一、行業(yè)背景

核能作為清潔低碳的能源形式，是我國新型電力系統(tǒng)重要組成部分，具備零空氣污染輸出、不受氣象條件制約、發(fā)電成本穩(wěn)定等顯著優(yōu)勢。隨著國內(nèi)核電機(jī)組持續(xù)投運(yùn)，核電站的運(yùn)行安全始終是行業(yè)關(guān)注的核心焦點(diǎn)。核電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜，監(jiān)測對象數(shù)量龐大，傳統(tǒng)點(diǎn)式傳感器存在抗輻射能力弱、布線復(fù)雜、易老化、單點(diǎn)失效、無法實(shí)現(xiàn)全線連續(xù)感知等諸多短板。傳統(tǒng)管理模式下，資源配置、設(shè)備狀態(tài)、人員調(diào)度缺少可視化數(shù)字化管控手段，大量關(guān)鍵部位依靠人工巡檢，事務(wù)繁雜，隱患難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

核電站潛在安全風(fēng)險(xiǎn)來源包含多個(gè)維度：核島混凝土構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)、核廢料儲存堆溫度異常、高溫蒸汽管道與一回路二回路高溫部件過熱、管道焊縫熱損傷、電纜廊道熱積聚、冷卻循環(huán)管路異常溫升。一旦關(guān)鍵構(gòu)筑物、熱力部件出現(xiàn)故障，輕則引發(fā)核污水滲漏、原料泄漏事故，嚴(yán)重情況下會造成機(jī)組損毀，發(fā)生重大核安全事件。因此，構(gòu)建長距離、本征安全、抗輻射、高可靠的分布式在線監(jiān)測體系，已經(jīng)成為核電運(yùn)維數(shù)字化升級的剛性需求。

北京鴻鷗成運(yùn)儀器設(shè)備有限公司面向核電行業(yè)，基于拉曼DTS、布里淵BOTDR/BOTDA分布式光纖傳感技術(shù)，打造核電站專用光纖監(jiān)測整套解決方案。以特種耐輻照光纜作為感知介質(zhì)，光纖本身不帶電，具備本征防爆、抗強(qiáng)電磁干擾、耐核輻射、使用壽命長的核心優(yōu)勢，可對核電廠混凝土結(jié)構(gòu)形變、核廢料儲存區(qū)域溫度、高溫?zé)崃艿?、電纜隧道、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)開展全線不間斷分布式監(jiān)測。系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集全鏈路溫度、應(yīng)變數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)定位異常點(diǎn)位，把隱患消滅在萌芽階段，為核電站全生命周期安全運(yùn)行提供數(shù)字化技術(shù)支撐。

二、傳統(tǒng)監(jiān)測方案現(xiàn)存痛點(diǎn)

現(xiàn)階段核電站部分監(jiān)測場景仍然大量采用熱電偶、熱電阻等傳統(tǒng)點(diǎn)式傳感器，在實(shí)際工程運(yùn)維中暴露較多短板。

第一，測點(diǎn)離散，覆蓋不全。點(diǎn)式傳感器僅能夠采集傳感器安裝點(diǎn)位數(shù)據(jù)，兩個(gè)測點(diǎn)中間區(qū)域?qū)儆诒O(jiān)測盲區(qū)，管道、混凝土墻體、電纜橋架的局部過熱、微小開裂形變無法被捕捉，局部隱患容易被遺漏。

第二，環(huán)境耐受性不足。核島內(nèi)部存在輻射環(huán)境，普通電子類傳感器元器件容易受輻照老化，長期使用測量漂移大，故障率高，需要頻繁更換傳感器，檢修維護(hù)工作量大，部分高危區(qū)域人員難以抵達(dá)，更換作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高。

第三，布線系統(tǒng)復(fù)雜。大量點(diǎn)式傳感器需要供電線纜與信號線纜，核電站現(xiàn)場空間緊湊，大量線纜敷設(shè)增加施工難度，線纜接頭數(shù)量多，接頭故障成為新風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

第四，故障定位能力弱。傳統(tǒng)傳感器只能反饋該測點(diǎn)的數(shù)值，無法精準(zhǔn)輸出故障發(fā)生的距離位置，發(fā)生異常后，運(yùn)維人員需要大范圍排查，排查耗時(shí)長，錯(cuò)失處置窗口期。

第五，系統(tǒng)綜合壽命短。普通電子傳感器使用壽命5?8年，而核電站機(jī)組設(shè)計(jì)運(yùn)行周期可達(dá)40?60年，傳感器需要多次迭代更換，全生命周期成本居高不下。

傳統(tǒng)人工巡檢同樣存在局限，高危區(qū)域人員進(jìn)入受限，巡檢周期存在間隔，只能夠做到周期性檢查，無法實(shí)現(xiàn)7×24小時(shí)不間斷在線監(jiān)測，突發(fā)溫升、形變隱患不能夠第一時(shí)間預(yù)警。

三、分布式光纖監(jiān)測方案產(chǎn)品與技術(shù)優(yōu)勢

本套核電站光纖監(jiān)測系統(tǒng)主要由：分布式光纖解調(diào)主機(jī)、耐輻照特種傳感光纜、光纜固定敷設(shè)配件、智能通信網(wǎng)關(guān)、云平臺監(jiān)控軟件、報(bào)警輸出模塊組成。依據(jù)不同監(jiān)測目標(biāo)，可以選用拉曼散射DTS分布式測溫系統(tǒng)、布里淵BOTDR/BOTDA溫度?應(yīng)變一體化監(jiān)測系統(tǒng)。光纜既是傳感單元，同時(shí)充當(dāng)信號傳輸介質(zhì)，現(xiàn)場感知端無任何有源電子器件。

3.1 本征安全，適配核電高危工況

傳感光纖主要成分為二氧化硅，電絕緣，現(xiàn)場光纜無需供電，不存在電火花風(fēng)險(xiǎn)，適配核電廠易燃易爆、高輻射工況。特種耐輻照光纜經(jīng)過改性，在核輻射環(huán)境下可以長期穩(wěn)定工作，性能衰減可控，適合布置在核島周邊、廢料存儲區(qū)等特殊區(qū)域，解決普通電子傳感器不耐輻射的痛點(diǎn)。

3.2 分布式全線連續(xù)感知，無監(jiān)測盲區(qū)

不同于點(diǎn)傳感器離散采集，一條傳感光纜可以實(shí)現(xiàn)幾十公里鏈路上面每一個(gè)點(diǎn)位連續(xù)測量。針對蒸汽管道、電纜廊道、混凝土墻體，光纜沿著被監(jiān)測對象敷設(shè)，實(shí)現(xiàn)“處處是測點(diǎn)"，不存在中間盲區(qū)，微小的局部過熱、局部形變都可以被捕捉?？臻g分辨率可以達(dá)到米級，部分場景實(shí)現(xiàn)亞厘米級定位，精準(zhǔn)輸出異常距離位置，直接引導(dǎo)運(yùn)維人員直達(dá)隱患點(diǎn)。

3.3 長壽命，適配核電長周期運(yùn)行

特種二氧化硅光纜本體設(shè)計(jì)使用壽命30年以上，適配核電幾十年運(yùn)行周期，大幅減少現(xiàn)場傳感器更換頻次，降低高危環(huán)境下人員檢修作業(yè)量，降低全生命周期運(yùn)維成本。

3.4 多參量同步監(jiān)測

拉曼DTS系統(tǒng)專注高精度分布式溫度監(jiān)測，可設(shè)置多級報(bào)警閾值50℃、60℃、80℃等，用于過熱火災(zāi)預(yù)警；布里淵BOTDR/BOTDA系統(tǒng)可以同步獲取溫度與應(yīng)變數(shù)據(jù)，用于混凝土構(gòu)筑物、管道焊縫的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，識別開裂、變形、應(yīng)力集中問題。系統(tǒng)支持與核電站現(xiàn)有DCS、SIS系統(tǒng)對接，數(shù)據(jù)接入現(xiàn)有運(yùn)維平臺。

3.5 多級預(yù)警與數(shù)據(jù)溯源

系統(tǒng)具備本地組態(tài)屏幕顯示，同時(shí)支持云端遠(yuǎn)程監(jiān)測；發(fā)生超溫、應(yīng)變超限，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警、繼電器輸出、平臺彈窗告警；全部歷史數(shù)據(jù)自動存儲，支持回溯查詢，用于事故復(fù)盤、設(shè)備健康趨勢分析，為設(shè)備預(yù)防性維護(hù)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

四、核電站典型監(jiān)測應(yīng)用場景

4.1 核廢料儲存庫溫度監(jiān)測

核廢料儲存是核電安全關(guān)鍵環(huán)節(jié)，廢料衰變持續(xù)釋放熱量，如果散熱失效會出現(xiàn)熱量積聚，溫度持續(xù)升高將引發(fā)嚴(yán)重安全事故。將耐輻照DTS測溫光纜沿儲存桶、儲存庫墻體、通風(fēng)通道敷設(shè)，7×24小時(shí)連續(xù)監(jiān)測全域溫度，一旦局部區(qū)域溫度異常升高立刻觸發(fā)報(bào)警，提前預(yù)警散熱系統(tǒng)故障。

4.2 高溫蒸汽管道、二回路熱力管道監(jiān)測

核電站大量高溫高壓蒸汽管道，長期運(yùn)行會出現(xiàn)保溫層脫落、局部過熱、焊縫熱疲勞損傷。沿管道外壁敷設(shè)傳感光纜，DTS監(jiān)測管道外壁分布式溫度，識別保溫失效局部過熱；搭配布里淵傳感，同步監(jiān)測管道應(yīng)變，識別焊縫應(yīng)力集中、管道形變，做到早期故障識別。

4.3 電纜廊道與電纜橋架火災(zāi)預(yù)警

核電站電纜數(shù)量龐大，電纜隧道內(nèi)部電纜老化短路會引發(fā)過熱起火。采用DTS分布式光纖測溫光纜沿電纜橋架敷設(shè)，全線監(jiān)測電纜溫度，早期捕捉電纜局部過熱，在明火產(chǎn)生之前完成預(yù)警，防范電纜火災(zāi)事故。

4.4 核島、冷卻塔混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

核電站反應(yīng)堆安全殼、冷卻塔、水工混凝土結(jié)構(gòu)，長期承受溫度應(yīng)力、壓力，存在開裂風(fēng)險(xiǎn)。布設(shè)布里淵傳感光纜埋入或者貼附混凝土表面，分布式獲取結(jié)構(gòu)應(yīng)變，監(jiān)測混凝土開裂、形變發(fā)展趨勢，評估構(gòu)筑物健康狀態(tài)。

4.5 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)監(jiān)測

冷卻水是核電站重要安全屏障，冷卻管路堵塞、換熱異常會帶來機(jī)組運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，光纖測溫系統(tǒng)對冷卻水管道溫度分布監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)換熱異常。

五、實(shí)施方案與部署思路

項(xiàng)目實(shí)施分為前期方案設(shè)計(jì)、光纜選型、現(xiàn)場敷設(shè)、系統(tǒng)安裝調(diào)試、平臺對接、驗(yàn)收培訓(xùn)幾個(gè)階段。

第一，根據(jù)不同區(qū)域輻射劑量等級，選用對應(yīng)等級耐輻照特種光纜；普通非輻射區(qū)域可以使用通用通信傳感光纜。

第二，管道外壁采用不銹鋼卡扣、耐高溫壓片進(jìn)行光纜固定；混凝土結(jié)構(gòu)采用預(yù)埋或者表面粘貼方式；電纜橋架把光纜沿電纜走向并行敷設(shè)，避開尖銳棱角，做好防護(hù)。

第三，解調(diào)主機(jī)部署于安全的設(shè)備機(jī)柜間，光纜通過穿墻密封接頭進(jìn)入監(jiān)測區(qū)域，做好密封、屏蔽、接地處理。

第四，主機(jī)完成標(biāo)定調(diào)試，設(shè)置對應(yīng)項(xiàng)目報(bào)警閾值，完成和客戶現(xiàn)有監(jiān)控平臺協(xié)議對接。

第五，完成人員培訓(xùn)，交付運(yùn)維手冊，建立后期技術(shù)服務(wù)機(jī)制。

六、效益分析

6.1 安全效益

實(shí)現(xiàn)核電站關(guān)鍵設(shè)施7×24不間斷在線監(jiān)測，變“事后故障處置"轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>事前預(yù)警、預(yù)防性維護(hù)，消除監(jiān)測盲區(qū)，提前識別溫度異常、結(jié)構(gòu)形變隱患，極大降低核安全事故發(fā)生概率，筑牢核電安全防線。

6.2 運(yùn)維經(jīng)濟(jì)效益

減少高危區(qū)域人工巡檢頻次，降低人員暴露風(fēng)險(xiǎn)；光纜壽命長，大幅減少傳感器更換，降低運(yùn)維耗材與人工成本；精準(zhǔn)定位故障位置，縮短故障排查時(shí)間，減少機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)帶來的經(jīng)濟(jì)損失。

6.3 數(shù)字化建設(shè)價(jià)值

整套系統(tǒng)輸出標(biāo)準(zhǔn)化監(jiān)測數(shù)據(jù)，支撐核電站數(shù)字孿生平臺建設(shè)，完成設(shè)備健康趨勢分析，助力核電運(yùn)維模式向數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型。

七、總結(jié)展望

在我國核電產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步發(fā)展大背景下，安全永遠(yuǎn)是核電發(fā)展的生命線。傳統(tǒng)點(diǎn)式傳感器、人工巡檢模式，越來越難以滿足核電高可靠、長周期、全鏈路監(jiān)測的現(xiàn)實(shí)需求。

分布式光纖傳感技術(shù)憑借本征安全、抗輻射、長距離分布式感知、長壽命的獨(dú)特優(yōu)勢，非常適配核電站多種高危復(fù)雜工況，在核廢料庫測溫、熱力管道狀態(tài)監(jiān)測、電纜廊道火災(zāi)預(yù)警、混凝土構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測場景具備不可替代的應(yīng)用價(jià)值。

北京鴻鷗成運(yùn)儀器設(shè)備有限公司深耕光纖監(jiān)測裝備研發(fā)，面向核電行業(yè)提供硬件設(shè)備、方案設(shè)計(jì)、施工技術(shù)支持一體化服務(wù)，以光纖感知技術(shù)賦能核電站安全運(yùn)行，助力國內(nèi)核電行業(yè)高質(zhì)量安全發(fā)展。

論文摘要直接關(guān)鍵詞

分布式光纖傳感；核電站安全監(jiān)測；DTS；BOTDR；BOTDA；耐輻照光纜；核廢料溫度監(jiān)測；混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

一、行業(yè)場景關(guān)鍵詞

核電站；核電廠；核島；常規(guī)島；核廢料儲存庫；反應(yīng)堆安全殼；蒸汽管道；二回路熱力管道；電纜廊道；冷卻塔；循環(huán)冷卻水系統(tǒng)；核安全；核電運(yùn)維；預(yù)防性維護(hù)

二、技術(shù)原理類

拉曼散射；布里淵散射；分布式光纖測溫；溫度?應(yīng)變耦合；光時(shí)域反射OTDR；后向散射光；斯托克斯光；反斯托克斯光；光纖解調(diào)主機(jī)

三、硬件設(shè)備類

DTS分布式光纖測溫系統(tǒng)；BOTDR布里淵光時(shí)域反射；BOTDA布里淵光時(shí)域分析；耐輻照傳感光纜；特種核電光纜；光纖傳感主機(jī)；智能網(wǎng)關(guān)；核電DCS系統(tǒng)；SIS系統(tǒng)；數(shù)字孿生平臺

四、監(jiān)測物理量

分布式溫度監(jiān)測；分布式應(yīng)變監(jiān)測；管道過熱預(yù)警；混凝土開裂監(jiān)測；高溫部件狀態(tài)監(jiān)測；溫度閾值多級報(bào)警；隱患定位；全生命周期監(jiān)測

五、工程施工類

光纜預(yù)埋；表面貼裝敷設(shè)；核電穿墻密封接頭；光纜耐輻照選型；屏蔽接地；光損耗檢測；系統(tǒng)標(biāo)定；溫度應(yīng)變解耦補(bǔ)償

六、痛點(diǎn)價(jià)值類

本征安全防爆；抗核輻射；抗電磁干擾；無源傳感；消除監(jiān)測盲區(qū)；長壽命；減少人工巡檢；高危區(qū)域監(jiān)測；事故早期預(yù)警

英文關(guān)鍵詞

Distributed optical fiber sensing；Nuclear power plant safety monitoring；DTS；BOTDR；radiation?resistant optical cable；nuclear waste temperature monitoring