嚴(yán)振杰，鄒穎男

（國核工程有限公司，上海 200233）

分布式感溫光纖探測系統(tǒng)在AP1000核電廠中的應(yīng)用

嚴(yán)振杰，鄒穎男

（國核工程有限公司，上海 200233）

AP1000核電廠首次將分布式感溫光纖探測系統(tǒng)應(yīng)用于1E級與非1E級電纜橋架火災(zāi)探測。文章介紹了分布式感溫光纖探測系統(tǒng)技術(shù)原理，分析了感溫光纖探測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)，并根據(jù)核電廠的特殊環(huán)境，研究了對感溫光纖的影響以及提出了相關(guān)建議，最后介紹了AP1000分布式感溫光纖探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光纖布置方案。

分布式感溫光纖；火災(zāi)探測；AP1000

AP1000核電廠的主回路系統(tǒng)和設(shè)備均采用成熟的電廠設(shè)計(jì)［1］，主要安全系統(tǒng)采用簡化的非能動(dòng)設(shè)計(jì)，大大提高了安全性和經(jīng)濟(jì)性。AP1000核電廠首次應(yīng)用分布式感溫光纖探測系統(tǒng)（DTS）用于探測1E級與非1E級電纜橋架溫度。分布式感溫光纖探測系統(tǒng)［2］是融合了當(dāng)前世界上先進(jìn)的光纖和激光技術(shù)，利用光纖作為傳感探測器進(jìn)行溫度探測的比較完善和理想的高科技設(shè)備。DTS系統(tǒng)是目前世界上較為先進(jìn)且有效的在線分布式感溫探測系統(tǒng)，并廣泛應(yīng)用于電力、石油、化工及交通等諸多領(lǐng)域。

本文介紹了感溫式火災(zāi)探測技術(shù)原理，對不同類型的設(shè)備進(jìn)行了比較。同時(shí)，根據(jù)核電廠的特殊環(huán)境，研究了對感溫光纖的影響以及提出了相關(guān)建議。最后，本文介紹了分布式感溫光纖探測系統(tǒng)在AP1000核電廠中的應(yīng)用，重點(diǎn)介紹系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、光纖布置方案。

1　感溫式火災(zāi)探測技術(shù)原理

線型感溫式火災(zāi)探測器根據(jù)敏感部件形式可分為：1）纜式線型感溫火災(zāi)探測器；2）分布式光纖線型感溫火災(zāi)探測器；3）光纖光柵感溫火災(zāi)探測器；4）空氣管式線型感溫火災(zāi)探測器；5）線式多點(diǎn)型感溫火災(zāi)探測器。目前，只有纜式線型感溫火災(zāi)探測器和分布式光纖線型感溫火災(zāi)探測器被應(yīng)用于核電廠。

由于感溫電纜無法進(jìn)行在線監(jiān)測被測對象的溫度變化，只是在火災(zāi)發(fā)生后給出區(qū)域的報(bào)警信號(hào)，電纜過熱燒穿絕緣是一個(gè)長期累積的過程，此外感溫電纜報(bào)警不能給出報(bào)警點(diǎn)的確切位置。如表1所示。

表1　分布式感溫光纖探測系統(tǒng)與感溫電纜性能比較Table 1　Performance comparison between the distributed fiber optic heat detector and temperature sensing cable

因此，AP1000核電廠核島設(shè)計(jì)中采用分布式感溫光纖探測系統(tǒng)彌補(bǔ)感溫電纜的上述不足。下面介紹一下光纖測溫的原理。

光纖測溫［3］的機(jī)理是依據(jù)后向喇曼（Raman）散射效應(yīng)。激光脈沖與光纖分子相互作用，發(fā)生散射，散射有多種，如瑞利（Rayleigh）散射、布里淵（Brillouin）散射和喇曼（Raman）散射等。其中喇曼散射是由于光纖分子的熱振動(dòng)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)比光源波長長的光，稱斯托克斯（Stokes）光，和一個(gè)比光源波長短的光，稱為反斯托克斯（Anti-Stokes）光。光纖受外部溫度的調(diào)制使光纖中的反斯托克斯（Anti-Stokes）光強(qiáng)發(fā)生變化，Anti-Stokes與Stokes的比值提供了溫度的絕對指示，利用這一原理可以實(shí)現(xiàn)對沿光纖溫度場的分布式測量。

結(jié)合高品質(zhì)的脈沖光源和高速的信號(hào)采集與處理技術(shù)，就可以得到沿著光纖所有點(diǎn)的準(zhǔn)確溫度值。系統(tǒng)用一個(gè)10 ns延遲的激光脈沖，能夠?qū)崿F(xiàn)對最大30 km的光纖空間分辨率1 m的溫度測量，也就是相當(dāng)于30 000個(gè)測量點(diǎn)。

2　AP1000核電廠特殊應(yīng)用環(huán)境對感溫光纖的影響

AP1000首次應(yīng)用感溫光纖于核電廠電纜橋架的溫度探測。感溫光纖主要用于探測殼內(nèi)與殼外1E級與非1E級電纜橋架。安全殼內(nèi)屬于輻照區(qū)域，輻照環(huán)境可能影響光纖的傳輸特性，從而影響測溫。由于此前感溫光纖從未在輻照環(huán)境下進(jìn)行使用，因此，本文將500 m商品級感溫光纖分為100 m的5段，分別命名為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)，每段100 m光纖從檢測室通過穿墻孔沿輻照室外墻面敷設(shè)約30 m，其余70 m盤成卷放置在輻照實(shí)驗(yàn)室內(nèi)相應(yīng)劑量率位置，按照1、0.7、0.5、0.3、0.1 Mrad/h分別測試，并觀察記錄，結(jié)果如表2所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，輻照對感溫光纖的測量結(jié)果影響巨大，且對光纖的損傷降低了光纖的傳輸特性，高劑量的電離輻射可能會(huì)使光纖不能傳輸信號(hào)，使感溫光纖在輻照區(qū)域的應(yīng)用受到了影響。輻照對光纖的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：1） 光吸收損耗增加；2） 產(chǎn)生熒光或契侖科夫光，輻照射線有γ、n、X和電子4種，研究表明基本現(xiàn)象是一致的。對直流和脈沖源的輻照，光纖有穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種吸收不同的相應(yīng)，其區(qū)別主要在于恢復(fù)效應(yīng)的不同，一般情況下，一種光纖的瞬態(tài)吸收在同一劑量下要比穩(wěn)態(tài)吸收大幾個(gè)數(shù)量級，當(dāng)光纖收到直流輻照時(shí)，開始存在最大損耗——峰值損耗，然后隨恢復(fù)快慢損耗下降，光纖輻照誘導(dǎo)損耗的結(jié)果是使傳輸信號(hào)強(qiáng)度降低。

表2　感溫光纖輻照監(jiān)測記錄Table 2　Radiation monitoring record of the temperature sensing optic fiber cable

光纖的誘導(dǎo)吸收主要來源于染色中心的產(chǎn)生，即新的缺陷產(chǎn)生，由于構(gòu)成光纖材料的隨機(jī)性，本來就存在硅離子和氧空穴以及橋鍵氧離子和非橋鍵氧離子等缺陷，另外還存在堿金屬離子等雜質(zhì)，當(dāng)受到射線的電離輻照時(shí)，光纖的包層和芯中形成電子和空穴，而這些電子空穴對在缺陷和雜質(zhì)位置上被俘獲，產(chǎn)生新的缺陷中心。這些缺陷中心也稱作“色心”，其使光纖的缺陷增加并都具有使光纖吸收增加的光譜，從而造成了光纖的損耗增加。

因此，殼內(nèi)用耐輻照感溫光纖必須嚴(yán)格控制光纖的摻雜、雜質(zhì)濃度和OH-含量濃度等。

3　AP1000感溫光纖火災(zāi)探測系統(tǒng)研究

3.1組網(wǎng)方式

AP1000核電廠分布式感溫光纖探測系統(tǒng)的基本構(gòu)成主要分為3個(gè)部分：

1）感溫探測系統(tǒng)圖文工作站；主要顯示告警信息，便于操作人員進(jìn)行火警定位、復(fù)位、數(shù)據(jù)查詢等；

2）DTS主機(jī)；該部分包括探測器、就地顯示屏、光電轉(zhuǎn)換模塊、監(jiān)視模塊、內(nèi)置繼電器等；

3）感溫光纖。

AP1000核電廠分布式感溫光纖探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　AP1000核島分布式感溫光纖探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1　System structure of the distributed fiber optic heat detector in AP1000 nuclear island

如圖1所示，AP1000核島分布式感溫光纖探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念如下，系統(tǒng)通過DTS主機(jī)中的通訊口與布置在主控室的圖文工作站連接，將探測數(shù)據(jù)、報(bào)警信息等發(fā)送至工作站，便于操作人員進(jìn)行查詢、復(fù)位等操作。同時(shí)，每個(gè)DTS主機(jī)配置兩個(gè)帶地址的監(jiān)視模塊，兩個(gè)模塊分別接入火災(zāi)探測與聯(lián)動(dòng)回路，一個(gè)用于觸發(fā)溫度報(bào)警，另一個(gè)用于觸發(fā)DTS自身故障。一旦某個(gè)模塊動(dòng)作后，相關(guān)信息將顯示在主消防控制柜顯示屏上，操作人員在得知DTS主機(jī)報(bào)警后，前往圖文工作站進(jìn)行查詢定位，確定準(zhǔn)確的報(bào)警點(diǎn)，排除故障。

3.2感溫光纖布置方案研究

對電纜橋架宜采用接觸電纜鋪設(shè)，當(dāng)感溫光纖不能安裝在電纜的表面時(shí)，應(yīng)安裝在被測電纜的上方橋架或豎井的側(cè)壁上。對于透氣性良好的梯級式等電纜橋架和夾層通常每隔一層安裝一根感溫光纖，光纖直接放在或吊裝在橋架上方；對于透氣性不好的槽式和托盤式電纜橋架建議每層鋪設(shè)一根感溫光纖。對于寬度小于0.3 m的電纜橋架，通常采用直線方式鋪設(shè)光纖，光纖以寬松方式鋪設(shè)在橋架正中央；大于0.3 m的橋架建議采用正弦波方式鋪設(shè)光纖，光纖直接綁縛在保護(hù)電纜的外護(hù)套上面。感溫光纖固定點(diǎn)數(shù)計(jì)算方法：固定點(diǎn)數(shù) = 正弦波個(gè)數(shù)×4+1

感溫光纖的長度按下列公式計(jì)算：感溫光纖的長度 = 托架長×倍率系數(shù)

倍率系數(shù)按表3選定。感溫光纖布置如圖2所示。

表3　倍率系數(shù)表Table 3　Magnification coefficients

圖2　感溫光纖布置示意圖Fig.2　Layout of temperature sensing fiber optic

4　結(jié)束語

根據(jù)分布式感溫光纖探測系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)際，AP1000首次將其應(yīng)用于1E級與非1E級電纜橋架溫度探測。根據(jù)核電廠特殊環(huán)境，研究并論證了感溫光纖在輻照環(huán)境下的特性，這將對AP1000后續(xù)堆型中繼續(xù)推廣具有示范作用；同時(shí)也可以推廣到國內(nèi)外其他核電堆型。該系統(tǒng)的可靠運(yùn)行可以方便核電廠運(yùn)行和維護(hù)，滿足業(yè)主功能要求。

［1］ 林誠格. 非能動(dòng)安全先進(jìn)核電廠AP1000［M］. 北京：原子能出版社，2008.（LIN Cheng-ge. Passive Safety of Advanced AP1000 Nuclear Power Plant［M］. Beijing： Atomic Energy Press， 2008. ）

［2］ 劉繼則. 光纖分布式感溫探測系統(tǒng)在1000 MW超超臨界機(jī)組的應(yīng)用［J］. 華電技術(shù)，2008，30（4）：32-34.（LIU Ji-ze. Application of the Optical Fibre Distributed Temperature-sensing Detection System in 1000 MW Ultra-supercritical Unit［J］. Huadian Technology， 2008， 30（4）：32-34. ）

［3］ 王憶蓮，等. 線型感溫探測器技術(shù)在核電站的應(yīng)用探討［J］. 消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2014，1：49-52.（WANG Yi-lian，et al. Application of Linear Temperature-sensing Detector Technologies in Nuclear Power Plant［J］. Fire Protection Techniques and Products Information， Jan. 2014：49-52. ）

Distributed Temperature Sensing Optic Fiber Monitoring System Applied in AP1000 Nuclear Power Plant

YAN Zhen-jie， ZOU Ying-nan
（State Nuclear Power Engineering Co.， Ltd.， Shanghai 200233， China）

AP1000 nuclear power plant firstly applied the distributed temperature sensing optic fiber monitoring system for monitoring Class 1E and Non-Class 1E cable trays. This paper introduces the technical principle of distributed temperature sensing optic fiber monitoring system， and analyzes the system configuration and characteristics. According to the special environmental condition of the nuclear power plant， the influence on temperature sensing optic fiber is studied and relevant proposals are put forward. The system design and fiber layout proposal are also introduced according to the AP1000 design.

distributed temperature sensing optic fiber； fire detection； AP1000

TM623 Article character：A Article ID：1674-1617（2016）03-0226-05

TM623

A

1674-1617（2016）03-0226-05

2016-03-31

嚴(yán)振杰（1985—），男，上海人，工程師，碩士，主要從事AP1000核電廠消防設(shè)備采購工作。