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核安全级柴油发电机组的设计依据 |
摘要：在厂外主电源厂外辅助电源均失去的情况下，每台应急柴油发电机组有能力满足应急厂用设备用电要求，以确保反应堆的安全停堆；并且防止由于正常的外部电源系统失电而导致重要设备的损坏。每个核电发电机组的设备为两台独立的、互为备用的应急柴油发电机组。作为保证核电站安全的关键设备之一，核电柴油发电机组必须具有非常高的可靠性，对发电机组功率、起停机、调速、抗震、可靠度以及使用寿命等相关指标有极高要求。
一、设备概述
CPR1000核电站的每台核电发电机组应配置2台100％容量的．EDG，均处于热备用状态，随时准备启动发电。按照国际核安全运行的最新规定，CPR1000核电站在厂内增设一台独立运行的同容量辅助柴油发电机组，当其他EDG进行定期检修维护时，则可切换备用。
在核电站中，电气设备分为1E级（安全级）与非1E级（非安全级）。应急电源系统（传统的设计包括EDG、蓄电池组、充电器和有关配电装置等）属于1E级设备，在外部断电时，EDG立即启动发电，向核反应堆的安全保护和冷却/散热/通风等系统提供应急供电，执行相关的核安全功能。
应急柴油发电机组设备抗震要求为抗震I类，其中柴油机、发电机、燃油输送泵及电机、风扇冷却器及电机设备为1A类，即这些设备在所有地震条件下不仅能保证结构完整，还要能持续可靠运行。须满足以下两种地震条件：安全停堆地震SSE与运行基准地震OBE。SSE时的地震加速度值是OBE时的2倍。OBE的地震水平与垂直加速度，在地面上的峰值设定为0.2g和0.133g。
二、设计依据
核安全级柴油发电机组遵循的主要法规、规范、标准包括：
1、HAF003核电厂质量保证安全规定；
2、HAD003系列核电厂质量保证中与设计及物项制造等有关的安全导则；
3、HAD102系列核电厂设计中与应急动力系统及抗震设计、鉴定有关的安全导则；
4、RCC-M法国压水堆核电站核岛机械设备设计制造规范；
5、RCC-E法国压水堆核电站核岛电气设备设计制造规范；
6、IEEE387核电站备用电源用柴油发电机组设计准则；
7、IEEE649 备用电源用柴油发电机组定期检测标准；
8、IAEA 50-SG-D1沸水堆、压水堆核电站安全功能和部件的分级规范；
9、ISO 8528 往复式内燃发电机组；
10、ISO 3046 往复式内燃机性能；
11、IEC60034 国际电工协会旋转电机标准；
12、KTA 3702 德国民用核电站应急柴油发电机组设备。
三、核级应急柴发总体设计
1、设计要求
根据核电站应急电源设计要求，应急柴油发电机组的设计至少必须考虑以下条件：
（1）发电机组运行寿命；
（2）该设备安装的环境（最高、最低温度/湿度及其持续时间和年平均温度）；
（3）设备安装楼层的地震响应谱；
（4）反应堆安全停堆负载特性；
（5）柴油机进口的空气质量（盐、砂等含量）；
（6）当地大气压力（需考虑天气原因，如龙卷风的降压、持续时间和风力大小）；
（7）燃油的型号和质量；
（8）电厂用水的质量；
（9）火灾的影响等。
2、安全要求
（1）发电机组瞬态加载特性
为了满足在突发事件发生后反应堆能够安全停堆，要求应急柴油发电机组在接到启动信号10s内达到额定转速，在45s内加载反应堆停堆所需的全部载荷。在发电机组最初设计时，必须根据反应堆安全停堆负载特性对发电机组的启动及瞬态加载能力进行计算模拟。
（2）发电机组抗地震计算/试验
核电厂的抗震具有特殊的重要性。由于核电厂中许多设备和部件中聚集着大量的放射性物质，一旦遭到地震破坏可能使放射性物质外逸，从而对公众的生命和健康造成危害。如果反应堆系统遭受破坏，可能造成核事故，影响的范围更大。因此，在核电厂的设计和建造中必须重视抗震鉴定工作。世界上主要核国家先后建立了一整套有关抗震鉴定的法规、导则和规范，从而为核电厂的抗震安全性提供了保证。
为了保障在突发事件发生后应急柴油发电机组能够正常为反应堆提供电源，应急柴油发电机组必须能够承受当地可能发生的最大的地震波冲击。在发电机组最初设计时，必须对柴油机、发电机以及与柴油机正常运行相关的辅助设备，根据各设备安装楼层的楼面响应谱进行抗地震计算（或试验），该设备在发电机组设计时可以不予考虑。
为了防止有害振动的传递，所有设备之间的连接需采用挠性管连接，核级设备之间的管段及其附件同样也必须进行抗地震计算，保证在地震波冲击后能够正常工作。
为验证核安全级柴油发电机组的抗震I类功能，必须进行柴油发电机组的抗震鉴定。抗震鉴定可采用分析方法、试验方法或分析与试验相结合的方法，另外还可采用经验反馈方法进行推理论证。如果分析法不足以证实抗震I类设备的完整性和运行性时，必须通过试验法进行鉴定。
在通过试验法鉴定时，必须综合考虑抗震试验台的台面尺寸和承载能力与被试验设备的体积、重量是否匹配，试验台的技术参数是否满足抗震试验所有测试项目的要求。
安全级柴油发电机组的抗震试验会受到振动台设备能力的限制，目前只能做2000kW以下功率段发电机组的试验，2000kW以上功率段发电机组的抗震鉴定只能通过分析计算来进行，但分析计算的软件必须是可靠的，有足够的精确度的，且得到有关核安全监管部门的认可。
地震模拟振动台上的抗震试验为破坏性试验，经过抗震试验的设备一般不应作为产品安装于核电站，除非能证明由于抗震鉴定试验所带来的累计的应力循环所引起的疲劳不会使设备降级，影响其履行安全功能的能力。
（3）发电机组振动及扭振
① 发电机组振动：
由于柴油机属于往复式机械，为了降低柴油机振动及对周围设备的机械振动影响，在发电机组设计时，必须对柴油发电机组进行振动计算并安装弹簧阻尼减振器。
② 发电机组扭振：
为了保证柴油发电机组运行时发电机组轴系的安全，需要对发电机组轴系扭转振动进行计算，保障在运行区域内柴油机轴系应力不超过其许用应力。
3、燃油系统的设计
由于核级应急柴油发电机组属于应急状态下使用，所以不考虑经济性问题，一般都是采用轻柴油作为燃料，在燃油系统上也不必像负载电站那样需要安装流量计。
（1）核电厂主储油罐容量一般要求能满足发电机组在满负载下连接运行7天的需求，供油装置原理如图1所示；日用油箱容量要能保证发电机组满负载运行4h，结构如图2所示。
（2）为了增加系统的可靠性，从主储油罐到日用油箱之间利用两个并联的燃油齿轮泵输送。日用油箱要设计快速燃油泄放口，当柴油机厂房内发生火灾时，在厂房外能迅速将燃油放回储油罐。
（3）从日用燃油箱到柴油机之间需要增加燃油备用泵（与机带燃油泵并联），以避免在应急时由于机带泵损坏而导致发电机组不能工作。
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图1 柴油发电机燃油系统原理图 |
图2 柴油发电机组抗震油箱结构安装图 |
4、滑油系统的设计
为了保证柴油发电机组能在45s内迅速加载至满负载，要求柴油发电机组时刻处于热备用状态，核级应急柴油发电机组需要增加滑油预热系统，一般是通过预热高温水来加热滑油。在核应急柴油机厂房内需要放置滑油补给油箱，补给油箱容量要保证柴油发电机组满功率连续运行7天。滑油通过补给油泵向柴油机公共底座补油，补给油泵的工作通过柴油机公共底座液位传感器控制。控制逻辑如下：
（1）液位过高：报警、停泵。
（2）液位高：停泵。
（3）液位低：起泵。
（4）液位过低：报警、起泵。
（5）滑油预供泵与柴油机的转速信号联锁，当柴油机接到启动信号时，预供泵停止运行；当柴油机接到停机信号时，预供泵开始运转如图3所示。
5、冷却水系统的设计
一般电站冷却水系统通常有高温水、低温水两路系统，高温水冷却缸套、缸盖等，低温水冷却空冷器、滑油。作为核电应急柴油发电机组冷却水系统有以下两种方案：
1）重要厂用水冷却高、低温水
这种冷却方式由三路水组成，利用重要厂用水分别冷却高、低温水。重要厂用水通过电站的中央冷却塔冷却。
2）风冷散热器冷却高、低温水
这种冷却方式通过两个大型风冷散热器分别冷却高、低温水，这要求风冷散热器、风机必须能够承受地震载荷，在地震发生时能够正常工作。
为了保证柴油机随时处于热备用状态，在柴油机不运行时要对柴油进行预热。预热水泵和柴油机转速联锁，当接到柴油机启动信号时，预热水泵停止运转；当接到柴油机停机信号时，预热水泵开始运转。预热水温度根据柴油机性能不同而有所差异。
高、低温水系统各设一个膨胀水箱给系统补充水，高、低温水系统高点设置放气口如图3所示。
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图3 柴油发电机滑油系统原理图 |
图4 柴油发电机高低温补水系统原理图 |
6、进排气系统的设计
核级应急柴油发电机组进气一般采取室内进气，厂房内温度要保持在发电机组允许工作范围内，过低的温度会影响发电机组的启动性能，过高的温度会降低发电机组的输出功率。
核级应急柴油发电机组排气系统尽量短平，避免使用过多的弯头，尽可能降低柴油机排气背压，否则会降低发电机组输出功率。涡轮增压器出口要安装排气膨胀节，以补偿由温度变化引起的管道膨胀，管道必须有牢固的支撑点，保障在任何情况下不能将管道重量施加给涡轮增压器，以免损坏增压器导致发电机组不能工作。排气管道上应安装排气消音器，排气出口应有防雨设计。
7、压缩空气系统
目前，大功率柴油机启动方式一般分为空气分配器启动和空气电动机启动。作为核应急柴油发电机组要采用两套相互独立的启动系统，以保障在任何一套启动系统失灵时，另一套系统仍能够启动柴油机。每套启动系统由各自独立的空气瓶供气，两套空气压缩机的原动力一般情况下也不同，一套是电动机，另一套是小功率柴油机。空气压缩机的启、停由空气瓶内压力控制，当瓶内压力低于下限设定值空压机启动，当瓶内压力大于上限设定值时空压机停止。
空气瓶的容量随柴油机耗气量不同而各有变化，一般必须满足在空压机不工作情况下，空气瓶内空气能够满足柴油机6次启动。
当柴油机瞬态响应速度较慢时，可以对涡轮增压器进行吹气，以加速涡轮的响应速度从而提高柴油机瞬态响应特性。另外，柴油机的控制系统，如柴油机超速保护，柴油机启动、停车，调速器促动器供气等都需要由压缩空气系统提供气源，如图4所示。
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图4 柴油发电机压缩空气系统原理图 |
8、设备性能参数
主要性能指标包括：
（1）发电机组使用寿命是40年，等效10000可用小时（不含起停时间）。
（2）发电机组始终处于预热状态，确保在收到应急启动信号后10s内能够快速达到额定转速和额定电压，进入应急带载状态。
（3）100次启停试验不允许有一次失败，启动可靠性不小于99％。寿命期内启动次数不少于4000次。按照应急负载加载次序，40s内带满应急负载。
（4）发电机组在负载加载2s内，出线电压恢复至额定值（6kV）的90％（5.94kV），频率恢复至额定值（50Hz）的98％（49Hz）。在带负载的全过程中，出线电压不低于额定值（6kV）的75％（4.95kV），频率不低于额定值（50Hz）的95％（47.5Hz）。
（5）在甩负载时，发电机组超速率不超过最大超速设定值的75％。
（6）发电机组在1.2倍额定转速下超速运行时间不少于5s。
（7）发电机组每24h连续运行中，允许2h处于110％额定负载超载荷运行。
总结：
核电各类柴油发电机组主设备采用与核级柴油发电机组主设备不同型号的柴油发电机组，额定功率为200～9500kW，作为核级柴油发电机组的备用机组，向安全停堆有关负载提供充足、可靠的电力，保证堆芯的冷却及余热的排出。国产化研制成功，打破了依赖国外设备的局面，填补了国内空白，降低了成本，便于运行维护，为核电设备国产化打下了坚实的基础，对我国核电行业其他设备国产化具有推动作用，为提升核电厂安全防御能力提供了可靠的设备，为我国核电发展中对不同功率档次备用电源选择提供了便利和条件，也为其他行业柴油发电机组的集成提供了优化的、结构紧凑的、运行安全可靠的技术支撑。
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