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核能发电厂安全监控系统建置解决方案

作为一级风险场所的核电厂,若发生意外,除造成生命财产的损伤外,辐射在空间上的巨大扩散时间上的长久影响会带来更多的安全问题,且还会造成民众心理上的恐慌。因此,核电厂安全监控系统的建置,通常都会以最高级最严格的层级来处理,本文将详细介绍核电厂的安防解决方案......
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  作为一级风险场所的核电厂,若发生意外,除造成生命财产的损伤外,辐射在空间上的巨大扩散时间上的长久影响会带来更多的安全问题,且还会造成民众心理上的恐慌。因此,核电厂安全监控系统的建置,通常都会以最高级最严格的层级来处理,本文将详细介绍核电厂的安防解决方案。

  核能发电厂(Nuclear power plant)以下简称核电厂,其发电原理与火力发电类似,利用铀燃料进行核裂变产生的高热加热锅炉的水,使水变成高温产生高压水蒸气,再以蒸气推动汽轮机带动发电机发电。因核能发电没有火力燃烧所产生的二氧化硫及二氧化碳等环境破坏气体而被称为干净能源,但从包括最近的日本福岛地震在内的多次核能灾害来看,干净之余却有太多安全隐患存在,因而相较于其他的发电形式,核电厂的安全应用与管制层级必须高出很多。

  安防设计规划重点原则

  核能发电厂不论在哪一个国家都被视为高度安全防护的场所,不管是人为破坏行为还是天灾,都会在核能电厂的安全规划考虑中。其安防解决方案设计的重点原则分为阻绝、管制、侦检、判断与处置等五项:第一是要从远处开始就要阻绝一切可能对核电厂有安全危害的人或事物;第二若无法阻绝必须接触则必须做好管制,对人、车、物的来去动向要能充份掌握;第三侦检是对包含人车及物品的侦测检查,并且进出发电厂都要有侦测检查,包含金属物侦检及辐射量侦检二种,以避免违禁品进出辐射污染人及物情况发生;第四判断,透过影像监控系统与远程数据采集和远程探测器进行画面或状态的直观判断以作为后续处理的依据;第五处置则是各种安防系统对各种应急事件都能做到主动或被动的启动或告警反应。

  安全危害有那些?

  了解核能电厂的安全重点后,再把核电厂由外到内的环境及设备操作的危险因子做一个分析,供整体安全解决方案设备及措施的选用参考。核电厂环境结构特性:一般核电厂都会建置在稳固的海岸边,因为核反应炉需要大量海水来进行冷却,所以核能电厂通常设置海水取水口及排水口,包括防止大汛潮的防波堤及闸门所构筑的一个取水区及执行抽取大量海水的动力泵房,这是一个接近但却与电厂相对独立的区域,与水力发电的取水口一样具有高度重要性,不容许有人入侵或杂物进入取水管道。再来是整个核电厂的外围周界部分的最外层,一般核电厂从外到内依照环境与作业区的重要性,都会设置四道的周界防范(最外层的一般作业区、第二层保护区、第三层只限制特定人员进出的禁制区、第四最重要的核反应堆体的紧急区)。其后还有临时堆放反应炉的核废料桶区及储存区,与火电厂锅炉及蒸气机区同样是非常重要的安全防范区域;同时主变压器区与电力开关厂也是整个核能电厂的安全危害重点。这些重点都必须依据安全五原则来进行整体安全系统规划与布建的,以下笔者将逐一说明核电厂的整体安防解决方案内容。

  整体安全监控布建说明

  核能电厂因位处滨海区而受到海风带来的盐害,同核电厂设备一样,安防监控设备也必须考虑到自身对于这种环境的适应性,建置过核电厂的工程商一定都体会过这种环境对于设备的严苛要求。核电厂分为压水式核能发电厂(PWR发电厂 )、沸水式核能发电厂(BWR发电厂)、核能发电厂(AGR发电厂)、重水减速重水冷却型核能发电厂等型式,但在建筑结构与配置上基本是相似的,因此安全解决方案的规划也是一致的。

  海水泵房区

  海水泵房主要是抽取经过拦污栅隔离杂物后的海水,将海水送到反应炉蒸汽机做蒸汽冷却用。此区域会有机组故障、人员入侵游泳或垂钓、潮水过大或风浪过大问题,监控设备须监控海水潮汐及水位、取水口的闸门开启关闭的大小侦测、拦污闸及扒污机是否正常运作、抽水泵的压力与转速温度,另外整个海水泵房的供电系统及备用电力也要纳入监控中,以免电力中断后备用电力无法启动,致使蒸汽锅炉温度上升产生氢气进而发生爆炸。

  对抽水泵进调节控制时需要影像遥控遥测的DCS控制系统进行监看与监控,除了用PLC及DCS来监控设备外,此区域的影像摄像机必须采用具有PTZ功能且必须是抗盐份的SS316不锈钢材质,并必须具有红外线辅助照明及夜视远程监控的能力,以防止有人非法进入取水口防波堤区域进行捕鱼垂钓或破坏行为,同时可管制整个海水泵房区域四周的周界状况。由于所处盐份较高金属性的围篱侦测系统并不适用,此处周界防范系统以多道光束的主动式探测器架设于围墙顶部来达到周界入侵检测安全要求。[nextpage]

  第一层周界

  第一道周界(一般作业区)是行政及消防单位办公楼及停车场,属于一般保护要求。由于较接近海岸,海水引起的盐雾水气仍有较大的侵蚀力,此处的影像监视系统保护材质也必须是IP66(NEMA4X)以上且最好是内压充氮的保护方式以确保摄像机不受盐份及水气的入侵而使寿命减短。摄像机本身必须为PTZ功能高速球且具有夜视功能的一体机,在传输上由于其地理特性必须采用光纤传输方式。周界建置有抗盐耐候的振动光纤或是蛇腹网加上张力铁线周界防越探测,配合监视监控系统作默认连动警报画面锁定及保安巡视监控。

  由于其高度危险性,大门区配置有门禁系统、脸部辨识、防尾随系统、图像对比监视系统,记录进出电厂每一个人的脸部特征、体重等信息。此外核能电厂应订有保安计划及相关的保安作业程序,由驻厂公安武警人员执行车辆与人员的进出管制及查验,于大门出入口主警卫室设置X光机、金属探测器、人员门框型辐射侦测器、车辆门框型辐射侦测器及车辆底盘侦检器等侦测设备,实现人防/技防/物防的三重安全保障,对进出保护区的人员、车辆执行严密检查,确保相关违禁品无法进出厂区造成破坏。

  第二层周界

  第二道周界(保护区)内主要是应急中心、电厂安全监控中心、设备资材仓库、备用发电储油槽等主要建及单位,属于第二级保护范围。此处必须设置第二道门禁刷卡系统,确保通过第一道周界大门进入的人员是经过查核授权后才进入第二道防线。此处所采用的摄像机就必须较为多元化:第二道周界上仍然采用室外耐候的高速球或一体机;进出门禁系统采用刷卡与脸部比对系统,搭配固定半球摄像机以掌握进出第二道保护区的人员及车辆。

  另外此处为堆放电厂资材区域,必须采用防盗报警系统,储油槽平时除供应电厂必要的运作燃料外都是保持静止状态,必须采用入侵侦测与影像监控,并对储油槽的压力温度液位等的进行PLC远程监控。由于全厂的安防系统都必须将信号送到此处的安全监控中心与应急中心,因而此处的传输设备终端必须要有妥善的光纤缆线分配箱,让所有信号的进出在此可以一目了然便于查修及维护。

  第三层周界

  第三道周界(禁制区)内主要有电厂主控室、发电主机组及蒸汽汽轮机组、核废料暂存区及辐射侦检站等主要禁止进入的管制区。门禁系统上这里又多了一层的要求:必须要有授权的卡片及通过辐射体能检查的人员才能配带随身辐射侦检计进入禁制区,这些人员属少数合格管制人员,除非是在发电机组大修停炉期间,此处是严格管控进出人数的门禁系统,应对进入未出或逾时未离开禁制区的人员进行即时清查,保障门禁安全。这个区域的摄像机更多型式化:日夜的红外线;半球吸顶;360度全景的摄像机;用于楼梯间及电厂各个逃生出入口专用的广角角落式摄像机。

  在发电机组及蒸汽轮机的运作监视上,除了必要的PLC/DCS设备监控,锅炉水位、蒸气压力及发电设备仪表区因辐射影响,都须用特定的百万高清摄像机对仪表进行细微细节的影像实时监控,提供讯息以备发电厂主控制室操作人员掌握所有发电设备运作状况。周界除了采用较高耸的围篱、无法攀爬的光滑壁面外,围墙顶上必须加设张力围栏与红外线对射探测器做双重保障,另外为便于事故时逃生疏散快速,核电厂本体建筑出入口很多,在出入口外都必须配合门禁系统进行门开关启闭的影像连动锁定加上事件录像方式来严格掌握禁制区的安全(图3)。

  第四层周界

  第四道周界(紧急区)内主要有冷却水池、核反应炉机组、汽机组、核燃料控制区及辐射侦检站等主要的严格禁止进入的紧急地带,都属于高辐射区域,就连停炉岁修期间的辐射量也具有高度的危险性,因此这里的门禁须更严格的管制进入的人数及时间限制,以软件系统进行人员现在行进位置及时间的管控,并在一定时间内进行人员清查并限时离开的门禁管制方式。

  要进入紧急区可做三重程序比对:当人员持识别卡刷卡时,门禁摄像机会将摄取到的影像,与数据库中原先预录的脸部影像进行比对,人员通过这两项比对进入时,还可以加设体重侦测计,埋设于地板内的传感器会侦测该人员的体重,与七天内前次体重记录进行比对,当重量值超过或低过设定容许值时异常告警,门禁系统便不会放行人员进入紧急区。由于紧急区属于高辐射区,此处所有的摄像机必须具有PTZ功能且必须有低光或黑白彩色切换功能,同时此处需要细节因此可充分应用百万像素的摄像机。

  紧急区有一个特殊情况是解决方案必须注意的:用在此处的安防设备在故障时都没有所谓的维修作业,因为高辐射下尤其是炉心反应炉及燃料水池上的摄像机等设备在长期辐射下,大部分已被同位素化,都已成为辐射源跟本无法用手接触及携出厂外维修,所以此处安防设备故障只能直接更新。[nextpage]

  主变压器及电力开关厂

  除了上述四道周界内的各个重点区域防范外,核电厂还有一个重要的场所称为核能废料储存区,为特殊且高辐射剂量的区域,须要独立的系统在其独立的控制室内进行操作监看及环境监控。此外就是与其他发电厂相似的主变压器及电力开关厂。

  核能电厂的主变压器区及一次电力345KV传输的开关厂,通常建设在核电厂炉体建筑的旁边。与其它电厂变电与开关厂相同,此处充满感电、电弧放电及绝缘碍子和变压器爆炸等这些安全上的危险,同时主变压的工作温度、散热风扇运作、升压电压、电流量变化也都要纳入电厂监控范围。开关厂部分,由于属于超高压电力危险区域,此区域架设的PTZ高清监视摄像机必须要考虑电磁干扰及维修时过于接近电力设备的问题。门禁必须严格采用影像对讲来管制门禁,以确实掌握进出开关厂人员的身份(图4)。

  安全监控未来发展

  核能发电厂安防监控已完全迈入高清化及网络化,但由于核电厂对信息保密、线路安全、影像与控制实时的要求仍然不变,因此解决方案上仍是以模拟加数字的模数(Hybrid)混合架构为主。从核电厂整体安防要求看,符合远程、实时、消防的综合监控是核电厂安全运作必备的条件。解决方案必须做到将远程的图像监视、环境监控、防盗、消防和报警联网系统有机的结合起来,做到既可以远程监视、遥控和图像传输,又具备环境整体监控,并具有联网报警网络功能,加上专业技术规划,才能更加有效地预防事故发生,确保核电系统运行稳定。

  随着电力能源安全监控需求的不断发展,发电安全监控应用项目及解决方案也会不断扩大,针对发电安全监控应用需求的不够完善,电力监控行业也出现一些未来产品及整合新趋势,这些新趋势大致有以下部分:

  1.针对发电厂整合集成的综合监控平台:可同时实现对视频、动力环境、报警信息、门禁信息等的集中采集与管理;

  2. 3G网络传输:随着3G技术的应用与发展,实现了无线高频网络传输功能,解决电厂内网络传输的应用难题;

  3. HD高清技术应用:在高清监控网络潮流下,高清网络及影像细节无缝化也将应用于在核电厂中;

  4. IVA智能分析化:核电厂的特殊辐射环境不是应用产品都可以完全适合的,利用前后端视频智能行为分析技术,可以做到预警、事件处理、采证,不必一定要进到电厂内部摄像机端去进行,也可以做远程视频检测,例如火警检测、入侵检测、遗失物、遗弃物、停留等让核电厂监控做到人安物安的要求。

  核能发电厂的安全监视监控以整体化的图像监视系统、环境监测系统、防盗系统、消防系统、报警系统一体化的高度集成化方向发展,提高智能化、自动化,提高人员和设备的安全性、操作便利性,这是一个核能电厂未来发展的应有架构。

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