張 禹 顏盼想

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518172)

0 引言

與常規(guī)火電廠不同，核電廠是利用核裂變產(chǎn)生的能量進(jìn)行發(fā)電，核燃料、DCS 機(jī)柜、柴油發(fā)電機(jī)等與核電廠運(yùn)行息息相關(guān)的重要設(shè)備布置在核島廠房、電氣廠房和柴油發(fā)電機(jī)廠房(統(tǒng)稱核島)內(nèi)。廠房內(nèi)環(huán)境復(fù)雜、設(shè)備眾多，關(guān)鍵位置的火災(zāi)預(yù)防、處理不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，甚至?xí)蟹派湫晕镔|(zhì)釋放的風(fēng)險(xiǎn)。因此，核電廠對核島內(nèi)火災(zāi)的預(yù)防和處理都有更為嚴(yán)格的要求。核島內(nèi)通常采用雨淋系統(tǒng)進(jìn)行消防供水，正常情況下，雨淋系統(tǒng)是自動(dòng)控制的，其控制的關(guān)鍵是對雨淋閥的控制。本文在簡介核電廠核島內(nèi)消防系統(tǒng)雨淋閥簡介的基礎(chǔ)上，結(jié)合GB 5135.5 -2003《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng) 第5 部分:雨淋報(bào)警閥》的相關(guān)要求，對雨淋閥的控制邏輯進(jìn)行了深入的研究分析，就其運(yùn)行中存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)提出可行的改進(jìn)方案，為后續(xù)核電廠核島內(nèi)消防系統(tǒng)雨淋閥和其他類似設(shè)備控制邏輯的設(shè)計(jì)提供可行的參考。

1 消防系統(tǒng)雨淋閥組功能

核電廠核島內(nèi)消防系統(tǒng)的雨淋閥組是雨淋系統(tǒng)的核心設(shè)備，它用于火災(zāi)發(fā)生時(shí)，向核島廠房、電氣廠房和柴油發(fā)電機(jī)廠房內(nèi)的消防系統(tǒng)終端設(shè)備提供足夠壓力和流量的消防水，以保證及時(shí)、高效地滅火，從而避免火災(zāi)擴(kuò)大和蔓延。

2 雨淋閥組工作原理簡介

核電廠核島內(nèi)消防系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)良好的密封。雨淋閥組主要由膜片式雨淋閥、電磁閥、應(yīng)急手動(dòng)閥、自動(dòng)關(guān)斷閥、水力警鈴和手動(dòng)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(dòng)作過程:電磁閥通電開啟或應(yīng)急手動(dòng)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(dòng)關(guān)斷閥中補(bǔ)水的速度，導(dǎo)致膜片腔內(nèi)壓力P2迅速下降，P2作用在膜片上，使膜片保持在關(guān)閉位置的差壓力(ΔP = P2－P1)減小，當(dāng)ΔP 低于閥門脫扣點(diǎn)時(shí)，供水側(cè)壓力P1迫使膜片開啟，水流入系統(tǒng)側(cè)管道，向消防管網(wǎng)終端供水，同時(shí)水流進(jìn)入水力警鈴報(bào)警接口，觸發(fā)報(bào)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(dāng)水進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，自動(dòng)關(guān)斷閥傳動(dòng)腔內(nèi)壓力增加，自動(dòng)關(guān)斷向膜片腔內(nèi)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(guān)閉。

雨淋閥復(fù)位操作:選用的膜片式雨淋閥組，采用手動(dòng)復(fù)位方式，只需向膜片腔再次充壓，即可使雨淋閥復(fù)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(guān)閉兩種操作。

雨淋閥開啟的控制方案包括:火災(zāi)探測系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)、主控室內(nèi)遠(yuǎn)程手動(dòng)啟動(dòng)、就地消防模擬盤手動(dòng)啟動(dòng)、人工打開應(yīng)急手動(dòng)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(yùn)行人員就地檢查，在確定安全的情況下手動(dòng)向膜片腔充壓，使雨淋閥復(fù)位。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)中雨淋閥的控制要求

根據(jù)GB 5135.5 -2003《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng) 第5部分:雨淋報(bào)警閥》第4.12.5 款:雨淋報(bào)警閥的啟動(dòng)裝置動(dòng)作后，應(yīng)在15 s 內(nèi)打開雨淋報(bào)警閥的閥瓣(當(dāng)雨淋報(bào)警閥的公稱直徑超過200 mm 時(shí)，可在60 s 之內(nèi)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(nèi)的膜腔水，使得供水側(cè)的壓力大于膜片腔內(nèi)壓力，打開雨淋閥供水。

電磁閥通電啟動(dòng)供水系統(tǒng)后，可能由于某種原因又被斷電關(guān)閉，這時(shí)的雨淋閥組存在如下三種可能。

(1)膜片腔已經(jīng)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(guān)閉自動(dòng)關(guān)斷閥的水壓力。此時(shí)，雨淋閥仍可以向管網(wǎng)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(guān)閉自動(dòng)關(guān)斷閥所需的壓力，導(dǎo)致膜片腔再次被充壓，從而關(guān)閉雨淋閥的供水。

情況(2)和(3)會(huì)對管網(wǎng)終端消防供水產(chǎn)生影響，甚至可能會(huì)產(chǎn)生無可挽回的重大事故，這是不能、也不允許發(fā)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(yīng)急手動(dòng)閥外，電磁閥的通電時(shí)間是保證膜片腔完全泄壓、雨淋閥完全打開，向消防系統(tǒng)提供足夠壓力和流量消防水的關(guān)鍵。通電時(shí)間短，可能會(huì)產(chǎn)生情況(2)和(3);通電時(shí)間過長，又可能導(dǎo)致雨淋閥供水結(jié)束后，運(yùn)行人員無法直接復(fù)位雨淋閥的問題。因此，電磁閥通電時(shí)間的選擇是雨淋閥控制方案的關(guān)鍵。

結(jié)合GB 5135.5 -2003《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng) 第5部分:雨淋報(bào)警閥》第4.12.5 款，且核電廠核島內(nèi)消防系統(tǒng)雨淋閥的公稱直徑為DN100 的實(shí)際情況，電磁閥的通電時(shí)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(shí)間主要由火災(zāi)探測信號、就地消防模擬盤手動(dòng)啟動(dòng)信號和主控室DCS 系統(tǒng)遠(yuǎn)程手動(dòng)啟動(dòng)信號實(shí)現(xiàn)。下面就各信號的作用時(shí)間逐一分析。

3.3.1 火災(zāi)探測信號分析

一般情況下，用于雨淋閥自動(dòng)啟動(dòng)的火災(zāi)探測信號(感溫和感光同時(shí)發(fā)生)是長信號，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)是長時(shí)間存在的。該信號的觸發(fā)可以保證電磁閥具有足夠的打開時(shí)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(dòng)啟動(dòng)雨淋閥的信號也是長信號。該信號觸發(fā)后需要運(yùn)行人員手動(dòng)取消，該信號的觸發(fā)可以保證電磁閥具有足夠的打開時(shí)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(yuǎn)程啟動(dòng)信號分析

雨淋閥控制的DCS 組態(tài)示意圖如圖3 所示。

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

根據(jù)DCS 算法使用說明書，主控室遠(yuǎn)程手動(dòng)啟動(dòng)電磁閥的輸出命令是脈沖類型，默認(rèn)初始值為2 s，輸出命令的作用時(shí)間較短，與GB 5135.5 -2003 第4.12.5 款中15 s 內(nèi)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(guān)閉而無法供水的可能。一旦發(fā)生火災(zāi)，以上任一種情況的發(fā)生，都可能導(dǎo)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(diǎn)的消防帶來極大的風(fēng)險(xiǎn)。

4 雨淋閥控制方案的改進(jìn)

根據(jù)上述分析，目前核島內(nèi)消防系統(tǒng)的雨淋閥控制方案中確實(shí)存在潛在的風(fēng)險(xiǎn)，一旦在消防的過程中出現(xiàn)，將對核島設(shè)備造成極大的危險(xiǎn)。為了避免出現(xiàn)上述風(fēng)險(xiǎn)，需對雨淋閥的控制方案進(jìn)行改進(jìn)。

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(tǒng)組態(tài))兩部分組成，因此改進(jìn)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(shè)備，以滿足主控室DCS 系統(tǒng)遠(yuǎn)程手動(dòng)啟動(dòng)信號的作用時(shí)間的方案;從軟件的角度考慮，可以采用在已有設(shè)備不變的條件下，更改主控室DCS 系統(tǒng)遠(yuǎn)程手動(dòng)啟動(dòng)信號的作用時(shí)間的方案。目前，核島內(nèi)消防系統(tǒng)使用的雨淋閥組眾多，設(shè)備的采購周期較長，且存在滿足DCS 系統(tǒng)中的默認(rèn)脈沖開命令時(shí)間2 s 的雨淋閥是否需要定制制造的因素。同時(shí)，核島消防可用是其他核島系統(tǒng)正常施工的重要保證，因此采用更換設(shè)備的方案將極大地影響施工工期、調(diào)試和運(yùn)行。更改信號的作用時(shí)間僅需在DCS 系統(tǒng)的組態(tài)邏輯中對脈沖命令的作用時(shí)間進(jìn)行修改。這種修改在DCS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，或現(xiàn)場調(diào)試過程中都可以進(jìn)行，對現(xiàn)場施工不會(huì)產(chǎn)生影響，對調(diào)試和運(yùn)行的影響非常小。綜合考慮，確定選用更改主控室DCS 系統(tǒng)遠(yuǎn)程手動(dòng)啟動(dòng)信號的軟件的改進(jìn)方案。

在不更換雨淋閥設(shè)備的情況下，選用更改主控室DCS 系統(tǒng)遠(yuǎn)程手動(dòng)啟動(dòng)信號的軟件改進(jìn)方案，經(jīng)過分析，分別從精確控制雨淋閥的啟動(dòng)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(yuǎn)程手動(dòng)控制模塊的開命令輸出信號的脈沖時(shí)間與實(shí)際選型的雨淋閥設(shè)備的打開時(shí)間保持一致。

方案2:將主控室遠(yuǎn)程手動(dòng)控制模塊的開命令輸出信號的脈沖時(shí)間修改為與GB 5135.5 -2003 中要求的雨淋閥的打開時(shí)間一致或略大于該時(shí)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(huì)出現(xiàn)雨淋閥打開后再次被關(guān)閉的可能。因此，這兩種修改方案都是切實(shí)可行的，但還需要考慮核電廠現(xiàn)場的實(shí)際情況，從設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試等角度對兩種方案進(jìn)行對比分析和綜合考慮，詳細(xì)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(shí)間設(shè)置超過了GB 5135.5 -2003 中要求15 s 完全打開雨淋閥的時(shí)間要求，當(dāng)雨淋閥完全打開后，打開命令的信號仍持續(xù)作用在電磁閥上，但該信號只能保持雨淋閥的持續(xù)通電打開，這對雨淋閥的動(dòng)作和供水都不會(huì)產(chǎn)生影響。結(jié)合雨淋閥關(guān)閉的要求的角度考慮，一旦雨淋閥打開，需要運(yùn)行人員現(xiàn)場確認(rèn)，在保證現(xiàn)場安全的情況下才能手動(dòng)關(guān)閉雨淋閥。這個(gè)確認(rèn)過程也需要一定的時(shí)間處理，因此如果設(shè)置的時(shí)間超出標(biāo)準(zhǔn)中的要求時(shí)間較短，并不會(huì)對雨淋閥的打開和關(guān)閉操作產(chǎn)生影響。綜上所述，結(jié)合不增加設(shè)計(jì)接口、保證設(shè)計(jì)和施工進(jìn)度、減少組態(tài)修改和現(xiàn)場調(diào)試測試等方面考慮，采用方案2 更為合適。同時(shí)考慮到雨淋閥完全打開后，打開命令持續(xù)作用時(shí)間應(yīng)盡可能短，最終將該脈沖時(shí)間設(shè)置為20 s。

該修改方案目前已經(jīng)在核電廠的某項(xiàng)目中實(shí)施。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試驗(yàn)證，該方案可以保證雨淋閥的完全打開;同時(shí)，脈沖信號仍持續(xù)作用的時(shí)間(5 s)對雨淋閥的打開和供水不產(chǎn)生影響，在保證核島內(nèi)消防供水要求的基礎(chǔ)上，有效地避免了可能的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

表1 方案改進(jìn)分析Tab.1 Analysis of the improved scheme

5 結(jié)束語

綜上所述，本文對核電廠核島內(nèi)消防系統(tǒng)雨淋閥組的部件組成、工作原理、控制方案進(jìn)行了較為全面的介紹;對DCS 組態(tài)中主控室遠(yuǎn)程手動(dòng)控制模塊內(nèi)的雨淋閥通電打開命令作用的脈沖時(shí)間與GB 5135.5 -2003 中對雨淋閥的完全打開時(shí)間的要求進(jìn)行了對比，并對目前雨淋閥控制方案中的潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了深入分析。通過方案對比，確定了既符合標(biāo)準(zhǔn)要求，又有利于設(shè)計(jì)、組態(tài)和調(diào)試的可行方案。通過調(diào)試驗(yàn)證，該雨淋閥控制的改進(jìn)方案是切實(shí)可行的。相比于參考電站的控制方案，改進(jìn)后的方案從根本上消除了可能的潛在風(fēng)險(xiǎn)，極大地提高了雨淋閥供水系統(tǒng)的安全性和可靠性。該方案可為后續(xù)核電廠核島內(nèi)消防系統(tǒng)的雨淋閥控制方案設(shè)計(jì)提供切實(shí)可行的參考，同時(shí)也為核電廠中的同類型設(shè)備的控制方案的設(shè)計(jì)、潛在風(fēng)險(xiǎn)分析和改進(jìn)提供了切實(shí)可行的參考和依據(jù)。

［1］ GB 5135. 5-2003 自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng) 第5 部分:雨淋報(bào)警閥［S］.2003.