核應急柴油發電機組電氣系統國產化設計

李　穎

（陜西柴油機重工有限公司，陜西　西安　710077）

核應急柴油發電機組電氣系統國產化設計

李穎

（陜西柴油機重工有限公司，陜西西安710077）

文章以恰?，敹诠こ蹋–2項目）為依托項目，簡要地介紹了核應急機組電氣控制特點和特殊要求，確定選配了相關電氣設備以實現核應急備用電源的電氣系統控制、檢測和保護功能。通過相關設計和試驗驗證了應急備用電源的性能指標、技術指標、動態特性和靜態特性等能夠滿足成套預期設定的目標要求。同時證明了12PA6B柴油機、發電機及其輔助設備成套后相關的電氣技術指標，能夠滿足巴基斯坦恰?，擟2項目工程備用電源的使用要求。

核電；應急柴油發電機組；電氣系統；國產化

核應急柴油發電機組是為核電站內提供應急交流電源的設備。機組是核電站內獨立的能夠自動快速啟動并按程序帶載的應急電源。每臺核電機組配備兩臺相互獨立的柴油發電機組。在由核島高壓廠用變壓器提供的正常電源和由220 kV輔助變壓器提供的后備電源失效時可自動對相應的6 kV專設安全設備供電，對由LHP/LHQ供電的設備提供可靠的充足電源，以確保反應堆安全關閉，保證一回路壓力邊界的完整性，確保放射性物質不向大氣泄漏。每個核電機組的應急電源是由兩個相同的系列A和B組成的冗余設置，兩臺柴油發電機組中只要有一臺運行就足以使該單元機組安全停堆。應急柴油發電機組對核電站的安全起著極其重要的作用，核應急柴油發電機組國產化是核電發展急需解決的11項技術之一。其國產化成套開發是一項適用標準多、技術接口復雜、涉及專業領域廣的系統技術集成工作。本文以恰?，敹诠こ蹋–2項目）為依托項目展開核應急機組電氣系統國產化成套設計，并通過型式鑒定試驗進行設計驗證，確保機組控制系統滿足核電站應急柴油發電機組特殊控制要求。

1　機組電氣系統特點

根據 IEEE387-1995《核電站備用電源用柴油發電機組準則》的規定，核電站備用電源電氣系統物項主要包含：交流配電系統，直流電源，遠程監控系統以及機組控制、監測和保護系統，勵磁和電壓調節系統，轉速調節系統和輔機控制系統。除輔機控制系統和直流電源系統外， 其他系統物項均是本次成套的供貨范圍。其中，電氣系統物項主要包括：柴油機控制系統，機組保護監測系統，發電機控制系統，發電機勵磁系統和安全級交流配電系統（高壓接地和高壓信號系統）等。

在整個核應急備用電源成套開發過程中，無論是方案原理設計、還是設備選型都嚴格遵循相關標準，并以適用條款作為作業指導依據。通過分步加載程序和快速啟動計算分析，評估了機組的匹配合理性；電氣原理設計中融入了核電站1E/N1E級回路獨立性設計原則，確保了核級非核級回路的隔離；部分回路的冗余設計提高了系統的可靠性；經過連續100次快速啟動帶載試驗，驗證了機組滿足核電廠快速響應并帶載的能力；通過裕度試驗驗證了機組具有承受高于電廠設計載荷最嚴重的階躍負載的能力。

2　電氣系統設計

2.1參考標準

設計過程主要參考以下標準：

IEEE387-1995《核電站備用電源的柴油發電機組標準》；

IEEE420-2001《核電廠IE級控制臺、控制屏和機架的設計和鑒定標準》；

IEEE323-1983（R1996）《核電廠IE級電氣設備的鑒定標準》；

IEEE344-1987（R1993）《核電廠IE級設備抗震鑒定推薦實施方法》；

IEEE467-1980《核電廠IE級儀表和電氣設備的設計和生產所需要的質量保證程序》；

IEEE384-1992《核電廠IE級電氣設備和電路獨立性準則》；

IEEE336-1991《核電廠電力、儀表和控制設備的安裝、檢查和試驗要求》；

ISO8528-1993《往復式內燃發電機組》；

GB/T12727-2002《核電廠安全系統電氣設備質量鑒定》。

2.2機組電氣系統控制要求

考慮到這是國內首次設計核應急機組電氣系統，雖然有恰?，斠黄诠こ套鳛閰⒖茧娬?，但恰希瑪二期工程在一期工程的基礎上進行了很多設計改進。其中包括：燃油泵可靠性改進設計、調速器控制方式改進設計等。C1柴油機燃油系統中，日用油箱至柴油機供油管線上只安裝了一臺機帶燃油泵，而C2除機帶燃油泵之外，還設置了一臺電動備用燃油泵。這種改進設計提高了燃油供應的可靠性，可更好地保證機組執行安全功能。C1柴油機調速器采用電控調速器，采用步進電機經齒輪傳動來推動轉速設定推桿從而設定穩定轉速及進行并網調速控制。機組正常運行中，仍然靠液壓油回路及離心飛塊、調速彈簧等機構來控制燃油的供應及轉速的穩定。而C2采用的是電子調速器和機械液壓調速器。電子調速器的優點在于可以通過軟件對PID調節的各項參數進行調整，從而可以得到適合核電廠不同工況運行所需的轉速控制要求。另外，液壓機械調速器也可以在電子調速器電子控制部分故障時作為備份，但為了保證在正常運行的時候液壓機械調速器旁路以期獲得較為精確的調速控制，機械部分的設定往往高于電子調速部分。由于上述差別，兩個項目之間關于機組速度控制的差別體現如下：

啟動速度控制：具有快速/慢速啟動之分，慢速啟動并穩定于500 r/min，可快啟直接沖轉到1 000 r/min。

同步/有差轉速調節切換：并網時切換至有差模式，而孤島運行時同步調節。

優化了主控室信息，按照信息的重要度，單獨或成組遠傳。根據IEEE308要求，增加了發電機勵磁電流和勵磁電壓指示。

AVR配置：兩套數字式AVR調節器，并列、冗余、可切換。

SIAS信號返回試驗的機組至備用狀態：根據SRP以及IEEE387要求，在機組并網試驗時，安注信號將使機組出口斷路器跳閘以使機組返回備用狀態。

2.3核級機組特殊要求設計

2.3.1啟動系統的冗余設計

冗余設計是指一個設備或系統重復另一個設備或系統的必須功能，因此其中任何一設備或系統都能執行所需求的功能而不論另一個設備或系統是在工作狀態還是故障狀態。應急機組空氣啟動系統采用了冗余設計，即氣動馬達和空氣分配器雙啟動模式。

啟動回路中一路由空氣瓶經主啟動閥進入空氣分配器啟動柴油機，另一路由空氣瓶經主啟動閥驅動氣動馬達啟動柴油機。無論當兩個回路中任一個在工作狀態還是故障狀態，另一設備或系統都能執行所需求的功能。

在電氣控制系統的設計中同樣設置了啟動冗余回路，即啟動馬達控制回路和空氣分配器控制回路。兩回路彼此互為獨立，從供電電源的提供到執行元件都采用了冗余器件。無論啟動馬達控制回路或空氣分配器控制回路的任意一回路處于工作狀態還是故障狀態，另一回路都能執行所需求的啟動功能。

通過試驗臺架的聯合調試驗證，冗余設計的兩套啟動系統都能滿足快速啟動功能，無論另一個系統在工作狀態還是在故障狀態。

2.3.2安全級電路的獨立性設計

根據IEEE384-1992《核電廠IE級電氣設備和電路獨立性準則》的規定和要求，安全級與非安全級混合的電路在同一個控制儀表盤（屏）或機架內安裝時，內部隔離、配線標志和電纜入口都必須滿足規定的隔離準則。與安全級電路相關的電路必須同安全級電路一樣滿足相同的隔離要求，如無法進行隔離應進行分析說明。隔離方法分物理隔離和電氣隔離。

為了滿足核級電路物理隔離要求，安全級控制儀表盤（屏）的設計與建造中考慮了以下因素：

安全級電路和安全相關的電路必須提供分開的電纜入口、導線槽和接線端子。非安全級電路亦必須提供分開的電纜入口、導線槽和接線端子?；虬逊前踩夒娐樊斪霭踩嚓P電路處理。

安裝在安全級控制儀表盤（屏）和機架中的設備和部件位置，必須使安全級電路、安全相關電路和非安全級電路保持最小分離要求。內部配線必須按規定的路線敷設與支撐。至少在安全級控制儀表盤（屏）或機架的整個壽期內，必須保持所設計的實體分離。

為了滿足核級電路電氣隔離要求，C2項目安全級控制儀表盤（屏）的設計與建造中選用了斷路器，電流互感器，繼電器，獨立電源模塊等隔離裝置以及元器件布置滿足最小分離要求來實現核級回路、核級相關回路和非核級回路的隔離以確保隔離裝置一側發生故障而不至于影響另一側回路性能的要求。

2.4電氣系統成套設備組成和功能

根據各系統特點、工程需求和功能關系，及考慮不重復投資等因素，確定選配以下設備實現核應急備用電源的電氣系統控制、檢測和保護功能。

機組電氣系統可實現對柴油機、發電機、機組機械輔助設備、電氣輔助設備等的控制、監測和保護功能。各系統功能如下：

監測系統功能由EEG040IP完成，實現機組各個系統熱工參數的監測、報警和故障命令輸出、存儲和記錄等功能。

柴油機控制系統由EEG003CP完成，實現機組正常啟停和保護執行（包括故障停機和緊急停機），同時為二次回路提供供電電源等功能。

發電機控制系統由EEG001CP完成，可實現機組調壓、調頻、合閘和分閘、電氣保護報警顯示、勵磁控制、同期操作等功能。

機組保護由EEG010HP和EEG004CP完成。其中，EEG010HP可實現發電機的差動、過壓和欠壓、低頻、失磁、低阻抗、零序過流和逆功率保護功能。EEG004CP可實現柴油機112%和115%兩級超速保護，其中115%超速保護采用三取二邏輯控制，執行機組快啟和慢啟等操作命令，提供啟動成功和允許勵磁命令。

發電機的勵磁系統由EEG002CP完成，實現調壓、調差、勵磁電流調節、功率因素調節，同時完成勵磁電壓的過壓和欠壓保護、勵磁電流的過流和欠流保護等功能。

高壓接地系統功能由EEG020HP實現，完成發電機的接地故障保護功能。

高壓信號系統功能由EEG010HP實現，提供發電機監測、保護和并網信號。

EEG001VB主要完成柴油機正常停機、超速保護、啟動助推、啟動助噴功能，安裝部分一次監測元件。

3　核級設計驗證

3.1聯調驗證

聯調驗證是整個成套工程技術作業中最重要的環節，在所有系統安裝結束之后，通過功能聯調和功能檢查、標定和標校，驗證整個技術作業過程的準確性，各個系統功能的完整性，以及系統與系統之間、機電之間完成功能的協調性，同時糾正彌補前期技術作業過程中存在的設計問題、設備和元件問題、軟件問題、接口問題等技術缺陷和不足。

即通過聯調的手段，驗證設定目標，同時又滿足質量控制和質量保證的要求。

3.2核級設計驗證試驗（型式鑒定試驗）

3.2.1型式鑒定試驗概述

核級鑒定試驗也稱為核級設計驗證試驗，是對前期設計和成套設備功能是否滿足核電廠IEEE387《核電廠備用電源用柴油發電機組準則》要求所實施的驗證。根據IEEE387要求，“第一次作為核電站備用電源的應急機組應符合型式試驗大綱的要求，嚴格進行負載能力試驗、100次啟動和帶載試驗和裕度試驗3項試驗。這些試驗最好在成套廠完成”。

負載能力試驗是為了證明機組在額定功率因數下承載負載運行指定時間的能力和按相關要求成功甩掉負載的能力。裕度試驗是為了證明機組具有啟動和承受高于電廠設計負載分布圖中最嚴重的階躍負載的能力，其驗證準則為證明發電機和勵磁系統能接受裕度試驗負載（通常對泵電動機來說是低功率因數、高沖擊啟動電流）而不發生失速或失壓現象。

啟動和帶載試驗是為了確定機組在滿足核電廠設計要求的時間間隔內啟動和承受負載的能力而進行的一系列試驗，需進行100次有效的試驗而不發生故障。若機組未成功地完成這一系列試驗，則要求檢查系統的合適性，排除故障的起因后繼續試驗，直到完成100次有效的啟動和帶載試驗而不發生故障。如果按試驗大綱程序進行時發生故障的原因能夠歸于下列任何一種情況，可以考慮這次特定試驗，在找出和改正試驗故障原因的條件下，恢復試驗程序而無須增加試驗次數：

1）確實可以歸因于操縱員錯誤的未成功的啟動試驗。這些錯誤包括在特定的啟動試驗之前，粗心地改變了諸如可調整的控制開關、可調電阻、電位器或其他調節裝置的設定值。

2）為驗證在這一系列試驗期間需要的例行維修程序所進行的試驗。這一維修程序應在進行啟動和加載試驗之前確定并成為機組安裝后正常維修計劃的一部分。

3）在排除故障過程中進行的試驗。在排除故障過程中進行的每次啟動試驗應在進行啟動試驗之前予以確定。

4）有意中止的不加載的成功的啟動試驗。

5）任何臨時性服務系統的故障，例如那些永久性設備組成部分的直流電源、輸出電路斷路器、負載、電纜、導線等其他任何臨時性裝置。

是否能按要求完成鑒定試驗考驗的除了機組本身設備性能外，主要取決于電氣控制設備對機組進行控制、監測和保護功能是否正常，通過試驗可對前期設計進行驗證，確保供貨設備性能準確性和可靠性，保證核電站安全停堆。

3.2.2機組試驗臺架設備

核應急機組試驗臺架是完成機組型式試驗與出廠試驗的必備設施?？紤]到滿足不同容量的核應急機組的需求一次系統和功耗水阻采用單機10 000 kW和雙機5 000 kW的臺架設施建造方案，如圖1所示。

當斷路器DL1和DL2閉合，DL3和DL4開路時，試驗臺能完成雙機5 000 kW機組的臺架試驗方案。

當斷路器DL1或DL2閉合、同時DL3閉合時，試驗臺能完成單機10 000 kW機組的臺架試驗方案?？紤]到IEEE387對裕度試驗，即負荷極限試驗的要求，試驗時可閉合DL4回路，此時功率可達單機15 000 kW。

二次系統的控制、監測和保護根據機組容量的不同選擇變比不同的CT和PT，來完成電氣監測和保護數據采集工作，監測系統不僅集成了高精度的多功能電氣參數表，配置了能完成機組所有電氣動靜態指標記錄，存儲和打印了專用軟件程序；同時，還配置了能記錄、存儲和打印核應急機組特殊要求的快速啟動特性曲線的專用軟件程序。

3.2.3快速啟動試驗電壓和頻率曲線

核應急備用電源的性能指標、技術指標、動態特性和靜態特性等是否滿足成套預期設定的目標要求，特別是要通過負載能力試驗、100次啟動和帶載試驗及裕度試驗的驗證，證明12PA6B柴油機與發電機及其輔助設備成套后相關的電氣技術指標能夠滿足巴基斯坦恰?，擟2項目工程備用電源的使用要求。

當核電廠發生意外事故時，一回路和二回路斷路器開路，應急備用電源應能快速啟動并在11 s內達到額定電壓和額定頻率，這是核電廠應急備用電源最重要的技術指標要求之一。前期ALSTOM通過對應急備用電源快速啟動并達到額定電壓和額定頻率的時間進行了計算，計算結果為11 s。

在100次的快速啟動帶載試驗驗證中，記錄曲線顯示，機組電壓和頻率分別在9.96 s和9.93 s達到額定值并穩定在該數值上。在突加50%的額定功率時電壓和頻率的瞬態調整都在目標值之內。

4　驗證結果

經首套機組核級鑒定試驗，包括負載能力試驗、100次啟動和帶載試驗及裕度試驗。一次系統和功耗水阻如圖1所示。試驗結論獲得了買方、巴基斯坦業主以及巴基斯坦核安局全局的批準認可。核電站備用電源鑒定試驗是整個成套工作的最后驗證階段，如表1所示。

圖1　一次系統和功耗水阻示意圖Fig.1　Sketch of primary system and water resistance

表1　結果對照Table 1　Result contrast

綜上所述，C2項目應急備用電源電氣和儀控系統功能完成準確，各項電氣技術指標滿足目標產品的技術要求，符合核電站應急備用電源1E級電氣和儀控標準的各項要求。

5　結束語

盡管在C2項目應急備用電源中，電氣控制系統的設計與配套的國產化率達到了90%。然而，諸如程序加載仿真計算、模擬快起分析計算等特殊計算分析仍舊依托國外MDF和ALSTOM公司完成，相信隨著我國核電技術的不斷提高，通過引進消化國外核電技術，一定可以實現核電應急機組全面國產化的目標。

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Localized Design of the Electrical System for Nuclear Emergency Diesel Generator Set

LI Ying
（Shaanxi Diesel Engine Heavy Industry Co.， Ltd.， Xi'an of Shaanxi Prov. 710077，China）

Based on CHASNUPP 2 project （hereinafter C2 project）， the characteristics and special requirements for the electric control of the diesel generator set are briefly introduced Related electric equipment is selected to carry out the functions of control， monitoring and protection of the electric system. Through related design and tests， various performance indices，technical indices and dynamic and static characteristics satisfying the aim of complete plant design intended target of the emergency stand-by power are verified. it is proved that related electrical technical indices after completing of 12PA6B diesel engine， generator and auxiliary equipment could satisfy the stand-by power operating requirement.

nuclear power；emergency diesel generator set；electric system；localization

TM623Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）03-0225-06

TM623

A

1674-1617（2015）03-0225-06

2015-03-27

李穎（1981—），女，陜西興平人，工程師，碩士，從事核電工程目管理工作。