李银凡， 白绪涛， 李文杰， 方华松， 张晓晨， 宗若雯

(1.苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004；2.中国科学技术大学先进技术研究院，安徽 合肥 230094)

0 引 言

安全是核电工程的生命线。从核电厂几十年来的运营情况看，火灾是核电安全重大威胁之一，且火灾隐患贯穿于核电厂的整个生命周期，火灾探测器作为火灾报警系统中最基本、最关键的单元设备，其探测性能对核电安全具有重要意义。然而在核电厂一些特殊区域中，现役的常规火灾探测器的探测性能难以满足其使用需求，不可避免地出现误报、故障及漏报等失效性问题。法国EDF事件权威数据统计表明：某核电站20年间误报率高达1∶0.0276。误报率高是当前核电站火灾报警系统普遍存在的现象。

针对一些区域探测器失效的问题，以大亚湾核电厂火灾探测系统作为研究对象，结合现场环境对其进行全面分析研究，并基于双波长感烟火灾探测及图像火灾识别技术提出性能优化方案，提升核电厂消防探测系统的稳定性，确保核电厂的安全运营。

1 核电站火灾探测现状

经调研，大亚湾核电厂的火灾探测设备已连续工作多年，在维护期间发现了不少误报、故障及漏报等失效问题。通过对24 h事件单、工作票、备件发料记录及预防性维护程序的查询，大亚湾核电厂目前根据不同场所主要采用了感烟火灾探测器、感温火灾探测器及火焰探测器等，现对近6年的这三种类型火灾探测器历史运行数据进行整理统计，结果见表1。

表1 火灾探测器运行数据统计表

对大亚湾核电厂火灾探测器运行情况的统计数据进行分析，可以得出：

(1)现役的火灾探测器总体上可以满足大部分场所的使用需求，仅在一些高大空间和高湿环境等场所存在较多的误报、故障及漏报问题。

(2)火灾探测器失效的主要形式为误报火警，而故障报警、漏报报警的情况相对较少。

(3)不同探测原理的火灾探测器失效数据存在较大差别，其绝大部分的失效集中在感烟火灾探测器上，具体分布如图1所示。

图1 火灾探测器失效分项统计

(4)另外，整理近年数据时发现，火灾探测器在不同月份的失效次数有很大差别，主要集中在5—9月份。

2 火灾探测器失效性分析

针对核电厂火灾探测器的误报、故障及漏报的失效问题，主要表现在感烟火灾探测器上，从以下三个方面进行原因分析：

(1)深圳属于亚热带海洋性气候，受季风气候影响，整个夏季高温多雨，环境潮湿现象较为明显，再加上核电厂地下管廊区域通风效果不佳，易形成高湿环境。而核电厂现役的感烟火灾探测器是采用发射一种红外光来检测烟雾颗粒，当环境中的粉尘、水汽、烟雾等颗粒进入迷宫检测室时，因无法区分而统一认为是烟雾而触发报警，并把错误的报警信息传递给火灾报警控制器，造成误报警。

(2)感烟火灾探测器相对于其他类型探测器更容易发生故障的主要原因在于感烟火灾探测器必须让空气进入腔内，因此感烟探测器特有的迷宫式结构易于受环境条件的影响造成故障。

(3)核电站的众多高大空间厂房的高度均在10 m以上，但一般火灾烟雾颗粒在7 m左右出现分层，在重力作用下难以再继续上升，这是导致感烟火灾探测器漏报的重要原因之一。而感温探测器不适用于高大空间火灾探测，火焰探测器的探测机理决定了其不能用于烟雾探测。

通过分析得到，传统的火灾探测器在核电厂的高大空间和高湿环境的区域内很难达到预期的探测效果而存在一定的安全隐患，该隐患对核电厂消防安全构成了严重威胁。因此，对火灾探测器的性能优化刻不容缓。

3 火灾探测性能优化

目前，核电厂对火灾探测器误报、故障、漏报等失效问题常采取的整改措施主要有更换故障火灾探测器、改进探测器安装方式和采用局部加热改善探测器的运行环境等，但经过对火灾探测器失效的原因分析可知，这些措施并不能从根本上解决探测器失效的问题，探测系统依然存在很大的安全隐患。

随着对火灾特性及探测技术的研究不断深入，火灾探测方法已呈现多样化。现基于传统型感烟探测器的单波长发射光源探测方式衍生出双波长烟雾探测技术可有效地解决因粉尘、潮湿等因素引起的误报问题；针对高大空间，引入图像识别技术对原有的火灾探测系统进行补充，可以解决传统探测器漏报的问题。

3.1 双波长感烟火灾探测器

3.1.1 火灾探测机理及特点

双波长感烟火灾探测器基于双波长烟雾探测技术，采用了独特的倒螺旋式进烟结构、蓝光/红光双光源烟雾检测、独特的数据算法和智能研判等技术综合研制而成。进行火灾检测时，探测器交替发出两种波长差异非常大的蓝光和红光，发射光遇到迷宫检测室中的微小颗粒时产生散射，检测室中的接收器捕捉到散射光后进行差值对比、综合研判，去除因粉尘、水汽等导致的干扰信号，在本质上解决了感烟火灾探测器因粉尘、水汽等造成的误报问题，且蓝光对火灾初期时的小烟雾颗粒较为敏感，适用于火灾早期探测。双波长感烟火灾探测器完美兼顾了低误报和高灵敏的使用需求。

3.1.2 与传统感烟火灾探测器性能对比

为验证双波长感烟火灾探测器在核电厂潮湿环境的适用性，根据《点型感烟火灾探测器》(GB 4715—2005)及《核电站新型火灾探测器功能需求规格书》，与传统感烟火灾探测器进行高低温、高湿、粉尘、烟雾等对比测试(图2)，结果均符合标准及功能需求且性能优于传统感烟火灾探测器，测试结果见表2。

图2 性能测试图片

表2 性能测试汇总表

3.2 图像火灾识别系统

3.2.1 火灾识别系统原理及特点

常规火灾探测器一般都是基于光、烟和温等特征之一设计研发的。譬如以光属性为代表的有紫外火焰探测器、红外火焰探测器等，以烟属性为代表的有线型光束感烟探测器、点型感烟火灾探测器等；以温属性为代表的有点型感温火灾探测器、线型感温电缆等。图像火灾识别系统是以数据分析服务器为核心并结合图像识别技术及AI深度学习算法而研制的一款新型火灾自动报警系统，其工作原理为将通过摄像头摄取的视频图像帧作为识别对象，根据物质燃烧过程中的烟雾、火焰、温度等图像特征，进行图像分割、特征提取、算法分析、综合研判，达到识别火灾的目的。图像火灾识别系统不仅可以实现对早期火灾的有效探测，而且具有探测距离远、检测范围大、报警速度快、不易受外界因素干扰等优点。

3.2.2 系统适用性验证

根据《特种火灾探测器》(GB 15631—2008)、《可视图像早期火灾报警技术规程》(CECS 448—2016)及《核电站新型火灾探测器功能需求规格书》中的要求对该系统进行性能测试，如图3所示，均符合标准及使用要求，验证结果见表3。

图3 适用性测试图片

表3 性能验证测试汇总表

3.3 探测性能优化应用

经现场调研及条件筛选，火灾探测示范应用场地选取GB廊道部分高湿区域和KAC检修大厅的高大空间区域，根据双波长感烟探测器、图像火灾识别系统布局要求，对选定区域进行梳理，在考虑原有的探测系统为主体的情况下，制定出适用于核电厂两者融合的应用方案，并实施优化改造。

3.3.1 探测系统架构设计

在GB管廊区域内搭建双波长感烟火灾探测系统，采用双波长感烟火灾探测器替换部分已经失效的感烟火灾探测器，通过输入输出模块与火灾报警控制器相连；在KAC检修大厅内搭建图像火灾识别系统，考虑到核电厂施工难度的复杂性，直接基于现有的安防监控摄像机，通过交换机与火灾分析服务器连接，完成系统搭建，火灾分析服务器通过存储阵列获取现场实时监控视频流进行图像火灾识别，如图5所示。

图5 像分析服务器实时监测图片

整套系统分为三层架构，即前端设备层、信息处理与转换层和终端报警联动层，其中前端设备层由双波长感烟火灾探测器和该区域监控摄像头组成。信息处理与转换层包含输入输出模块、火灾识别服务器、网络交换机、存储阵列等，其中输入输出模块主要用于信号转换及传输，火灾分析服务器用于图像处理、火灾识别及报警信息输出；终端联动层主要包含火灾联动控制器，通过RS-485通讯和开关量信号接收及处理前段的报警、故障等信号并实现消防整体联动。

3.3.2 应用效果分析

设备安装完整、调试完毕后，对双波长感烟火灾探测器及图像火灾识别系统进行了性能测试均满足功能需求，结果见表4。

表4 设备测试记录汇总表

通过对双波长感烟火灾探测器和图像火灾识别系统的安装、调试过程及测试结果可以看出：双波长感烟火灾探测器可基于原有火灾报警系统行进扩充或者替换，图像火灾识别系统可在视频监控系统上进行升级改造，无须另外增加探测设备，整个系统在安装方面布局简单、施工方便，并对原有系统不均产生任何影响；在功能方面不仅报警准确率高、响应速度快而且监测范围大；在稳定性方面，目前已经在核电场所进行了4个月的稳定性测试，系统均没有发生误报、故障及漏报等失效情况，属于准确可靠的探测方式。应用结果表明，双波长感烟火灾探测器和图像火灾识别系统适用于核电厂潮湿环境及高大空间场所。

4 结束语

本文从核电厂火灾探测器工作现状和实际需求出发，重点分析传统火灾探测器在核电厂高大空间及高湿环境场所应用的局限性，提出基于双波长烟雾探测及图像火灾识别技术的适用于核电厂火灾探测性能优化设计方案，通过现场示范应用和性能测试表明符合核电厂使用需求。双波长烟雾探测技术用于核电厂的优势在于其赋予火灾报警系统敏锐的嗅觉，解决了传统感烟火灾探测器无法彻底区分粉尘、水汽等非烟类干扰信号的问题，有效地降低了核电厂高湿环境场所的误报率；图像火灾识别技术用于核电厂的优势在于其赋予火灾报警系统敏锐的视觉，在常规火灾探测器应用效果不佳的场所可基于现有的安防监控系统引入图像火灾识别系统进行补充，从而提高火灾探测准确率。双波长感烟火灾探测器和图像火灾分析系统解决了核电厂火灾探测器因高大空间或潮湿环境引起误报、故障或漏报等诸多失效性问题，为核电厂的火灾安全提供了有力保障，也为后续其他核电厂消防系统性能优化提供了方向。