新聞主題	核安全級柴油發(fā)電機組分級、性能與試驗

 

摘要：核安全級柴油發(fā)電機組主要應(yīng)用于核電站應(yīng)急備用電力系統(tǒng)，在核電站應(yīng)急電力系統(tǒng)失去廠外電源后向安全系統(tǒng)設(shè)備以及其他指定的非安全系統(tǒng)設(shè)備提供電源，保證核安全級或安全相關(guān)級的設(shè)備執(zhí)行其功能。康明斯電力技術(shù)有限公司產(chǎn)品性能滿足核安全法規(guī)要求，于2003年批準投入正式生產(chǎn)，產(chǎn)品能保證在地震發(fā)生時或地震后設(shè)備均能啟動并滿足對核安全級柴油發(fā)電機組的基本性能要求。

 

一、項目概述及設(shè)備分級

 

      核安全級柴油發(fā)電機組基本的技術(shù)要求分為機械設(shè)備安全級；電氣1E級；抗震I類；質(zhì)保QA1級。

1、機械設(shè)備安全級

      機械設(shè)備安全級是在核電站應(yīng)急電力系統(tǒng)失去廠外電源后在任何設(shè)計基準事件發(fā)生時和發(fā)生后都必須具有運行能力，向安全系統(tǒng)設(shè)備以及其他指定的非安全系統(tǒng)設(shè)備提供電源，這些設(shè)備和系統(tǒng)是完成反應(yīng)堆緊急停堆、安全殼隔離、堆芯冷卻以及從安全殼和反應(yīng)堆排出熱量所必須的，或者是防止放射性物質(zhì)向環(huán)境大量排放所必須的。

2、電氣1E級

      電氣1E級是指核安全級柴油發(fā)電機組為1E級電力系統(tǒng)設(shè)備，主要作用是為反應(yīng)堆停堆系統(tǒng)、專設(shè)安全設(shè)施和輔助支持設(shè)施供電。

3、抗震I類

      抗震I類是設(shè)備應(yīng)能承受在廠區(qū)內(nèi)可能遭受的一次最大地面運動（OBE）和在廠區(qū)內(nèi)可能發(fā)生的最大地震（SSE）并保證在地震發(fā)生時或（和）地震后均能履行其安全功能。

4、質(zhì)保QA1級

      質(zhì)保QA1級是核安全級設(shè)備必須滿足的，包括管理性和技術(shù)性質(zhì)保。

      核安全級柴油發(fā)電機組除了必須滿足其使用性能要求外，其關(guān)鍵技術(shù)就是從結(jié)構(gòu)設(shè)計上必須保證在地震發(fā)生時或（和）地震后發(fā)電機組均能啟動并滿足對它的基本性能要求。

 

二、技術(shù)方案

 

      核安全級柴油發(fā)電機組包括柴油機、發(fā)電機、抗震底座、冷卻水箱、啟動蓄電池組、減震橡膠墊、安裝底板和系統(tǒng)集成的控制柜和開關(guān)柜等。核安全級柴油發(fā)電機組的最大特點是結(jié)構(gòu)上強大的抗地震功能。在地震發(fā)生時或（和）地震后發(fā)電機組均能啟動并滿足對它的基本性能要求。

1、結(jié)構(gòu)特點

      柴油機和發(fā)電機通過飛輪殼和連接套對中定位方連接，柴油機的飛輪盤和發(fā)電機的連接盤用螺栓連接傳遞動力。散熱水箱是發(fā)電機組的散熱器，由柴油機驅(qū)動風(fēng)扇把冷風(fēng)吹進散熱水箱的散熱片間隙，將冷卻水的熱量傳遞給大氣，降低冷卻水的溫度。抗震底座是發(fā)動機和發(fā)電機的公共底座，其結(jié)構(gòu)是一個剛性的鋼結(jié)構(gòu)框架。柴油機、發(fā)電機和散熱水箱直接安裝在公共底座上。安裝底板是安裝橡膠減震墊用的，其通過二次灌漿用錨定螺釘固定在基礎(chǔ)上，機組的抗震底座下面安裝橡膠減震墊并固定在安裝底板上。啟動蓄電池組為柴油機的直流啟動電動機提供電力，直流啟動電動機帶動曲軸旋轉(zhuǎn)，使柴油機啟動。啟動蓄電池組布置在靠近發(fā)電機組啟動電動機的基礎(chǔ)上并給予固定。控制柜是發(fā)電機組的控制系統(tǒng)總成，包括啟動，保護，通信等各種功能。開關(guān)柜是發(fā)電機組電力輸出的總開關(guān)，用于連接發(fā)電機組和負載。控制柜和開關(guān)柜兩個柜拼在一起并固定在機房內(nèi)適當?shù)奈恢谩?/span>

2、部件組成

      如圖1所示是核安全級柴油發(fā)電機組結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示是三維演示圖，結(jié)合這兩幅圖對核安全級柴油發(fā)電機組的特點做進一步說明。

（1）整體結(jié)構(gòu)柴油機和發(fā)電機通過飛輪殼和連接套對中定位連成一體，柴油機的飛輪盤和發(fā)電機的連接盤用螺栓連接傳遞動力。由于柴油機的飛輪殼和發(fā)電機的連接套具有足夠的剛性和強度，其定位凸臺和止口與軸的同軸度精度很高，能保證柴油機和發(fā)電機連接的同軸度和整體剛度。最大限度地減少發(fā)電機組運轉(zhuǎn)時主軸上的扭振。

柴油機、發(fā)電機和散熱水箱直接安裝在公共底座上，其相互位置定位準確，連接強度高。

（2）抗震底座其結(jié)構(gòu)是一個剛性的鋼結(jié)構(gòu)箱型框架。在柴油機和發(fā)電機支腳安裝部位都有相應(yīng)的橫梁補強，以確保底座的強度和剛度。

（3）橡膠減震墊布置在抗震底座和基礎(chǔ)安裝底板之間，有效地隔斷發(fā)電機組運轉(zhuǎn)時的震動向基礎(chǔ)傳遞和緩沖地震時地震波對發(fā)電機組的沖擊。

（4）抗震底座上安裝的部件采用特別的加固措施，安裝重心較高的散熱水箱兩側(cè)面加裝水箱支架，以形成三角形支撐結(jié)構(gòu)，增加水箱的穩(wěn)定性。安裝位置較高的空濾器，其支架采用雙柱龍門架結(jié)構(gòu)，增加了抗震功能。

（5）系統(tǒng)集成的控制柜和開關(guān)柜采用整體框架式結(jié)構(gòu)，梁與柱的結(jié)點都用三角支撐件緊固加強，所有側(cè)板、頂板、底板折邊嵌入框架并用螺釘緊固，門板折邊成型并適當布置加強梁予以加強，這兩個柜上面安裝的電氣元器件也用夾板，卡夾和扎帶等予以限位，固定和扎緊。兩面柜子側(cè)面拼接在一起增加了系統(tǒng)的剛性，底架和底板通過預(yù)埋螺栓有效地鎖緊在基礎(chǔ)上，能有效抵抗振動的沖擊。

      核安全級柴油發(fā)電機組相對普通發(fā)電機組來說有更加嚴格的要求，如100次的啟動加載不允許有一次失敗；在發(fā)電機組使用所在地最大烈度地震災(zāi)害中發(fā)電機組應(yīng)能順利啟動并在規(guī)定時間內(nèi)能分批帶載。所以必須經(jīng)過一系列檢查、試驗和專家鑒定以證明發(fā)電機組達到了安全級的要求。同時發(fā)電機組必須通過電氣性能的常規(guī)試驗、啟動和加載試驗、負載能力試驗、裕度試驗、抗震試驗和震后功能試驗。所有試驗合格并經(jīng)專家委員會鑒定通過之后，這個柴油發(fā)電機組才能認定為核安全級柴油發(fā)電機組。

 

圖1 核安全級柴油發(fā)電機組結(jié)構(gòu)示意圖

圖2  核安全級柴油發(fā)電機組三維演示圖

 

三、設(shè)備性能參數(shù)

 

      主要性能指標包括：

（1）柴油發(fā)電機組額定輸出功率、電壓、電流、頻率、轉(zhuǎn)速。

（2）供貨設(shè)備壽命為30年，等效3000h可用（可更換磨損件）。

（3）每套啟動系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)保證可以連續(xù)成功啟動5次。

（4）柴油發(fā)電機組在收到啟動信號10s內(nèi)應(yīng)能達到穩(wěn)定的額定頻率和額定電壓，并按規(guī)定程序帶載。

（5）發(fā)電機組及其輔助系統(tǒng)具有高度的啟動和運行的可靠性，發(fā)電機組在壽命期內(nèi)自啟動的失效率不大于1％。

（6）發(fā)電機組應(yīng)能保證其30％額定功率的電動機的直接啟動，其中包括單臺最大功率電動機（90kW），并能夠承受50％額定功率的突加負載。

（7）柴油發(fā)電機組在接到應(yīng)急啟動信號后，兩臺發(fā)電機組同時啟動，首先達到額定電壓、頻率的發(fā)電機組開始帶載，如果該機運行正常，另一臺發(fā)電機組空載半小時后停機（空載后發(fā)電機組的運行按有關(guān)標準執(zhí)行）；如果帶載的發(fā)電機組出現(xiàn)故障報警，另一臺發(fā)電機組自動啟動，啟動成功后自動切換帶載。

（8）發(fā)電機組連續(xù)100次啟動試驗無失敗。

 

四、柴發(fā)抗震試驗

 

      以某核電工程核安全級柴油發(fā)電機組在 地震模擬振動臺上的抗震試驗為例，試驗內(nèi)容分為兩個部分。一是發(fā)電機組結(jié)構(gòu)的動力特性試驗，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(xù)激振，測定發(fā)電機組結(jié)構(gòu)三個方向的自振頻率以及阻尼比。二是發(fā)電機組抗震性能考核試驗，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(yīng)譜為柴油發(fā)電機組機房標高為0.0m樓層的加速度反應(yīng)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(luò)試驗要求的反應(yīng)譜。OBE人工地震波采用的是阻尼比ξ=2%的反應(yīng)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(yīng)譜所生成的人工地震波。試驗時向三根優(yōu)選軸同時輸入激勵波，人工地震波應(yīng)有6個強周期波。人造地震加速度時程應(yīng)在包括樓板反應(yīng)譜的整個頻段為0.5～34Hz，持續(xù)時間為3。如果5Hz以下沒有共振點，則要求響應(yīng)譜在3.5Hz以上被包絡(luò)。

1、試驗步驟

（1）設(shè)備的安裝

      安全級應(yīng)急發(fā)電機組樣機的底座和配套集成的控制柜和開關(guān)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(yīng)急發(fā)電機組樣機及控制安裝。

（2）傳感器測點布置

      安全級應(yīng)急發(fā)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個單向變測點，共3個應(yīng)變計。其中，對于加速度測點，水箱頂部的A1測點X、Y、Z向分別是1、1.3通道；柴油機飛輪上方的A2測點X、Y、Z向分別是4、5、6通道；柴油機機體上部的A3測點X、Y、Z向分別是7、8、9通道；控制屏拉器上部的A4測點X、Y、Z向分別是10、11、12通道；控制屏頂部的AS測點X、Y、Z別是13、14、15通道；發(fā)電機后端中部的A6測點X、Y、Z向分別是16、17、18通道；根部的A7測點X、Y、Z向分別是19、20、21通道；開關(guān)柜頂部的A8測點X、Y、Z向分別是22、、23、24通道；開關(guān)安裝板上面的A9測點X、Y、Z向分別是25、26、27通道；振上的A1到分別是28、29、30通道。對于應(yīng)變測點，控制屏根部的S點是1通道；機組根部的S2測點是2通道；開關(guān)安裝板上面的S3測點是3通道。

（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個方向輸人，頻率范圍為0.5～50Hz，激振幅值為0.2gg。為得到較高精度的測量值，激振持續(xù)時間為180s。聲信號經(jīng)處理得到試件結(jié)構(gòu)的自振特性。

      對振動合合面輸人的地震波是按照業(yè)主提供的抗震試驗程序中的反應(yīng)譜生成的。按要求OBE和SSE的反應(yīng)譜應(yīng)取所給不同阻尼比值的反應(yīng)譜并乘以適當?shù)南禂?shù)。其中，OBE為所給幅值x0.65，取阻尼比為2％的反應(yīng)譜來生成；SSE為所給譜幅值x1，取阻尼比4％的反譜來生成。人造地震加速度時程應(yīng)包括樓板反應(yīng)譜的整個頻段0.5～34Hz，持續(xù)時間為30s。

（4）試驗順序

      Y、Z三個方向分別以0.1～50Hz自噪聲隨機波輸入，振動持續(xù)時間為180s，幅值為0.2g，測量被測設(shè)備的自振頻率及阻尼比。被測發(fā)電機組在空載啟動時須檢測其電氣性能。

2、試驗合格判斷

（1）所進行試驗的發(fā)電機組設(shè)備在人工地震振動過程中應(yīng)處于良好的可運行狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)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(fā)電機組進行空載啟動。發(fā)電機組啟動時，監(jiān)測發(fā)電機組的電壓、頻率等運行參數(shù)，發(fā)電機組應(yīng)在規(guī)定時間內(nèi)建立穩(wěn)定的電壓和頻率。

（3）抗震試驗結(jié)束后必須對機組進行最終檢驗，應(yīng)對設(shè)備的外型、結(jié)構(gòu)和功能進行測試和檢查，并與試驗前的基準數(shù)據(jù)相比，以證明設(shè)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(fā)電機組的抗震試驗受到振動臺設(shè)備能力的限制，目前只能做2000kW以下功率段機組的試驗，2000kW以上功率段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(guān)核安全監(jiān)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(jīng)過抗震試驗的設(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所帶來的累計的應(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。

 

總結(jié)：

      康明斯公司供應(yīng)核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機組，機組功率范圍從500KW~2200KW。柴油機是核電站安保發(fā)電機組的重要組成部分。當確保快速啟動和高可靠性時，柴油發(fā)動機一直是技術(shù)首選，在核電站，這沒有什么不同。現(xiàn)代應(yīng)急柴油發(fā)電機組性能優(yōu)越、可靠性高，在同類產(chǎn)品中具有輸出功率大、效率高、低燃油消耗、加速和帶載啟動快、易維護保養(yǎng)、環(huán)保、震動小、低噪音等優(yōu)點。其卓越的品質(zhì)和出色的表現(xiàn)贏得了世界各地用戶的信任和認可。作為具有豐富經(jīng)驗的電站EPC承包商，康明斯公司可根據(jù)用戶的要求對電站的交鑰匙工程提供完美的服務(wù)。

 

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