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核安全級柴油發(fā)電機組的設計依據(jù) |
摘要：在廠外主電源廠外輔助電源均失去的情況下，每臺應急柴油發(fā)電機組有能力滿足應急廠用設備用電要求，以確保反應堆的安全停堆；并且防止由于正常的外部電源系統(tǒng)失電而導致重要設備的損壞。每個核電發(fā)電機組的設備為兩臺獨立的、互為備用的應急柴油發(fā)電機組。作為保證核電站安全的關鍵設備之一，核電柴油發(fā)電機組必須具有非常高的可靠性，對發(fā)電機組功率、起停機、調(diào)速、抗震、可靠度以及使用壽命等相關指標有極高要求。
一、設備概述
CPR1000核電站的每臺核電發(fā)電機組應配置2臺100％容量的．EDG，均處于熱備用狀態(tài)，隨時準備啟動發(fā)電。按照國際核安全運行的最新規(guī)定，CPR1000核電站在廠內(nèi)增設一臺獨立運行的同容量輔助柴油發(fā)電機組，當其他EDG進行定期檢修維護時，則可切換備用。
在核電站中，電氣設備分為1E級（安全級）與非1E級（非安全級）。應急電源系統(tǒng)（傳統(tǒng)的設計包括EDG、蓄電池組、充電器和有關配電裝置等）屬于1E級設備，在外部斷電時，EDG立即啟動發(fā)電，向核反應堆的安全保護和冷卻/散熱/通風等系統(tǒng)提供應急供電，執(zhí)行相關的核安全功能。
應急柴油發(fā)電機組設備抗震要求為抗震I類，其中柴油機、發(fā)電機、燃油輸送泵及電機、風扇冷卻器及電機設備為1A類，即這些設備在所有地震條件下不僅能保證結(jié)構完整，還要能持續(xù)可靠運行。須滿足以下兩種地震條件：安全停堆地震SSE與運行基準地震OBE。SSE時的地震加速度值是OBE時的2倍。OBE的地震水平與垂直加速度，在地面上的峰值設定為0.2g和0.133g。
二、設計依據(jù)
核安全級柴油發(fā)電機組遵循的主要法規(guī)、規(guī)范、標準包括：
1、HAF003核電廠質(zhì)量保證安全規(guī)定；
2、HAD003系列核電廠質(zhì)量保證中與設計及物項制造等有關的安全導則；
3、HAD102系列核電廠設計中與應急動力系統(tǒng)及抗震設計、鑒定有關的安全導則；
4、RCC-M法國壓水堆核電站核島機械設備設計制造規(guī)范；
5、RCC-E法國壓水堆核電站核島電氣設備設計制造規(guī)范；
6、IEEE387核電站備用電源用柴油發(fā)電機組設計準則；
7、IEEE649 備用電源用柴油發(fā)電機組定期檢測標準；
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 往復式內(nèi)燃發(fā)電機組；
10、ISO 3046 往復式內(nèi)燃機性能；
11、IEC60034 國際電工協(xié)會旋轉(zhuǎn)電機標準；
12、KTA 3702 德國民用核電站應急柴油發(fā)電機組設備。
三、核級應急柴發(fā)總體設計
1、設計要求
根據(jù)核電站應急電源設計要求，應急柴油發(fā)電機組的設計至少必須考慮以下條件：
（1）發(fā)電機組運行壽命；
（2）該設備安裝的環(huán)境（最高、最低溫度/濕度及其持續(xù)時間和年平均溫度）；
（3）設備安裝樓層的地震響應譜；
（4）反應堆安全停堆負載特性；
（5）柴油機進口的空氣質(zhì)量（鹽、砂等含量）；
（6）當?shù)卮髿鈮毫Γㄐ杩紤]天氣原因，如龍卷風的降壓、持續(xù)時間和風力大小）；
（7）燃油的型號和質(zhì)量；
（8）電廠用水的質(zhì)量；
（9）火災的影響等。
2、安全要求
（1）發(fā)電機組瞬態(tài)加載特性
為了滿足在突發(fā)事件發(fā)生后反應堆能夠安全停堆，要求應急柴油發(fā)電機組在接到啟動信號10s內(nèi)達到額定轉(zhuǎn)速，在45s內(nèi)加載反應堆停堆所需的全部載荷。在發(fā)電機組最初設計時，必須根據(jù)反應堆安全停堆負載特性對發(fā)電機組的啟動及瞬態(tài)加載能力進行計算模擬。
（2）發(fā)電機組抗地震計算/試驗
核電廠的抗震具有特殊的重要性。由于核電廠中許多設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，在核電廠的設計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抗震鑒定的法規(guī)、導則和規(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)生后應急柴油發(fā)電機組能夠正常為反應堆提供電源，應急柴油發(fā)電機組必須能夠承受當?shù)乜赡馨l(fā)生的最大的地震波沖擊。在發(fā)電機組最初設計時，必須對柴油機、發(fā)電機以及與柴油機正常運行相關的輔助設備，根據(jù)各設備安裝樓層的樓面響應譜進行抗地震計算（或試驗），該設備在發(fā)電機組設計時可以不予考慮。
為了防止有害振動的傳遞，所有設備之間的連接需采用撓性管連接，核級設備之間的管段及其附件同樣也必須進行抗地震計算，保證在地震波沖擊后能夠正常工作。
為驗證核安全級柴油發(fā)電機組的抗震I類功能，必須進行柴油發(fā)電機組的抗震鑒定?？拐痂b定可采用分析方法、試驗方法或分析與試驗相結(jié)合的方法，另外還可采用經(jīng)驗反饋方法進行推理論證。如果分析法不足以證實抗震I類設備的完整性和運行性時，必須通過試驗法進行鑒定。
在通過試驗法鑒定時，必須綜合考慮抗震試驗臺的臺面尺寸和承載能力與被試驗設備的體積、重量是否匹配，試驗臺的技術參數(shù)是否滿足抗震試驗所有測試項目的要求。
安全級柴油發(fā)電機組的抗震試驗會受到振動臺設備能力的限制，目前只能做2000kW以下功率段發(fā)電機組的試驗，2000kW以上功率段發(fā)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(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)過抗震試驗的設備一般不應作為產(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力循環(huán)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。
（3）發(fā)電機組振動及扭振
① 發(fā)電機組振動：
由于柴油機屬于往復式機械，為了降低柴油機振動及對周圍設備的機械振動影響，在發(fā)電機組設計時，必須對柴油發(fā)電機組進行振動計算并安裝彈簧阻尼減振器。
② 發(fā)電機組扭振：
為了保證柴油發(fā)電機組運行時發(fā)電機組軸系的安全，需要對發(fā)電機組軸系扭轉(zhuǎn)振動進行計算，保障在運行區(qū)域內(nèi)柴油機軸系應力不超過其許用應力。
3、燃油系統(tǒng)的設計
由于核級應急柴油發(fā)電機組屬于應急狀態(tài)下使用，所以不考慮經(jīng)濟性問題，一般都是采用輕柴油作為燃料，在燃油系統(tǒng)上也不必像負載電站那樣需要安裝流量計。
（1）核電廠主儲油罐容量一般要求能滿足發(fā)電機組在滿負載下連接運行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)電機組滿負載運行4h，結(jié)構如圖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并聯(lián)的燃油齒輪泵輸送。日用油箱要設計快速燃油泄放口，當柴油機廠房內(nèi)發(fā)生火災時，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之間需要增加燃油備用泵（與機帶燃油泵并聯(lián)），以避免在應急時由于機帶泵損壞而導致發(fā)電機組不能工作。
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圖1 柴油發(fā)電機燃油系統(tǒng)原理圖 |
圖2 柴油發(fā)電機組抗震油箱結(jié)構安裝圖 |
4、滑油系統(tǒng)的設計
為了保證柴油發(fā)電機組能在45s內(nèi)迅速加載至滿負載，要求柴油發(fā)電機組時刻處于熱備用狀態(tài)，核級應急柴油發(fā)電機組需要增加滑油預熱系統(tǒng)，一般是通過預熱高溫水來加熱滑油。在核應急柴油機廠房內(nèi)需要放置滑油補給油箱，補給油箱容量要保證柴油發(fā)電機組滿功率連續(xù)運行7天?；屯ㄟ^補給油泵向柴油機公共底座補油，補給油泵的工作通過柴油機公共底座液位傳感器控制。控制邏輯如下：
（1）液位過高：報警、停泵。
（2）液位高：停泵。
（3）液位低：起泵。
（4）液位過低：報警、起泵。
（5）滑油預供泵與柴油機的轉(zhuǎn)速信號聯(lián)鎖，當柴油機接到啟動信號時，預供泵停止運行；當柴油機接到停機信號時，預供泵開始運轉(zhuǎn)如圖3所示。
5、冷卻水系統(tǒng)的設計
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。作為核電應急柴油發(fā)電機組冷卻水系統(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）風冷散熱器冷卻高、低溫水
這種冷卻方式通過兩個大型風冷散熱器分別冷卻高、低溫水，這要求風冷散熱器、風機必須能夠承受地震載荷，在地震發(fā)生時能夠正常工作。
為了保證柴油機隨時處于熱備用狀態(tài)，在柴油機不運行時要對柴油進行預熱。預熱水泵和柴油機轉(zhuǎn)速聯(lián)鎖，當接到柴油機啟動信號時，預熱水泵停止運轉(zhuǎn)；當接到柴油機停機信號時，預熱水泵開始運轉(zhuǎn)。預熱水溫度根據(jù)柴油機性能不同而有所差異。
高、低溫水系統(tǒng)各設一個膨脹水箱給系統(tǒng)補充水，高、低溫水系統(tǒng)高點設置放氣口如圖3所示。
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圖3 柴油發(fā)電機滑油系統(tǒng)原理圖 |
圖4 柴油發(fā)電機高低溫補水系統(tǒng)原理圖 |
6、進排氣系統(tǒng)的設計
核級應急柴油發(fā)電機組進氣一般采取室內(nèi)進氣，廠房內(nèi)溫度要保持在發(fā)電機組允許工作范圍內(nèi)，過低的溫度會影響發(fā)電機組的啟動性能，過高的溫度會降低發(fā)電機組的輸出功率。
核級應急柴油發(fā)電機組排氣系統(tǒng)盡量短平，避免使用過多的彎頭，盡可能降低柴油機排氣背壓，否則會降低發(fā)電機組輸出功率。渦輪增壓器出口要安裝排氣膨脹節(jié)，以補償由溫度變化引起的管道膨脹，管道必須有牢固的支撐點，保障在任何情況下不能將管道重量施加給渦輪增壓器，以免損壞增壓器導致發(fā)電機組不能工作。排氣管道上應安裝排氣消音器，排氣出口應有防雨設計。
7、壓縮空氣系統(tǒng)
目前，大功率柴油機啟動方式一般分為空氣分配器啟動和空氣電動機啟動。作為核應急柴油發(fā)電機組要采用兩套相互獨立的啟動系統(tǒng)，以保障在任何一套啟動系統(tǒng)失靈時，另一套系統(tǒng)仍能夠啟動柴油機。每套啟動系統(tǒng)由各自獨立的空氣瓶供氣，兩套空氣壓縮機的原動力一般情況下也不同，一套是電動機，另一套是小功率柴油機?？諝鈮嚎s機的啟、停由空氣瓶內(nèi)壓力控制，當瓶內(nèi)壓力低于下限設定值空壓機啟動，當瓶內(nèi)壓力大于上限設定值時空壓機停止。
空氣瓶的容量隨柴油機耗氣量不同而各有變化，一般必須滿足在空壓機不工作情況下，空氣瓶內(nèi)空氣能夠滿足柴油機6次啟動。
當柴油機瞬態(tài)響應速度較慢時，可以對渦輪增壓器進行吹氣，以加速渦輪的響應速度從而提高柴油機瞬態(tài)響應特性。另外，柴油機的控制系統(tǒng)，如柴油機超速保護，柴油機啟動、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。
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圖4 柴油發(fā)電機壓縮空氣系統(tǒng)原理圖 |
8、設備性能參數(shù)
主要性能指標包括：
（1）發(fā)電機組使用壽命是40年，等效10000可用小時（不含起停時間）。
（2）發(fā)電機組始終處于預熱狀態(tài)，確保在收到應急啟動信號后10s內(nèi)能夠快速達到額定轉(zhuǎn)速和額定電壓，進入應急帶載狀態(tài)。
（3）100次啟停試驗不允許有一次失敗，啟動可靠性不小于99％。壽命期內(nèi)啟動次數(shù)不少于4000次。按照應急負載加載次序，40s內(nèi)帶滿應急負載。
（4）發(fā)電機組在負載加載2s內(nèi)，出線電壓恢復至額定值（6kV）的90％（5.94kV），頻率恢復至額定值（50Hz）的98％（49Hz）。在帶負載的全過程中，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）在甩負載時，發(fā)電機組超速率不超過最大超速設定值的75％。
（6）發(fā)電機組在1.2倍額定轉(zhuǎn)速下超速運行時間不少于5s。
（7）發(fā)電機組每24h連續(xù)運行中，允許2h處于110％額定負載超載荷運行。
總結(jié)：
核電各類柴油發(fā)電機組主設備采用與核級柴油發(fā)電機組主設備不同型號的柴油發(fā)電機組，額定功率為200～9500kW，作為核級柴油發(fā)電機組的備用機組，向安全停堆有關負載提供充足、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，打破了依賴國外設備的局面，填補了國內(nèi)空白，降低了成本，便于運行維護，為核電設備國產(chǎn)化打下了堅實的基礎，對我國核電行業(yè)其他設備國產(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)電機組的集成提供了優(yōu)化的、結(jié)構緊湊的、運行安全可靠的技術支撐。
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