核電站應急柴油發電機組自動控制系統

劉曉宇

摘 要：為確保核電站的安全運行，要求核電站具備非常可靠的供電系統。在國內核電站中，除了500kv和220kv開關站作為核電站應急狀態下的外部主備用電源外，應急柴油發電機組作為后備應急電源得到廣泛應用。作為核安全應急系統供電的最后一道屏障，核電廠應急柴油發電機組發揮著巨大的作用。為實現核電站應急柴油發電機組啟動和運行的高可靠性，對其自動控制系統提出了非常高的要求。為此文章針對核電站應急柴油發電機組自動控制系統相關知識、特點和改進方向進行分析研究。

關鍵詞：核電站；應急柴油發電機組；自動控制系統

引言

在核電站工作中，設置的應急柴油發電機組可以快速完成啟動，對核電站的設備、工作等起到保護的作用。應急柴油發電機組在核電站工作中發揮著重要的作用，為核反應堆有穩定、可靠、安全、足夠的電源，在正常電源出現故障時，可以保證核反應堆安全地關閉，不釋放放射性的物質。針對應用柴油發電機組自身的特點，在核電站使用中的要求等方面的內容進行分析，認識應急柴油發電機組在核電站中應用的改進方向，為核電站的工作提供安全穩定的電源保障。

1 核電站對應急發電機組的技術、質量要求

在核電站核反應堆運行過程中，利用核裂變產生的能量，將其堆芯成為一個具有強烈作用的放射源，當這個反應堆停止時，就將自動釋放大量的熱量，產生堆芯余熱。此時形成的堆芯余熱，會隨著時間不斷減少，但是如果沒有對堆芯余熱進行及時有效的冷卻，堆芯的溫度將會持續的升高，直到將堆芯熔化，自動將核反應堆設計中的多重實體屏蔽，將大量具有放射性的物質釋放到環境中，造成嚴重的后果[1]。針對以上核電廠的工作需求，應急柴油發電機組成為廠外電源全部失效后堆芯余熱釋放的最后動力源。

基于核電站應急柴油發電機組的重要性，對機組設備的技術質量提出了較高的要求。機組設備的核安全等級一般為1E級，質保等級為Q1。機組的持續輸出功率一般在5000kW～8000kW之間，一般要求機組可連續7天運行。在機組設計和設備選擇上，遵循安全可靠的原則。每臺核電機組對應兩列或更多柴油發電機組作為應急電源，每列機組均具備安全停堆應急電源的功能。除每臺核電機組設置了兩列應急柴油發電機組外，還設置了全廠附加柴油機組以及后備柴油發電機組，以應對不同應急情況的發生。機組的啟動裝置有兩套，一般為兩套互相獨立的壓縮空氣啟動系統，每套壓縮空氣啟動系統均能單獨完成5次應急啟動。每臺柴油機一般配備兩套調速器，在其中一套調速器出現故障時另一套調速器可自動投入。轉速控制和超速保護方面，使用三選二邏輯，且調速器和控制柜分別配備獨立的三選二信號源，進一步降低錯誤信號觸發停機的可能性。總之，在機組設計方面采用了大量的冗余設計，可有效降低故障發生概率，確保機組安全可靠運行。

在應急啟動方面，要求機組在收到應急啟動信號后10S內完成啟動，建立額定頻率和電壓。

除了以上這些要求外，核電廠應急柴油發電機組還需要具有一定的事故承受能力，在運行的過程中，可以承受一定程度上的故障。

2 核電站應急柴油發電機組自動控制系統的特點

核電站應急柴油發電機組的自動控制系統除了一般要求外，具有其自身的特點，主要包括以下兩個方面：

（1）高可靠性

高可靠性主要體現在：可實現自動化操作和無人值守；啟動裝置冗余配置；關鍵信號冗余設計；惡劣條件下（例如地震）保持功能性。

啟動可靠性直接影響機組整體可靠性，根據IEEE387標準要求，核電站應急柴油發電機組100次啟動試驗中啟動成功次數不得低于99次。

另外，在自動控制系統應用的可編程軟件方面，要求安全級設備/部件的可編程軟件必須通過嚴苛的鑒定（IEC60880）。

（2）應急運行時的低敏感性

核電站應急柴油發電機組具備試驗和應急兩個模式的控制系統。在試驗模式下，所有故障報警信號均投入運作。在應急模式下，收到應急啟動信號后即進入應急啟動和運行模式，除了超速保護和短路保護兩個停機信號會起作用外，其他信號在遇到故障時只報警不停機（例如水溫高、油壓低、排氣溫度高等），必要時以犧牲柴油機壽命或性能為代價，確保機組在應急狀態下能夠連續運行。也就是說，核電站應急模式下的柴油機組對除惡劣故障外的信號均不敏感。

3 核電廠應急柴油發電機組自動控制系統的工作狀態

隨著科學技術的發展，應急柴油發電機組自動控制系統在核電廠工作得到應用，應急柴油發電機組自動控制系統，在核電廠工作中的運行狀態主要有：

（1）供電

應急柴油發電機組的供電時，在機組正常運行下，檢測到應急柴油發電機組的頻率或者電壓超過設定的限制時，需要讓發電機組處于空載的狀態，如果在空載的狀態下，檢測到的發電機組的頻率或者電壓，還是超過設定的限制，此時就可以認為柴油機發生故障，需要停機報錯。在核電站工作中，應急柴油發電機組的其重要的安全保障，所以在正常電源良好的狀態下，也需要加強柴油機組的檢測和保護[2]。

（2）啟動

在應急柴油機啟動的過程中，需要對柴油機的電壓、電流等參數進行檢測，并對應急柴油機的啟動狀態進行判斷，在10s內可以建立額定電壓和額定頻率，是當前核電站應急柴油發電機組成功啟動的判斷標準。在安全級供電喪失時，DCS會發送20s長延時啟動信號至柴油機啟動回路，有的核電站柴油機在1次啟動不成功后會自動閉鎖回路，有的核電站柴油機組會在20s內不斷嘗試啟動，約可嘗試3次啟動，3次仍無法啟動則不再嘗試啟動，宣布此列柴油機失效；所以對應急柴油發電機組的電量參數等進行測量和判斷是應急柴油發電機組自動控制系統核心工作。

（3）操作

在應急柴油發電機組自動控制系統中，設置有試驗、參數顯示、錯誤顯示等按鈕，在應急柴油機沒有進入應急工作時，可以對應急柴油發電機組的正常運行進行試驗，按下試驗按鈕，應急柴油發電機組就會立即啟動，對柴油發電機組的正常工作進行自動的檢測，在柴油發電機組啟動后，柴油發電機組的相關參數就會顯示出來，此時按下參數顯示按鈕，可以清楚的對柴油發電機組的各項參數進行查看，將錯誤顯示按鈕按下，可以對柴油發電機組在近期的工作狀態、故障狀況等進行顯示[3]。如果在柴油發電機組啟動后，長時間沒有按下相關的按鈕，柴油發電機組就會自動的切換顯示狀態，依次顯示發電機組的相關參數。

4 核電廠應急柴油發電機組自動控制系統的工作

在核電廠工作中，應急柴油發電機組具有一定的功能和特殊性，是核電廠的故障發電機，所以在應急柴油發電機組中有非常多的控制和保護設置。應急柴油發電機組自動控制系統的工作有兩種模式，一種是應急模式，一種是試驗模式。應急模式是對核電廠工作電源和輔助電源發生故障時的核反應堆進行保護，保護、安全壓力、應急母線壓力等信號的產生，觸動柴油發電機組啟動，進入工作狀態，對反應堆進行連續的冷卻，并保證工作質量，不發生錯誤的啟動，這個過程中對應急柴油發電機組的安全性、穩定性、可靠性要求非常高，除了嚴重故障，其他任何工作狀態都不能發生跳閘。試驗模式是對應急柴油發電機組的運行狀態、靈敏性等進行檢測。

核電廠正常電源和輔助電源發生故障之后，應急柴油發電機組進入應急工作狀態，自動控制系統開始工作。在應急狀態下，對柴油發電自己的自動控制系統工作的要求非常高，對繼電保護的可靠性也有較高的要求。

應急柴油發電機組工作狀態的判斷，并不是是否發生了故障，而是將應急柴油發電機組產生的電能質量作為判斷的標準，其產生的電能質量是否滿足要求。因為在應急柴油發電機組啟動的過程中頻率較低，輸出電壓也相對的較低，因此不會發生錯誤啟動。在應急工作狀態下，柴油發電機組會進行跳閘保護，也就是在核電廠工作的過程中，發生緊急事故時，柴油發電機組會通過相關的動作，將其運行的穩定性和可靠性提升[4]。在檢測完相關的參數以后，柴油發電機組進入應急工作狀態，并對自身的工作狀態進行保護。核電廠應急柴油發電機組自動控制系統的應急啟動程序流程圖如下：

5 核電站應急柴油發電機組自動控制系統的幾個改進方向

5.1 自動控制系統控制柜由傳統的繼電保護裝置向可編程控制器（PLC）控制系統轉變

目前國內核電站應急柴油發電機組控制柜部分采用傳統的繼電保護裝置，部分采用PLC控制系統；傳統的繼電保護裝置采用繼電器和接觸器構成自動控制系統，由于其所需元器件數量很多，控制電路復雜，導致工作可靠性較差，故障率較高，且后期維護非常不便；控制系統采用PLC時，柴油發電機組的工作由軟件控制，可大大簡化控制電路，控制系統的可靠性較高；1E級控制系統采用可編程控制器時要求通過IEC 60880標準的鑒定，其軟件的高可靠性也可以得到確保。

5.2 由提高單一系統或設備的可靠性向提高系統整體可靠性方向發展

應急柴油發電機組自動控制系統由信號搜集裝置、信號傳輸線路、信號處理裝置以及執行機構組成。目前，在國內核電站應急柴油發電機組的建設和運行中，關注的重點是在信號處理裝置上，在信號處理裝置上的設備制造、安裝、調試管理都非常嚴格，然而對于傳感器安裝調試、線路敷設、執行機構驗證等方面做得還不夠。事實上，上述自動控制系統的組成部分無論哪一部分出問題都會導致自動控制失效，從而降低系統的整體可靠性。例如：某核電站應急柴油發電機組控制系統經常出現閃報警或誤報警，后經調查發現，直接原因是由于信號線路施工不規范導致線路受到干擾；某核電站調試和運行期間某溫控開關故障，直接導致應急柴油機組不可用；某核電站因勵磁線路接線錯誤導致機組輸出電壓始終無法達到額定值；等等。在柴油機組控制系統調試問題統計中，尤其在應用了PLC的柴油機組控制系統上，控制系統其他方面的故障大大超出信號處理裝置本身的故障。所以，為提高核電站應急柴油發電機組自動控制系統的整體可靠性，需要提高控制系統各組成部分的技術和管理要求。

5.3 柴油機調速器向電子調速器和機械調速器互為備用發展

為確保核電站應急柴油發電機組的可靠運行，機組基本配備了兩套調速器互為備用。目前國內有部分核電站應急柴油發電機組調速器采用了雙電子調速器互為備用模式，盡管電子調速器具有靈敏度高、響應快的特點，但其可靠性不如機械調速器，國內某核電站曾經因電子調速器存儲器寫滿而產生故障的問題、某固定功率段頻率抖動問題等等，且由于電子調速器故障成因復雜，故障排查困難，進一步影響了機組的可用時間。而機械調速器可靠性較高，將機械調速器作為電子調速器的備用，可有效避免使用兩套電子調速器時的共模故障問題，以進一步提高機組運行的可靠性。

5.4 自動控制系統中增加冷卻水自動補充功能

在國內核電站應急柴油發電機組調試和試運行期間曾發生過多次冷卻水系統滲漏水問題，例如某核電站在調試試驗期間冷卻水彎管裂紋漏水、風冷器故障漏水、正常運行時安全閥打開導致漏水、橡膠件老化導致冷卻水滲漏水問題等等，由此可見冷卻水系統某部位因故障而漏水問題比較普遍，問題發生的原因也多種多樣，而目前國內核電站應急柴油發電機組不具備冷卻水自動補充的功能，僅在維護時可實現手動補水，而機組運行時由于冷卻水溫度較高，手動補水的危險性也較大，為機組安全可靠運行帶來隱患。為提高機組的可靠性，確保在情況下機組也可以連續7天運行，具備冷卻水自動補充很有必要。

6 結束語

應急柴油發電機組在核電站工作中的應用，可以說是核反應堆安全的保障，在正常電源失常的狀態下，可以發揮其作用。在核電站工作中應急柴油發電機組的安全性、穩定性、可靠性等非常高的要求，隨著核電站的發展，和科學技術的進步，應急柴油發電機組在核電站中的應用，在性能、結構等方面將不斷的完善和改進，提高自身的穩定性，同時將自身的功能完善，適用核電站的發展需求。

參考文獻

[1]楊代強.核電廠應急柴油發電機的電氣保護問題研究[J].煤炭技術，2012（12）：192-193.

[2]李德佳.核電站應急柴油發電機組的特點分析和調試[J].電力設備，2006（08）：40-41.

[3]席文英，趙春波.淺談柴油發電機自動控制系統的相關問題[J].黑龍江科技信息，2010（22）：40-40.

[4]廖曉英.柴油發電機組自動控制系統的研究與運用[J].科技資訊，2012（08）：130-130.