Zasysające czujki dymu (ang. aspirating smoke detector,) zajmują szczególnie miejsce wśród systemów sygnalizacji pożarowej. Stosowane są do aktywnej ochrony przeciwpożarowej. Składają się z zaawansowanej centralnej jednostki detekcyjnej, która dzięki wbudowanej pompie, zasysa powietrze poprzez sieć rur transportowych z zaprojektowanymi otworami zasysającymi. Komora próbkowania oparta jest na nefelometrze, który analizuje obecność cząstek dymu zawieszonych w powietrzu poprzez mechanizm rozpraszania światła. Czujki zasysające wykrywają dym, niewidoczny, gołym, nieuzbrojonym okiem.

Kiedy uczęszczałem do szkoły, a było to już dawno temu, w mojej pamięci wyryła się specyficzna nazwa systemu zasysającego VESDA® firmy Xtralis™. (nie mylić ze skuterem Piaggio Vespa, który ma 75 lat). Xtralis™ nie tylko produkuje zasysające czujki dymu VESDA®, ale jest również od ponad 30 lat światowym pionierem w tej dziedzinie. Tylko w ostatnich latach firma zarejestrowała ponad 100 patentów.

Zasysająca detekcja dymu VESDA® to wyjątkowe rozwiązanie, które pozwala na zastosowanie pełnej ochrony przeciwpożarowej wszędzie tam, gdzie inne rozwiązania się nie sprawdzą. Konstrukcja urządzeń gwarantuje pracę w różnych obszarach i przede wszystkich w różnych środowiskach. Detektory VESDA® znalazły swoje zastosowanie na całym świecie od serwerowni (Data Center), akumulatorni, magazynów czy zakładów produkcyjnych po chłodnie, kopalnie i sortownie śmieci – zarówno w czystych, jak i bardzo brudnych, wymagających lub niebezpiecznych środowiskach.

Energetyka jądrowa

Skutki nawet małego pożaru w elektrowni jądrowej mogą zakłócić dostawy energii elektrycznej do wielu tysięcy domów. Pożar to jeden z najbardziej czarnych scenariuszy dla obiektów energetyki jądrowej.

Konsekwencje poważnego pożaru, który powoduje jeszcze większe szkody, mogą wpłynąć na zdrowie i dobrobyt milionów ludzi, być może i następnych pokoleń oraz nieodwracalne skutki dla środowiska naturalnego. Najwyraźniej stawka jest bardzo wysoka. Nic lepiej nie definiuje „infrastruktury krytycznej”, tak jak obiekty jądrowe.

Pożar w elektrowni jądrowej Browns Ferry w stanie Alabama w USA, 22 marca 1975 r., był kluczowym wydarzeniem, które przyniosło fundamentalne zmiany w ochronie przeciwpożarowej i regulacjach w amerykańskiej energetyce jądrowej. Pożar powstał, gdy pracownicy przebywający w pomieszczeniu technicznym użyli świecy do sprawdzenia nieszczelności izolacji przepustu kablowego wykonanej z pianki poliuretanowej (nieszczęśliwie przewody te prowadziły do budynku reaktora). Pożar zainicjowany zapłonem materiału uszczelniającego i przewodów elektrycznych, które przez niego przechodziły, trwał przez prawie 7 godzin, zanim został ugaszony. Ponad 1600 kabli zostało uszkodzonych, z czego 628 było ważnych dla bezpieczeństwa.

Pożar spowodował również wstrzymanie zasilania w energię elektryczną, uszkodził systemy sterowania elektrownią i okablowanie. Pogorszyło to funkcjonowanie zarówno głównego, jak i rezerwowych systemów chłodzenia reaktora, a także wpłynęło na zdolność operacyjną monitorowania instalacji. Biorąc pod uwagę utratę wielu systemów bezpieczeństwa, operatorzy elektrowni musieli wykonać doraźne naprawy w celu przywrócenia działania systemów elektrowni, aby ostatecznie bezpiecznie wyłączyć reaktor.

Dochodzenie, które zostało przeprowadzone po pożarze elektrowni jądrowej Browns Ferry, wykazało znaczące niedociągnięcia, zarówno w projektowaniu zabezpieczeń przeciwpożarowych w elektrowniach jądrowych, jak i procedurach reagowania na wypadek pożaru. Komisja śledcza doszła do wniosku, że zasady bezpieczeństwa ludzi oraz ochrony mienia wymagane przez towarzystwa ubezpieczeniowe nie obejmowały w wystarczającym stopniu kwestii bezpieczeństwa jądrowego, zwłaszcza jeśli chodzi o możliwość spowodowania przez pożar uszkodzenia systemów operacyjnych, w szczególności systemów redundantnych lub komponentów ważnych dla bezpiecznego wyłączenia reaktora.
Obecnie procedury z zakresu ochrony przeciwpożarowej elektrowni jądrowych muszą zapewniać pełne uwzględnienie podstawowych celów, jakimi jest minimalizacja zarówno prawdopodobieństwa wystąpienia, jak i skutków pożaru. Zatem system ochrony przeciwpożarowej musi dawać wystarczającą pewność, że pożar nie przeszkodzi w wykonaniu niezbędnych funkcji bezpiecznego wyłączania reaktora i nie zwiększy znacząco ryzyka uwolnienia substancji promieniotwórczych do atmosfery. Podstawowymi celami programu ochrony przeciwpożarowej dla działających reaktorów są:

• Zapobieganie powstawaniu pożarów
• Wykrywanie, kontrola i szybkie ugaszenie ewentualnych pożarów
• Zapewnienie, że konstrukcje, systemy i komponenty potrzebne do bezpiecznego wyłączenia reaktora są chronione przed pożarem, który nie może zostać ugaszony natychmiast.

W odpowiedzi na potrzebę obniżenia kosztów budowy przy jednoczesnym zapewnieniu większego bezpieczeństwa, w wielu krajach opracowywane są właściwe przepisy budowlane. Obecnie powszechnie przyjmuje się, że profesjonalne techniki zarządzania ryzykiem pozwolą na wdrożenie najbardziej opłacalnych i niezawodnych rozwiązań.

Elektrownia Jądrowa Bruce w Kanadzie stosuje podejście oparte na maksymalizacji wydajności, które spełnia powyższe cele. W 1999 roku rozpoczęto realizację projektu modernizacji dwóch elektrowni, które zostały zaprojektowane i zbudowane w latach 70. XX w., ze szczególnym naciskiem na kompletną ochronę przeciwpożarową. Projekt reprezentował największą pojedynczą modernizację zabezpieczeń przeciwpożarowych w przemyśle jądrowym.

Ze względu na skalę modernizacji zabezpieczeń przeciwpożarowych w tych elektrowniach, nastąpiła aktywna współpraca z NFPA w celu opracowania unikalnych rozwiązań problemów technicznych. Na prośbę firmy, NFPA zwołała posiedzenie Komitetu Technicznego ds. Obiektów Jądrowych, odpowiadającego za wdrażanie normy NFPA 805, która dotyczyła ochrony przeciwpożarowej elektrowni z reaktorami lekkowodnymi (ang. light water reactor, LWR), Dało to okazję do rozważenia, w jaki sposób wydajne metody można praktycznie i skutecznie zastosować w czasie modernizacji.

Nasz bohater, system VESDA®, został wybrany z kilku kluczowych powodów. Główne obszary zabezpieczenia dotyczyły obciążenia ogniowego pochodzącego od instalacji elektrycznych i elektronicznych, w systemach, które miały wpływ na bezpieczną pracę reaktora.

Początkowe etapy tego typu pożarów są trudne do wykrycia przy użyciu standardowych punktowych czujek ciepła i dymu. Tradycyjne systemy wykrywania dymu mogą nie zdążyć aktywować się, zanim pożar wymknie się spod kontroli.

Detektory VESDA® zaprojektowane są w oparciu o komorę FLAIR. Jest to rewolucyjna komora detekcyjna będąca głównym elementem detektora, która zapewnia lepsze wykrywanie, ogranicza liczbę̨ fałszywych alarmów, daje lepszą stabilność́, dłuższy okres użytkowania oraz pozwala na analizę̨ zasysanych cząstek pyłów i dymu. Zasysane cząstki obserwowane są za pomocą wewnętrznej kamery z matrycą CMOS, w którą wyposażona jest komora pomiarowa FLAIR.

Należy pamiętać, że czujki ciepła i tryskacze reagują tylko przy określonym poziomie temperatury (około 57 °C), co może pozwolić na rozwój pożaru bez możliwości jego wczesnego wykrycia a tym samym interwencji.

Czujki płomienia wymagają obecności widocznej strefy spalania i mogą pracować nieprawidłowo przez zasłanianie ich pola widzenia przez korytka kablowe, szafki na sprzęt i inne przedmioty.

Bardzo wczesne wykrycie dymu daje największe możliwości wczesnego zbadania wszelkich zagrożeń pożarowych i odpowiedniej reakcji, gdy ryzyko poniesienia dużych strat jest jeszcze niskie. Takie podejście charakteryzuje się kluczowymi aspektami. Otrzymujemy precyzyjną informację oraz niezbędny czas do jej zbadania czy podjęcia działań.
Innymi kluczowymi powodami wyboru systemu zasysającego w obiektach energetyki jądrowej jest łatwość jego instalacji i konserwacji. Zasysająca czujka dymu VESDA® została zaprojektowana z myślą o określonych obszarach operacyjnych, takich jak sterownie, bezobsługowe podstacje i obszary w elektrowniach wymagające pod względem warunków środowiska, w których mogą pojawić się niekorzystne temperatury, wilgoć, zapylenie, promieniowanie jonizujące i silny przepływ powietrza. Elastyczność detekcji poprzez zasysanie dymu pozwala sprostać takim wyzwaniom projektowym dla systemów przeciwpożarowych.

Zasysające systemy dymu różnią się znacznie od konwencjonalnych punktowych czujek dymu. Tak konstrukcja na tyle odbiega od czujek punktowych, że nieuprawnionym jest ich porównywanie. Z uwagi na ogromną popularyzację czujek zasysających obecnie stanowią one odrębną gałęź w technologii przeciwpożarowej.

W przypadku ochrony na otwartej przestrzeni systemy zasysające zwykle składają się z kilku rur ułożonych równolegle nad lub pod sufitem, które biegną w odległości kilku metrów od siebie. Otwory zasysające, również oddalone od siebie o kilka metrów, są wiercone w każdej rurze, aby utworzyć matrycę czyli zbiór punktów próbkowania, zapewniając równomierne rozmieszczenie ich na suficie. Powietrze lub dym są zasysane do rurociągu przez nie i dalej transportowane do bardzo czułego czujnika dymu znajdującego się w pobliżu, wykorzystującego ciśnienie ssania aspiratora, wentylatora lub pompy powietrza. W celu ochrony miejscowej określonego obiektu, punkty próbkowania mogą być doprowadzane do urządzenia i wokół niego za pomocą elastycznych rurek kapilarnych.

Zasysająca czujka dymu VESDA® to udoskonalona forma monitoringu powietrza, która ma kilkaset razy wyższą czułość niż konwencjonalne czujki dymu, ale ze względu na jakość konstrukcji, optyki i elektroniki, jej współczynnik fałszywych alarmów jest wyjątkowo niski.

Detektory VESDA® monitorują wczesne oznaki przegrzania materiałów i zapewniają natychmiastowe wykrycie zdarzeń związanych ze wzrostem temperatury i zagrożeń pożarowych, nawet na kilka godzin przed wystąpieniem potencjalnego pożaru.

W ten sposób, bardzo wczesne ostrzeżenie daje dużo czasu na interwencję obsługi lub reakcję automatyki, na przykład przez zadziałanie wyłącznika energii elektrycznej (po odcięciu dopływu prądu, następuje ELIMINACJA źródła ciepła). Podstawową rolą zasysającej czujki dymu jest zatem zaawansowana ochrona przeciwpożarowa.
Szczególną cechą systemu VESDA® jest jego elastyczność w ustawianiu czułości (poziomy alarmowe czujki można ustawić w zależności od potrzeb). Istnieje możliwość ustawienia czterech poziomów alarmowania: Alarm, Akcja Pożar 1 oraz Pożar 2, stanowiącego potwierdzenie poważnego zdarzenia pożarowego, z opcją aktywacji automatycznego systemu gaśniczego.

Zapewnienie tych programowalnych poziomów alarmowych umożliwia opracowanie kompleksowej strategii reagowania w sytuacjach awaryjnych i kryzysowych. Kontrola wzrostu poziomów alarmowania w odniesieniu do czasu umożliwia precyzyjne zinterpretowania zdarzenia.

W zależności od potrzeb i charakterystyki chronionego obszaru poszczególne progi alarmowe uruchamiają odpowiednie, przyjęte procedury. Narastający wzrost zadymiania aktywuje kolejne progi (przekaźniki):

• ALARM – zwróć uwagę - najczęściej służy do wezwania personelu lub zwrócenia jego uwagi.
• AKCJA – sprawdź zagrożenie - rozpocznie procedurę sprawdzenia, inspekcji chronionego obszaru. Poziom ten może zostać wykorzystany do zaalarmowania kolejnych pracowników za pośrednictwem pagerów lub SMS-ów na telefony komórkowe.
• POŻAR 1 – reaguj - wskazuje, że sytuacja jest poważna i na tym etapie aktywowana jest zaprogramowana matryca sterowań centrali sygnalizacji pożarowej w budynku, np. automatyczne uruchomienie instalacji oddymiającej, rozpoczęcia sekwencji komunikatów przez dźwiękowy system ostrzegawczy czy uruchomienia monitoringu PSP. Na tym etapie można rozpocząć automatyczne wyłączanie instalacji elektrycznych i uruchamianie systemów redundantnych.
• Pożar 2 – automatyka budynkowa - aktywuje się, gdy poziom dymu jest na tyle znaczący, aby przewidzieć, że występujący pożar jest bardzo poważny, a zatem należy uruchomić systemy gaśnicze.

Tak więc, ten jeden system może zapewnić jednocześnie bardzo wczesne ostrzeżenie o potencjalnym zagrożeniu, a także zainicjować gaszenie na znacznie późniejszym etapie.

Unikalnym aspektem systemu wykrywania VESDA® jest spójność działania przez cały okres eksploatacji czujki. Ze względu na jakość konstrukcji czujnika oraz opatentowane mechanizmy zapobiegające zanieczyszczeniu optyki, czujki VESDA zapewniają tak zwane „absolutne wykrywanie dymu”. Detektor VESDA® nie wykorzystuje metod kompensacji ani względnego skalowania. Takie metody mają na celu dostosowanie progów alarmowych ustalonych podczas uruchamiania, aby uwzględnić stopniowe zanieczyszczanie optyki. Takie zanieczyszczenie powoduje nieokreśloną, ale zauważalną kombinację utraty wzmocnienia detektora (zmniejszona czułość czujnika) i zwiększonego zgłaszanego poziomu sygnału tła (szum czujnika). W zależności od równowagi tych dwóch efektów i metody kompensacji, takie czujki charakteryzują się zmniejszoną czułością na powstające pożary i zwiększonym ryzykiem generowania fałszywych alarmów. Marginesy bezpieczeństwa mogą zostać utracone bez żadnego ostrzeżenia.

Dzięki chronionej optyce i mechanizmowi „absolutnego wykrywania dymu”, czujki VESDA® mogą działać bez konieczności regulacji progów alarmowych. Zakresy te ustalone na samym początku, podczas rozruchu, pozostają niezmienione. Nie ma potrzeby ponownej kalibracji. Kolejne zalety to brak ryzyka utraty czułości w czasie, zapewnienie powtarzalności próbkowania i bezawaryjności.

Amerykańska Komisja Regulacji Jądrowych zidentyfikowała ryzyko związane z systemami, w których zmienia się czułość bez żadnego ostrzeżenia, i wymaga, aby redukcje czułości były potraktowane w analizie ryzyka pożarowego PRA (ang. probabilistic risk assessment) jako zmniejszenie skuteczności systemu.

Absolutne wykrywanie dymu to funkcja oferowana wyłącznie przez zasysające czujki dymu. Biorąc pod uwagę wysoką wartość materialną zabezpieczanych obiektów oraz nieocenioną wartość ludzkiego życia, absolutne wykrywanie dymu ma kluczowe znaczenie dla bardzo wczesnego rozpoznawania zagrożeń pożarowych i uruchamiania systemów ostrzegania o niebezpieczeństwie.

Podsumowanie i zakończenie

Zarówno w kraju, jak i na świecie, istnieje tendencja mająca w zamierzeniu wprowadzenie wydajnych metod opartych na analizie ryzyka do praktyki inżynierii bezpieczeństwa pożarowego. Ruch ten istnieje nie tylko wśród ogólnej społeczności ochrony przeciwpożarowej, a także w społeczności ochrony przeciwpożarowej pracującej na rzecz elektrowni jądrowych (ang. nuclear power plant, NPP). Amerykańska Komisja Regulacji Jądrowych (ang. Nuclear Regulatory Commission, NRC) wykorzystywała informacje oparte na analizie ryzyka jako część swoich decyzji regulacyjnych począwszy od lat 90. XX w. W 2002 roku stowarzyszenie National Fire Protection Association (NFPA) wydało wspomnianą normę NFPA 805 „Performance-Based Standard for Fire Protection for Light-Water Reactor Electric Generating Plants”. Specjaliści zajmujący się ochroną przeciwpożarową elektrowni jądrowych korzystają z podejścia i spostrzeżeń opartych na analizie ryzyka i wyników (ang. Risk-Informed and Performance-Based Decision Making, RI¹/PB²), aby podejmować decyzje dotyczące ochrony przeciwpożarowej. Jednym z takich strategicznych wyborów, poprawiających bezpieczeństwo pożarowe w obiektach energetyki jądrowej, jest zastosowanie zasysających czujek dymu. Natomiast skuteczność działania wszystkich zabezpieczeń przeciwpożarowych można zweryfikować poprzez wykonanie symulacji przy użyciu dedykowanych programów CFD (ang. computational fluid dynamics, nie mylić z „contract for difference”).

Autor artykułu: mł. bryg. dr inż. Norbert Tuśnio
doktor budownictwa, Kierownik Pracowni Treningu Wspomagającego Dowodzenie w Szkole Głównej Służby Pożarniczej.

¹RI – Proces podejmowania decyzji oparty na ryzyku. Zapewnia uzasadnioną podstawę do podejmowania decyzji i pomaga zidentyfikować największe ryzyka i ustalić priorytety działań w celu ich zminimalizowania lub wyeliminowania.

²PB – Oparty na prawdopodobieństwie występowania kombinacji zagrożeń oraz podejmowaniu decyzji biznesowych w oparciu o wyniki. Polega na sprawdzeniu danych biznesowych przed ustaleniem strategii lub podjęciem działań. Chodzi o zrozumienie swoich mocnych i słabych stron jako organizacji, aby mieć większe zaufanie do wyników wszelkich rozważanych strategii.

Opracowano na podstawie: „VESDA by Xtralis – Very Early Warning Aspirating Smoke Detection in Nuclear Power Facilities” oraz „Verification and Validation of Selected Fire Models for Nuclear Power Plant Applications: Fire Dynamics Simulator (FDS)”