钠冷快堆核电厂火灾探测器的选取研究

1、    钠冷快堆核电厂火灾探测器的选取研究    王荣 李华摘要：近年来随着科技的发展，适应多种场所的火灾探测器层出不穷，而针对钠冷快堆核电厂这一特殊场所，应怎样合理选用火灾探测器，适应该场所的火灾防控需求，本文作了初步剖析，为钠冷快堆核电厂消防设计提供参考。关键词：钠火;火灾探测器钠冷快堆核电厂火灾防控系统的设置对于实现火灾的快速监测扑救、防止火灾蔓延、降低火灾损害等起着关键作用。火灾信息的探测无疑是其中最为重要的一个环节，其以物质燃烧伴随产生的烟气、热量、光等参数为依据，以及早发现火灾为目的，根据不同场所需求和不同火灾探测原理，应用产生出多种类型的火

2、灾探测器。其中，传统的火灾探测器有感烟式、感温式、感光式和复合式等，而随着计算机技术的飞速发展，以数字图像处理和模糊识别技术为基础的火灾图像监测技术等新兴火灾信息探测技术也不断涌现。同时，基于钠冷快堆核电厂内部构架复杂、空间跨度大等特殊的场所特点和应用需求，在探测器选取上需综合考虑多方因素，以保证更高的安全系数。一、钠冷快堆厂房结构及火灾特点（一）钠冷快堆厂房结构钠冷快堆核电厂的传热系统分为三个部分：一次钠回路、二次钠回路和蒸汽循环系统。由反应堆堆芯发出的热量，靠一次钠回路中的钠载出，然后传给二次钠回路，加热蒸汽动力系统中的补给水产生高温高压的蒸汽，推动透平机组发电。下图为钠冷快堆核电厂原理流

3、程图：当钠大量泄漏时，钠火分为两个阶段。第一阶段，钠从泄漏点喷出，液态的高温金属钠在空气中与氧气接触直接燃烧，这一阶段的燃燒规律和压力、泄漏部位的大小、结构有关，具有猛烈燃烧和可能发生爆炸的特性。破口面积越大，钠流越多，喷溅钠滴越少。火灾的第二阶段就是泄漏液钠流至地面，形成的钠池燃烧。其中，一次钠回路中的钠冷却剂一旦发生泄漏，引发火灾，若得不到及时扑救，后果不堪设想。由于金属钠特殊的物理化学性质，其在火灾探测器的选择上，不能单纯考虑单一因素，需综合考虑多种因素。（二）钠火特点金属钠的密度是0.97kg/m3，熔点是97.82，沸点是882.9，燃点为-97.8，在常温下，为银白色光泽的软质金属

4、，暴露在空气中极易被氧化，表面会生成一层白色氧化膜并迅速失去光泽。由于钠燃点极低，在液态情况下，一旦接触空气，就会发生自燃，并伴随有白色浓烟生成，产生黄色固体。燃烧反应化学方程式：2na+o2=na2o2作为碱金属之一的钠化学性质活泼，能与多种物质发生化学反应。如，钠与氧气、一氧化碳、二氧化碳和氢气等都能发生反应，放出大量的反应热;钠还可与水、氢氧化钠等液体反应;甚至与碳钢、混凝土等固体也能发生反应。二、火灾探测器工作原理（一）感温式火灾探测器感温式火灾探测器基于热敏元件对不同温度的热敏感度不同产生动作，进而将温度变化转化为电信号以达到报警目的。其使用时有以下几方面特点需要注意：一是受热敏元件

5、性质限制，动作温度（报警温度）不可随意设置，如定温探头动作温度为不大于62、70、78等;二是测温元件（如易熔合金、热电偶、热敏电阻、半导体材料等）热滞后性不同，通过选用电子测温元件等热滞后性小的热敏元件，可实现探测器在火灾阴燃阶段的早期动作报警。（二）感烟式火灾探测器感烟式火灾探测器是对火灾产生的可见或不可见的烟雾粒子做出响应从而进行报警的火灾探测器。其原理是将探测部位周围烟雾浓度的变化转化为电信号从而实现报警，有离子型感烟探测器、光电式感烟探测器、红外光束感烟探测器等多种形式。前两种均为点型探测器，离子型感烟探测器是利用烟气粒子对其电离室内导电性的干扰抑制低于预定值从而报警，光电式感烟探测

6、器则是利用烟雾改变光的传播这一特性来实现报警的。红外光束感烟探测器是线型探测器，可对探测区域内某一线型窄条周围烟气参数做出反应的火灾探测器，与点型火灾探测器不同的是它由光束发射器和光束接收器两部分组成，使用时根据需要分开相对安装即可。（三）感光式火灾探测器感光式火灾探测器（即火焰探测器），是对物质燃烧时产生的光强度变化及火焰闪烁频率变化作出响应的一种火灾探测器，更适用于火灾发展过程中火焰发展和明火燃烧阶段。目前使用较多的有2种：对短波长光辐射敏感的紫外探测器和对较长波长光辐射敏感的红外探测器。根据响应辐射光波长特性，紫外式火灾探测器多适用于油品、电气类火灾，红外式火灾探测器多适用于普通可燃物、

7、森林火灾等。（四）可燃气体探测器可燃气体探测器是利用电阻元件遇到可燃气体后电阻发生变化从而报警的火灾探测器，可对单一或多种可燃气体浓度做出响应，根据电阻元件不同可分为催化型可燃气体探测器和半导体型可燃气体探测器两种。催化型可燃气体探测器的电阻元件为难熔金属铂丝，当可燃气体进入探测器时，在铂丝表面会发生氧化反应，使铂丝温度升高，从而铂丝的电阻率便发生变化，探测器从而动作。而半导体型可燃气体探测器则采用灵敏度较高的气敏半导体原件作为电阻元件，当其在工作状态时遇到可燃气体，半导体电阻下降，依据可燃气体浓度不同，电阻值下降不同，从而响应。（五）复合式火灾探测器复合式火灾探测器即在同一时间段内，同时对火

8、灾过程中的烟雾、温度、光辐射等多个参数作出响应，进行探测和综合数据处理的探测器。它有多种组合，如感烟感温式、感温感光式和感烟感光式等。三、探测器的选用分析（一）一般规定火灾发展的不同阶段所产生烟、光、温度等参数变化特点各不相同，针对这些情况，一般可从以下几方面考虑选择：1.火灾初起阶段多为燃烧物质的阴燃阶段，产生大量的烟和少量的辐射热，很少或者几乎无火焰（光）辐射，此类场所或部位可选择感烟式火灾探测器。2.火灾全面发展阶段，火灾规模迅速扩大，多为物质完全燃烧阶段，可产生大量热、烟和光辐射，此类场所或部位可选择感温式探测器、感烟式探测器、感光式探测器或复合式。3.而对于火灾发展迅速，有强烈火焰辐

9、射、少量的烟和热等特点的场所或部位，可选择感光式火灾探测器。4.对于可能会产生、聚集可燃气体或可燃液体蒸汽的场所或部位，应选择可燃气体探测器。5.对于火灾发生不可预料的情况，可参考数据建模或模拟实验的结果来选择火灾探测器。（二）综合分析由前面对金属钠性质的介绍可知，钠的化学性质活泼，液态时与氧气接触会立刻发生燃烧，为表面燃烧，无阴燃阶段，伴随燃烧会有大量白色烟雾产生，并有明亮光。这是钠本身的性质，鉴于本文讨论的钠是核反应堆一次钠回路中的冷却剂的特殊情况，在选用火灾探测器时还应考虑厂房环境、管道结构等因素，由上对几种火灾探测器的介绍可知：1.感溫式火灾探测器：金属钠的熔点为97.82，燃点为-9

10、7.2，所以一旦泄漏接触到氧气会立刻燃烧。经实验可得，1.42kg钠池上方0.7米处需经过1分钟可达到（最高温度）200，可见当探测器距离钠泄漏地点较近时，用感温式火灾探测器是可以的，但当距离较远或之间有其他遮挡物遮蔽时则报警效果不佳。2.感烟式火灾探测器：由上可知对于燃烧产生大量烟雾的钠火来说，离子型感烟探测器具有良好的敏感性;由于对烟雾颗粒的粒径大小有要求，在应用范围上光电感烟探测器没有离子型感烟探测器大，受诸多因素限制，例如当钠火管道结构对光的散射等造成影响时，会大大降低其报警的敏感度，因此不太适用于钠冷快堆火灾探测器的选用;红外光束感烟探测器对烟雾颗粒的探测更具方向性，更有针对性，可针

11、对钠流通管道易发生泄漏的部位进行针对性的监控，但是其应用同样受管道结构限制，即使可以布置探头，从全局来看，其布置布局缺乏普适性，且应用成本略高。3.感光式火灾探测器：此探测器应用受管路限制较大，具一定滞后性，发挥不了其优势。4.可燃气体探测器：金属钠在空气中的燃烧会产生氧化钠或过氧化钠（固体颗粒），遇到水才会生成氢气，但因核电站这一特殊场所应用管理要求，厂房中发生此类反应概率低，以此作为火灾积极响应探测，实用性不高。5.复合式火灾探测器：带有感烟功能的复合式火灾探测器无疑在功能上具有更强优势，但成本相应也会增加，使用时需根据厂房结构及探测器自身属性不同综合决定。综上所述，在核电站厂房中，可以离子型感烟探测器为主，在特殊部位以线型光束感烟、复合式火灾探测器为辅，以确保对于火灾的高效监控。四、结语火灾探测器的选用是构成火灾监控系统的重要内容，直接影响着火灾自动报警以及监控系统的整体特性，只有对各类火灾探测器的工作原理有一定了解，并按照环