新聞主題	柴油發電機組的抗震試驗方法

 

摘要：對于安全級柴油發電機組來說，抗震鑒定是其必須鑒定的主要部分內容。通過抗震試驗，測定安全級柴油發電機組的自振頻率、振型、阻尼等振動參數和地震反應，考核柴油發電機組的剛度（變形）、強度和位移，驗證柴發在地震載荷的作用下能否正常工作，保持其完整性和可運行性，以履行柴油發電機組安全功能。康明斯公司在本文以某核電工程核安全級柴油發電機組在地震模擬振動臺上的抗震試驗為例，簡要介紹核安全級柴油發電機組抗震試驗方法。

 

一、試驗依據

 

      核級柴油發電機組的主要功能是當核電廠正常電力供應發生意外事故時，對整個核電廠應急供電，使反應堆保持在安全狀態。當發生地震時，應急機組應在規定時限內迅速啟動，短時間內達到額定轉速和電壓，并接受相應的負荷。這就要求應急機組具有良好的抗震性能和快速啟動能力。

      本試驗按照經國家核安全局批準的《安全級應急柴油發電機組樣機抗震試驗程序》所規定的內容進行。試驗程序所引用文件有：

（1）GB/T12727-2002《核電廠安全系統電氣設備質量鑒定》；

（2）GB13625-92《核電廠安全系統電氣設備抗震鑒定》；

（3）EJ625-2004《核電廠備用電源用柴油發電機組準則》；

（4）EJ628-1999《核電廠安全級連續工作制電動機的質量鑒定》；

（5）HAFJ0053-1995《核設備抗震鑒定測試指南》；

（6）IEEE344《推薦的核電廠1E物項抗震鑒定標準》；

（7）IEEE387-1995《IEEE Standard Criteria for Diesel-Generator Units Applied as Standby Power Supplies for Nuclear Power Generating Stations》。

      核級柴油發電機組設備屬核安全3級，抗震1A類設備，根據相關規范要求，該設備必須進行抗震檢驗。對機械設備既可以通過試驗法進行抗震鑒定，也可以通過分析法來進行抗震檢驗。通過試驗來進行抗震檢驗是非常直觀的，也是國內一直用于檢驗復雜核設備抗震性能的方法。但該方法不但耗費巨大的人力物力，而且周期長。日本多渡津工程研究所從1987—1991年利用超大型地震臺進行了1100 MW核電廠應急機組地震考核。隨著計算機輔助工程的發展，國外已經開始采用數值模擬方法來對復雜核設備的抗震性能進行檢驗。法國SACM公司用分析方法對應急機組進行了抗震性能檢驗。我國已投入運行的核反應堆中，早期大都采用抗震試驗(如HTR-10)，隨著研究工作的深入，近年來越來越多的是通過分析方法進行柴油發電機組的抗震鑒定(如CARR)，并得到了相關部門的認可。

 

圖1  C3300D5型康明斯柴油發電機組平面結構圖（核安全級）

圖2  C3300D5型康明斯柴油發電機組側面結構圖（核安全級）

 

二、試驗內容

 

      安全級柴油發電機組是一個非常復雜的系統，對應急機組進行抗震分析的最終目的是為安全評定提供該設備在設定地震載荷作用下的結構完整性和可運行性的資料。本文選取典型設備的柴油機、發電機、公用底座、增壓器以及連接螺栓進行抗震分析。試驗內容分為兩個部分。

1、動力特性試驗

      用自噪聲隨機波沿X（南北向）、Y（東西向）、Z三個方向分別進行連續激振，測定發電機組結構三個方向的自振頻率以及阻尼比。

2、抗震性能考核試驗

      抗震性能考核試驗由5次OBE（運行基準地震）和一次SSE（安全停堆地震）地震波激振組成。

      地震考核試驗采用的反應譜為柴油發電機組機房標高為0.0m樓層的加速度反應譜對X、Y和Z三方向輸入的波形適當放大10％，以保證臺面實際波形包絡試驗要求的反應譜。OBE人工地震波采用的是阻尼比ξ＝2％的反應譜，加速度幅值為生成地震波的0.65倍的人工地震波。SSE人工地震波則直接采用阻尼比ξ＝4％的反應譜所生成的人工地震波。試驗時向三根優選軸同時輸入激勵波，人工地震波應有6個強周期波。人造地震加速度時程應在包括樓板反應譜的整個頻段為0.5～34Hz，持續時間為30s。如果5Hz以下沒有共振點，則要求響應譜在3.5Hz以上被包絡。

 

三、試驗步驟

 

1、設備的安裝

      安全級應急發電機組樣機的底座和配套集成的控制柜和開關柜分別通過連接鋼板，用螺栓固定在模擬地震振動臺上。安全級應急發電機組樣機及控制柜和開關柜安裝。

2、傳感器測點布置

      安全級應急發電機組樣機上布置有10個三方向的加速度測點，共30個加速度計和3個單向應變測點，共3個應變計。柴油發電機組測點布置圖（參見圖3）。

（1）對于加速度測點，水箱頂部的A1測點X、Y、Z向分別是1、2、3通道；

（2）柴油機飛輪上方的A2測點X、Y、Z向分別是4、5、6通道；

（3）柴油機機體上部的A3測點X、Y、Z向分別是7、8、9通道；

（4）控制屏內主控器上部的A4測點X、Y、Z向分別是10、11、12通道；

（5）控制屏頂部的A5測點X、Y、Z向分別是13、14、15通道；

（6）發電機后端中部的A6測點X、Y、Z向分別是16、17、18通道；

（7）發電機組根部的A7測點X、Y、Z向分別是19、20、21通道；

（8）開關柜頂部的A8測點X、Y、Z向分別是22、23、24通道；

（9）開關安裝板上面的A9測點X、Y、Z向分別是25、26、27通道；

（10）振動臺臺面上的A10測點X、Y、Z向分別是28、29、30通道。

（11）對于應變測點，控制屏根部的S1測點是1通道；

（12）發電機組根部的S2測點是2通道；

（13）開關安裝板上面的S3測點是3通道。

 

圖3    安全級應急發電機組樣機測點布置. A1-水箱頂部；A2-柴油機飛輪上方； A3-柴油機機體上部；A4、A5-控制 ；A10-振動臺臺面上； A6-發電機后端中部； A7、A8-開關柜頂部； A9-開關安裝板上面 ； S1、S2、S3-開關安裝板上面

 

 

3、臺面輸入波形

      用自噪聲隨機波激振測自振頻率。自噪聲激振輸入分別以X、Y、Z3個方向輸入，頻率范圍為0.5～50Hz，激振幅值為0.2g。為得到較高精度的測量值，激振持續時間為180s。自噪聲信號經處理得到試件結構的自振特性。

      對振動臺臺面輸入的地震波是按照業主提供的抗震試驗程序中的反應譜生成的。按要求OBE和SSE的反應譜應取所給不同阻尼比值的反應譜并乘以適當的系數。其中，OBE為所給譜幅值×0.65，取阻尼比為2％的反應譜來生成；SSE為所給譜幅值×1，取阻尼比4％的反應譜來生成。人造地震加速度時程應包括樓板反應譜的整個頻段0.5～34Hz，持續時間為30s。

4、試驗順序

      X、Y、Z三個方向分別以0.1～50Hz自噪聲隨機波輸入，振動持續時間為180s，幅值為0.2g，測量被測設備的自振頻率及阻尼比。

（1）第一次OBE地震考核試驗；

（2）第二次OBE地震考核試驗；

（3）第三次OBE地震考核試驗；

（4）第四次OBE地震考核試驗；

（5）第五次OBE地震考核試驗，空載啟動發電機組；

（6）第一次SSE地震考核試驗，空載啟動發電機組；

      被測柴油發電機組在空載啟動時須檢測其電氣性能。

 

四、試驗結果

 

1、被測設備的自振頻率及阻尼比

 

      分別沿X、Y、Z三個方向用自噪聲輸入進行激振，各響應測點的加速度信號經處理后得到一組頻響函數幅值曲線。試件的自振頻率及阻尼比見表1。

表1    安全級應急發電機組樣機自振頻率及阻尼比

      安全級應急發電機組樣機本身剛度較大，但由于底座下加裝減震器后導致整體剛度有所下降。從自噪聲激振并通過數據處理得到的傳遞函數幅值曲線可知，發電機組樣機X向的基頻5.882Hz，Y向的基頻8.053Hz，Z向的基頻14.453Hz。

2、向OBE反應譜及生成的地震波曲線

      X向（通道1）、Y向（通道2）、Z向（通道3）OBE反應譜及生成的地震波曲線如圖5所示。

 

圖4    X、Y和Z向OBE反應譜及生成的地震波曲線圖

 

      從振動臺臺面實際采集記錄的三個方向加速度時程計算出反應譜曲線可看到，OBE地震波的實際反應譜已包絡期望反應譜。

3、向SSE反應譜及生成的地震波曲線

      X向（通道1）、Y向（通道2）、Z向（通道3）SSE反應譜及生成的地震波曲線如圖6所示。

      從振動臺臺面實際采集記錄的三個方向加速度時程計算出反應譜曲線可看到，SSE地震波的實際反應譜已包絡期望反應譜。

 

圖5    X、Y和Z向SSE反應譜及生成的地震波曲線圖

 

五、試驗合格判斷

 

（1）所進行試驗的發電機組設備在人工地震振動過程中應處于良好的可運行狀態，其結構連接件無松動脫落，各焊接部位牢固無裂紋。試驗樣機無漏油、漏水漏氣，電氣線路布線整齊，連接性能良好。

（2）在第五次OBE和第一次SSE地震考核試驗時對發電機組進行空載啟動。發電機組啟動時，監測發電機組的電壓、頻率等運行參數，發電機組應在規定時間內建立穩定的電壓和頻率。

（3）抗震試驗結束后必須對發電機組進行最終檢驗，應對設備的外型、結構和功能進行測試和檢查，并與試驗前的基準數據相比，以證明設備在地震后的完整性、功能性和可運行性，必要時可拆卸檢查。

（4）安全級柴油發電機組的抗震試驗受到振動臺設備能力的限制，目前只能做2000kW以下功率段發電機組的試驗，2000kW以上功率段發電機組的抗震鑒定只能通過分析計算來進行，但分析計算的軟件必須是可靠的，有足夠的精確度的，且得到有關核安全監管部門的認可。

      地震模擬振動臺上的抗震試驗為破壞性試驗，經過抗震試驗的設備一般不應作為產品安裝于核電站，除非能證明由于抗震鑒定試驗所帶來的累計的應力循環所引起的疲勞不會使設備降級，影響其履行安全功能的能力。

 

總結：

      為驗證核安全級柴油發電機組的抗震I類功能，必須進行柴油發電機組的抗震鑒定。通過進行抗震鑒定驗證其各組成部分在地震荷載的作用下是否能夠保持完整，正常運行，在多大的荷載下回破壞發電機組的整體結構，影響發電機組的正常運行。在鑒定的時候，應按照鑒各部件尺寸、形狀以及復雜程度來確定相應的鑒定方法。抗震鑒定可采用分析方法、試驗方法或分析與試驗相結合的方法。另外，還可采用經驗反饋方法進行推理論證。當分析不足以合理又可信地證實抗震I類設備的完整性和可運行性時，必須用試驗法進行鑒定。上述文章所列內容只介紹核安全級柴油發電機組在地震模擬振動臺上的抗震試驗方法，若需了解其他內容請在康明斯官網搜索相關關鍵詞。

 

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