防止灰尘对设备的污 损 过滤器的滤筒是10年间唯一需要维护的项目 其寿命显然决定于环境条件 试验证明 标准办 公环境中的滤筒寿命应为5年 Xtralis ICAM探测器内部有两种途径 对过滤器运行进行监测 以保证其在任何环境中都 能达到最长的使用寿命 其中对颗粒尺寸分布情况的分析能识别可能通过过滤器的残余灰尘 相同 的分析信息亦用于避免残余灰尘引起的误警报 过滤器的使用寿命快结束时 显示器模块和其它模 块就会通过ICAM 通 讯网络系统发出非紧急过滤器警告 ICAM系统每一根管线中的气流都受到监测 无论堵塞管线还是泄漏管线都会触发故障条件 管线上的取样孔如果堵
15、塞 管内气流量就会低于试车水平 ICAM能按照预先设定的气流超出量或 不足量发出故障信息 管线维护也很简单 只需用压缩空气或真空清除管内的灰尘就可以了 如果 无法避免管路堵塞 则建议将管线末端由天花板转回地面 以便使管路清洁程序更容易控制 每根 管线在受到探测器监视的同时 还可进行简便的现场测试 确保管线高效运行 管线维护很简单 只需用压缩空气或真空清除管内的灰尘就可以了 超越传统设计技术 虽然消防系统的设计最初都是基于传统的消防技术规范 但现在越来越强调符合个别环境要求 的基于性能的规范 此类设计通过对功能 风险因素 内部配置和特定环境条件的测评 确定最佳 的消防系统 设计者在设计极早期预警
16、火灾探测系统时 必须考虑到以下因素 室内气流特征及空气交换率 每台探测器的覆盖面积及灵敏度要求 房间尺寸及特征 活动地板 高天花板等 可能影响探测系统的环境因素 紧急反应系统通知 通风系统和灭火等机械控制系统的激活 ICAM被应用于多种环境的主要原因是因为它简便 灵活 可靠 而决定这些原因的关键产品 特色是 探测范围宽 能设置从高灵敏度到低灵敏度的多级警报 能防止假警报 保持探测器绝对校准的过滤器 适合环境风险的简单采样管网设计 核电站内的应用 Bruce Power 见介绍 在所有控制设备室 电缆铺设区和很多电气安全环境都采用了ICAM 这些区域的载体通常会产生慢性潜伏火灾或电气 电子元件发热 控制设备室控制设备室 柜内设备的电气需求是一个主要的火灾威胁和火灾原因 面临的挑战面临的挑战 柜内起火产生的热量很低 会影响初期阶段的外部烟雾探测 柜内设备会要求很高的气流量 通风 以保持适当的运行温度 强制通风会加大烟雾稀释 阻止传统探测系统进行烟雾探测 解决方案解决方案 在天花板上 地板下方 空调风机的回风格栅铺设采样管线 这样就能在关键阶段 初期阶段 提供尽可能早的探测 CEILING
