新聞主題	核安全級柴油發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)依據(jù)

 

摘要：在廠外主電源廠外輔助電源均失去的情況下，每臺應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組有能力滿足應(yīng)急廠用設(shè)備用電要求，以確保反應(yīng)堆的安全停堆；并且防止由于正常的外部電源系統(tǒng)失電而導(dǎo)致重要設(shè)備的損壞。每個(gè)核電發(fā)電機(jī)組的設(shè)備為兩臺獨(dú)立的、互為備用的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組。作為保證核電站安全的關(guān)鍵設(shè)備之一，核電柴油發(fā)電機(jī)組必須具有非常高的可靠性，對發(fā)電機(jī)組功率、起停機(jī)、調(diào)速、抗震、可靠度以及使用壽命等相關(guān)指標(biāo)有極高要求。

 

一、設(shè)備概述

 

      CPR1000核電站的每臺核電發(fā)電機(jī)組應(yīng)配置2臺100％容量的．EDG，均處于熱備用狀態(tài)，隨時(shí)準(zhǔn)備啟動發(fā)電。按照國際核安全運(yùn)行的最新規(guī)定，CPR1000核電站在廠內(nèi)增設(shè)一臺獨(dú)立運(yùn)行的同容量輔助柴油發(fā)電機(jī)組，當(dāng)其他EDG進(jìn)行定期檢修維護(hù)時(shí)，則可切換備用。

      在核電站中，電氣設(shè)備分為1E級（安全級）與非1E級（非安全級）。應(yīng)急電源系統(tǒng)（傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括EDG、蓄電池組、充電器和有關(guān)配電裝置等）屬于1E級設(shè)備，在外部斷電時(shí)，EDG立即啟動發(fā)電，向核反應(yīng)堆的安全保護(hù)和冷卻/散熱/通風(fēng)等系統(tǒng)提供應(yīng)急供電，執(zhí)行相關(guān)的核安全功能。

      應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)備抗震要求為抗震I類，其中柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、燃油輸送泵及電機(jī)、風(fēng)扇冷卻器及電機(jī)設(shè)備為1A類，即這些設(shè)備在所有地震條件下不僅能保證結(jié)構(gòu)完整，還要能持續(xù)可靠運(yùn)行。須滿足以下兩種地震條件：安全停堆地震SSE與運(yùn)行基準(zhǔn)地震OBE。SSE時(shí)的地震加速度值是OBE時(shí)的2倍。OBE的地震水平與垂直加速度，在地面上的峰值設(shè)定為0.2g和0.133g。

 

二、設(shè)計(jì)依據(jù)

 

      核安全級柴油發(fā)電機(jī)組遵循的主要法規(guī)、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)包括：

1、HAF003核電廠質(zhì)量保證安全規(guī)定；

2、HAD003系列核電廠質(zhì)量保證中與設(shè)計(jì)及物項(xiàng)制造等有關(guān)的安全導(dǎo)則；

3、HAD102系列核電廠設(shè)計(jì)中與應(yīng)急動力系統(tǒng)及抗震設(shè)計(jì)、鑒定有關(guān)的安全導(dǎo)則；

4、RCC-M法國壓水堆核電站核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)制造規(guī)范；

5、RCC-E法國壓水堆核電站核島電氣設(shè)備設(shè)計(jì)制造規(guī)范；

6、IEEE387核電站備用電源用柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；

7、IEEE649 備用電源用柴油發(fā)電機(jī)組定期檢測標(biāo)準(zhǔn)；

8、IAEA 50-SG-D1沸水堆、壓水堆核電站安全功能和部件的分級規(guī)范；

9、ISO 8528 往復(fù)式內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組；

10、ISO 3046 往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)性能；

11、IEC60034 國際電工協(xié)會旋轉(zhuǎn)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)；

12、KTA 3702 德國民用核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)備。

 

三、核級應(yīng)急柴發(fā)總體設(shè)計(jì)

 

1、設(shè)計(jì)要求

      根據(jù)核電站應(yīng)急電源設(shè)計(jì)要求，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)至少必須考慮以下條件：

（1）發(fā)電機(jī)組運(yùn)行壽命；

（2）該設(shè)備安裝的環(huán)境（最高、最低溫度/濕度及其持續(xù)時(shí)間和年平均溫度）；

（3）設(shè)備安裝樓層的地震響應(yīng)譜；

（4）反應(yīng)堆安全停堆負(fù)載特性；

（5）柴油機(jī)進(jìn)口的空氣質(zhì)量（鹽、砂等含量）；

（6）當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Γㄐ杩紤]天氣原因，如龍卷風(fēng)的降壓、持續(xù)時(shí)間和風(fēng)力大小）；

（7）燃油的型號和質(zhì)量；

（8）電廠用水的質(zhì)量；

（9）火災(zāi)的影響等。

2、安全要求

（1）發(fā)電機(jī)組瞬態(tài)加載特性

      為了滿足在突發(fā)事件發(fā)生后反應(yīng)堆能夠安全停堆，要求應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組在接到啟動信號10s內(nèi)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，在45s內(nèi)加載反應(yīng)堆停堆所需的全部載荷。在發(fā)電機(jī)組最初設(shè)計(jì)時(shí)，必須根據(jù)反應(yīng)堆安全停堆負(fù)載特性對發(fā)電機(jī)組的啟動及瞬態(tài)加載能力進(jìn)行計(jì)算模擬。

（2）發(fā)電機(jī)組抗地震計(jì)算/試驗(yàn)

      核電廠的抗震具有特殊的重要性。由于核電廠中許多設(shè)備和部件中聚集著大量的放射性物質(zhì)，一旦遭到地震破壞可能使放射性物質(zhì)外逸，從而對公眾的生命和健康造成危害。如果反應(yīng)堆系統(tǒng)遭受破壞，可能造成核事故，影響的范圍更大。因此，在核電廠的設(shè)計(jì)和建造中必須重視抗震鑒定工作。世界上主要核國家先后建立了一整套有關(guān)抗震鑒定的法規(guī)、導(dǎo)則和規(guī)范，從而為核電廠的抗震安全性提供了保證。

      為了保障在突發(fā)事件發(fā)生后應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組能夠正常為反應(yīng)堆提供電源，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組必須能夠承受當(dāng)?shù)乜赡馨l(fā)生的最大的地震波沖擊。在發(fā)電機(jī)組最初設(shè)計(jì)時(shí)，必須對柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)以及與柴油機(jī)正常運(yùn)行相關(guān)的輔助設(shè)備，根據(jù)各設(shè)備安裝樓層的樓面響應(yīng)譜進(jìn)行抗地震計(jì)算（或試驗(yàn)），該設(shè)備在發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)可以不予考慮。

      為了防止有害振動的傳遞，所有設(shè)備之間的連接需采用撓性管連接，核級設(shè)備之間的管段及其附件同樣也必須進(jìn)行抗地震計(jì)算，保證在地震波沖擊后能夠正常工作。

      為驗(yàn)證核安全級柴油發(fā)電機(jī)組的抗震I類功能，必須進(jìn)行柴油發(fā)電機(jī)組的抗震鑒定。抗震鑒定可采用分析方法、試驗(yàn)方法或分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，另外還可采用經(jīng)驗(yàn)反饋方法進(jìn)行推理論證。如果分析法不足以證實(shí)抗震I類設(shè)備的完整性和運(yùn)行性時(shí)，必須通過試驗(yàn)法進(jìn)行鑒定。

      在通過試驗(yàn)法鑒定時(shí)，必須綜合考慮抗震試驗(yàn)臺的臺面尺寸和承載能力與被試驗(yàn)設(shè)備的體積、重量是否匹配，試驗(yàn)臺的技術(shù)參數(shù)是否滿足抗震試驗(yàn)所有測試項(xiàng)目的要求。

      安全級柴油發(fā)電機(jī)組的抗震試驗(yàn)會受到振動臺設(shè)備能力的限制，目前只能做2000kW以下功率段發(fā)電機(jī)組的試驗(yàn)，2000kW以上功率段發(fā)電機(jī)組的抗震鑒定只能通過分析計(jì)算來進(jìn)行，但分析計(jì)算的軟件必須是可靠的，有足夠的精確度的，且得到有關(guān)核安全監(jiān)管部門的認(rèn)可。

      地震模擬振動臺上的抗震試驗(yàn)為破壞性試驗(yàn)，經(jīng)過抗震試驗(yàn)的設(shè)備一般不應(yīng)作為產(chǎn)品安裝于核電站，除非能證明由于抗震鑒定試驗(yàn)所帶來的累計(jì)的應(yīng)力循環(huán)所引起的疲勞不會使設(shè)備降級，影響其履行安全功能的能力。

（3）發(fā)電機(jī)組振動及扭振

① 發(fā)電機(jī)組振動：

      由于柴油機(jī)屬于往復(fù)式機(jī)械，為了降低柴油機(jī)振動及對周圍設(shè)備的機(jī)械振動影響，在發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)，必須對柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行振動計(jì)算并安裝彈簧阻尼減振器。

② 發(fā)電機(jī)組扭振：

      為了保證柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)組軸系的安全，需要對發(fā)電機(jī)組軸系扭轉(zhuǎn)振動進(jìn)行計(jì)算，保障在運(yùn)行區(qū)域內(nèi)柴油機(jī)軸系應(yīng)力不超過其許用應(yīng)力。

3、燃油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

      由于核級應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組屬于應(yīng)急狀態(tài)下使用，所以不考慮經(jīng)濟(jì)性問題，一般都是采用輕柴油作為燃料，在燃油系統(tǒng)上也不必像負(fù)載電站那樣需要安裝流量計(jì)。

（1）核電廠主儲油罐容量一般要求能滿足發(fā)電機(jī)組在滿負(fù)載下連接運(yùn)行7天的需求，供油裝置原理如圖1所示；日用油箱容量要能保證發(fā)電機(jī)組滿負(fù)載運(yùn)行4h，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（2）為了增加系統(tǒng)的可靠性，從主儲油罐到日用油箱之間利用兩個(gè)并聯(lián)的燃油齒輪泵輸送。日用油箱要設(shè)計(jì)快速燃油泄放口，當(dāng)柴油機(jī)廠房內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，在廠房外能迅速將燃油放回儲油罐。

（3）從日用燃油箱到柴油機(jī)之間需要增加燃油備用泵（與機(jī)帶燃油泵并聯(lián)），以避免在應(yīng)急時(shí)由于機(jī)帶泵損壞而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組不能工作。

 

圖1 柴油發(fā)電機(jī)燃油系統(tǒng)原理圖

圖2  柴油發(fā)電機(jī)組抗震油箱結(jié)構(gòu)安裝圖

 

4、滑油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

      為了保證柴油發(fā)電機(jī)組能在45s內(nèi)迅速加載至滿負(fù)載，要求柴油發(fā)電機(jī)組時(shí)刻處于熱備用狀態(tài)，核級應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組需要增加滑油預(yù)熱系統(tǒng)，一般是通過預(yù)熱高溫水來加熱滑油。在核應(yīng)急柴油機(jī)廠房內(nèi)需要放置滑油補(bǔ)給油箱，補(bǔ)給油箱容量要保證柴油發(fā)電機(jī)組滿功率連續(xù)運(yùn)行7天。滑油通過補(bǔ)給油泵向柴油機(jī)公共底座補(bǔ)油，補(bǔ)給油泵的工作通過柴油機(jī)公共底座液位傳感器控制。控制邏輯如下：

（1）液位過高：報(bào)警、停泵。

（2）液位高：停泵。

（3）液位低：起泵。

（4）液位過低：報(bào)警、起泵。

（5）滑油預(yù)供泵與柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速信號聯(lián)鎖，當(dāng)柴油機(jī)接到啟動信號時(shí)，預(yù)供泵停止運(yùn)行；當(dāng)柴油機(jī)接到停機(jī)信號時(shí)，預(yù)供泵開始運(yùn)轉(zhuǎn)如圖3所示。

5、冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

一般電站冷卻水系統(tǒng)通常有高溫水、低溫水兩路系統(tǒng)，高溫水冷卻缸套、缸蓋等，低溫水冷卻空冷器、滑油。作為核電應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組冷卻水系統(tǒng)有以下兩種方案：

1）重要廠用水冷卻高、低溫水

這種冷卻方式由三路水組成，利用重要廠用水分別冷卻高、低溫水。重要廠用水通過電站的中央冷卻塔冷卻。

2）風(fēng)冷散熱器冷卻高、低溫水

這種冷卻方式通過兩個(gè)大型風(fēng)冷散熱器分別冷卻高、低溫水，這要求風(fēng)冷散熱器、風(fēng)機(jī)必須能夠承受地震載荷，在地震發(fā)生時(shí)能夠正常工作。

為了保證柴油機(jī)隨時(shí)處于熱備用狀態(tài)，在柴油機(jī)不運(yùn)行時(shí)要對柴油進(jìn)行預(yù)熱。預(yù)熱水泵和柴油機(jī)轉(zhuǎn)速聯(lián)鎖，當(dāng)接到柴油機(jī)啟動信號時(shí)，預(yù)熱水泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)接到柴油機(jī)停機(jī)信號時(shí)，預(yù)熱水泵開始運(yùn)轉(zhuǎn)。預(yù)熱水溫度根據(jù)柴油機(jī)性能不同而有所差異。

高、低溫水系統(tǒng)各設(shè)一個(gè)膨脹水箱給系統(tǒng)補(bǔ)充水，高、低溫水系統(tǒng)高點(diǎn)設(shè)置放氣口如圖3所示。

 

圖3  柴油發(fā)電機(jī)滑油系統(tǒng)原理圖

圖4  柴油發(fā)電機(jī)高低溫補(bǔ)水系統(tǒng)原理圖

 

6、進(jìn)排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

      核級應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)氣一般采取室內(nèi)進(jìn)氣，廠房內(nèi)溫度要保持在發(fā)電機(jī)組允許工作范圍內(nèi)，過低的溫度會影響發(fā)電機(jī)組的啟動性能，過高的溫度會降低發(fā)電機(jī)組的輸出功率。

      核級應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組排氣系統(tǒng)盡量短平，避免使用過多的彎頭，盡可能降低柴油機(jī)排氣背壓，否則會降低發(fā)電機(jī)組輸出功率。渦輪增壓器出口要安裝排氣膨脹節(jié)，以補(bǔ)償由溫度變化引起的管道膨脹，管道必須有牢固的支撐點(diǎn)，保障在任何情況下不能將管道重量施加給渦輪增壓器，以免損壞增壓器導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組不能工作。排氣管道上應(yīng)安裝排氣消音器，排氣出口應(yīng)有防雨設(shè)計(jì)。

7、壓縮空氣系統(tǒng)

      目前，大功率柴油機(jī)啟動方式一般分為空氣分配器啟動和空氣電動機(jī)啟動。作為核應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組要采用兩套相互獨(dú)立的啟動系統(tǒng)，以保障在任何一套啟動系統(tǒng)失靈時(shí)，另一套系統(tǒng)仍能夠啟動柴油機(jī)。每套啟動系統(tǒng)由各自獨(dú)立的空氣瓶供氣，兩套空氣壓縮機(jī)的原動力一般情況下也不同，一套是電動機(jī)，另一套是小功率柴油機(jī)。空氣壓縮機(jī)的啟、停由空氣瓶內(nèi)壓力控制，當(dāng)瓶內(nèi)壓力低于下限設(shè)定值空壓機(jī)啟動，當(dāng)瓶內(nèi)壓力大于上限設(shè)定值時(shí)空壓機(jī)停止。

      空氣瓶的容量隨柴油機(jī)耗氣量不同而各有變化，一般必須滿足在空壓機(jī)不工作情況下，空氣瓶內(nèi)空氣能夠滿足柴油機(jī)6次啟動。

      當(dāng)柴油機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)速度較慢時(shí)，可以對渦輪增壓器進(jìn)行吹氣，以加速渦輪的響應(yīng)速度從而提高柴油機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)特性。另外，柴油機(jī)的控制系統(tǒng)，如柴油機(jī)超速保護(hù)，柴油機(jī)啟動、停車，調(diào)速器促動器供氣等都需要由壓縮空氣系統(tǒng)提供氣源，如圖4所示。

 

圖4 柴油發(fā)電機(jī)壓縮空氣系統(tǒng)原理圖

 

8、設(shè)備性能參數(shù)

      主要性能指標(biāo)包括：

（1）發(fā)電機(jī)組使用壽命是40年，等效10000可用小時(shí)（不含起停時(shí)間）。

（2）發(fā)電機(jī)組始終處于預(yù)熱狀態(tài)，確保在收到應(yīng)急啟動信號后10s內(nèi)能夠快速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速和額定電壓，進(jìn)入應(yīng)急帶載狀態(tài)。

（3）100次啟停試驗(yàn)不允許有一次失敗，啟動可靠性不小于99％。壽命期內(nèi)啟動次數(shù)不少于4000次。按照應(yīng)急負(fù)載加載次序，40s內(nèi)帶滿應(yīng)急負(fù)載。

（4）發(fā)電機(jī)組在負(fù)載加載2s內(nèi)，出線電壓恢復(fù)至額定值（6kV）的90％（5.94kV），頻率恢復(fù)至額定值（50Hz）的98％（49Hz）。在帶負(fù)載的全過程中，出線電壓不低于額定值（6kV）的75％（4.95kV），頻率不低于額定值（50Hz）的95％（47.5Hz）。

（5）在甩負(fù)載時(shí)，發(fā)電機(jī)組超速率不超過最大超速設(shè)定值的75％。

（6）發(fā)電機(jī)組在1.2倍額定轉(zhuǎn)速下超速運(yùn)行時(shí)間不少于5s。

（7）發(fā)電機(jī)組每24h連續(xù)運(yùn)行中，允許2h處于110％額定負(fù)載超載荷運(yùn)行。

 

總結(jié)：

      核電各類柴油發(fā)電機(jī)組主設(shè)備采用與核級柴油發(fā)電機(jī)組主設(shè)備不同型號的柴油發(fā)電機(jī)組，額定功率為200～9500kW，作為核級柴油發(fā)電機(jī)組的備用機(jī)組，向安全停堆有關(guān)負(fù)載提供充足、可靠的電力，保證堆芯的冷卻及余熱的排出。國產(chǎn)化研制成功，打破了依賴國外設(shè)備的局面，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，降低了成本，便于運(yùn)行維護(hù)，為核電設(shè)備國產(chǎn)化打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，對我國核電行業(yè)其他設(shè)備國產(chǎn)化具有推動作用，為提升核電廠安全防御能力提供了可靠的設(shè)備，為我國核電發(fā)展中對不同功率檔次備用電源選擇提供了便利和條件，也為其他行業(yè)柴油發(fā)電機(jī)組的集成提供了優(yōu)化的、結(jié)構(gòu)緊湊的、運(yùn)行安全可靠的技術(shù)支撐。

 

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