核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組定期試驗(yàn)啟動(dòng)方式的探討

李劍波，周 舟

(中廣核研究院有限公司，廣東深圳518031)

核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組定期試驗(yàn)啟動(dòng)方式的探討

李劍波，周 舟

(中廣核研究院有限公司，廣東深圳518031)

分析了國內(nèi)外關(guān)于核電廠EDG定期試驗(yàn)啟動(dòng)方式的相關(guān)研究以及最新的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。介紹了國外核電廠的相關(guān)改善措施及其效果，對(duì)國內(nèi)核電廠在EDG定期試驗(yàn)中使用慢啟動(dòng)的方式進(jìn)行了必要性論證。為EDG啟動(dòng)方式改進(jìn)提供了兩種方案，詳細(xì)分析了兩種方案的風(fēng)險(xiǎn)和失效概率，為核電廠的相關(guān)改進(jìn)提供了重要參考。

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組，定期試驗(yàn)，啟動(dòng)方式

1 概述

1.1 EDG介紹

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組(Emergency Diesel Generator，EDG)作為核電廠的重要后備電源，為核電廠安全停堆所需的中低壓核輔助設(shè)備供電，確保設(shè)備安全和人身安全；還可防止由于外部交流電源喪失而導(dǎo)致重要設(shè)備損壞。為保證中低壓核輔助設(shè)備供電的可靠性，EDG須在啟動(dòng)信號(hào)發(fā)出后極短的時(shí)間內(nèi)(一般為十秒至幾十秒)完成啟動(dòng)并達(dá)到額定轉(zhuǎn)速和額定電壓。

1.2 EDG定期試驗(yàn)介紹

按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，為驗(yàn)證EDG的可用性和各項(xiàng)指標(biāo)性能，應(yīng)進(jìn)行定期試驗(yàn)。

定期試驗(yàn)是指在核電廠的整個(gè)壽期內(nèi)按照確定的周期和方法進(jìn)行的定期檢驗(yàn)；其目的是確保核安全相關(guān)功能中涉及設(shè)備的性能與其設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)定數(shù)值的一致性。

EDG定期試驗(yàn)包含低功率試驗(yàn)和滿功率試驗(yàn)兩種，低功率試驗(yàn)通過切斷正常電源帶廠用負(fù)荷進(jìn)行；滿功率試驗(yàn)通過與廠外輔助電源并網(wǎng)后進(jìn)行。國內(nèi)壓水堆核電廠EDG定期試驗(yàn)的具體內(nèi)容略有差異，但主要試驗(yàn)項(xiàng)目基本一致。

核電廠的特殊性對(duì)EDG提出了快速啟動(dòng)的要求，其試驗(yàn)也分為快啟動(dòng)試驗(yàn)和慢啟動(dòng)試驗(yàn)[1]。

1.3 EDG空氣啟動(dòng)系統(tǒng)介紹

國內(nèi)核電廠EDG均采用壓縮空氣啟動(dòng)的方式。

EDG的每臺(tái)引擎設(shè)有兩套相同的、完全獨(dú)立的空氣啟動(dòng)系統(tǒng)，空氣啟動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的壓縮空氣用以啟動(dòng)柴油機(jī)。EDG啟動(dòng)時(shí)，電磁閥被啟動(dòng)信號(hào)觸發(fā)開啟，壓縮空氣注入氣缸使其開始運(yùn)動(dòng)，氣缸帶動(dòng)大軸轉(zhuǎn)動(dòng)。系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 EDG空氣啟動(dòng)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic plot of EDG’s Air Start-up system

2 柴油機(jī)快啟動(dòng)存在的問題

EDG定期試驗(yàn)首先要啟動(dòng)柴油機(jī)，目前國內(nèi)核電廠均采用快啟動(dòng)的方式。

1977 年美國核管會(huì)(NRC)發(fā)布RG1.108導(dǎo)則，對(duì)EDG的定期試驗(yàn)做出了規(guī)定：每月進(jìn)行一次快啟動(dòng)試驗(yàn)，如果之前100次有效試驗(yàn)中有2次不成功，則此后試驗(yàn)周期縮短為14天；若有3次不成功則試驗(yàn)周期進(jìn)一步縮短為7天；若有4次則每3天就必須進(jìn)行一次試驗(yàn)。制定這一嚴(yán)格規(guī)定的基礎(chǔ)是：確定論的電站設(shè)計(jì)理念中EDG在喪失廠外電后極其重要，以及當(dāng)時(shí)對(duì)柴油機(jī)的認(rèn)識(shí)。其初衷是敦促EDG存在問題的核電廠努力改進(jìn)，不致因頻繁執(zhí)行EDG啟動(dòng)試驗(yàn)而導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失。

自20世紀(jì)80年代，NRC及眾多核電廠已開始對(duì)EDG的老化進(jìn)行研究。結(jié)果表明頻繁的快啟動(dòng)是導(dǎo)致EDG老化及可靠性下降的主要原因之一。為此1984年NRC針對(duì)提升與保持核電廠EDG可靠性所發(fā)布的新規(guī)明確指出：鑒于EDG在喪失廠外電源時(shí)的作用，電站應(yīng)保證EDG的可靠性，NRC將在必要時(shí)評(píng)價(jià)電站在減少EDG的快啟動(dòng)定期試驗(yàn)、跟蹤EDG的可靠性數(shù)據(jù)及制定提高EDG可靠性的計(jì)劃等方面的工作。此后不斷有美國核電廠提出修改EDG定期試驗(yàn)方式的申請(qǐng)，將EDG定期試驗(yàn)由快啟動(dòng)方式改為慢啟動(dòng)方式。

2.1 美國核電廠的改進(jìn)方案

對(duì)EDG的老化及對(duì)可靠性進(jìn)行了大量的研究后，NRC頒布了RG1.9導(dǎo)則《核電廠1E級(jí)EDG的選擇、設(shè)計(jì)、鑒定與試驗(yàn)》，RG1.108被廢止。該導(dǎo)則明確了EDG的月度啟動(dòng)試驗(yàn)應(yīng)按“預(yù)先所確定的產(chǎn)生最小磨損與沖擊的步驟慢速啟動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速的試驗(yàn)方式”進(jìn)行，即采用慢啟動(dòng)試驗(yàn)方式。隨后，通過對(duì)已修改了定期試驗(yàn)啟動(dòng)方式的柴油機(jī)進(jìn)行跟蹤調(diào)查，性能數(shù)據(jù)表明這一改進(jìn)對(duì)柴油機(jī)的可靠性產(chǎn)生了積極影響。

2.2 法國核電廠改進(jìn)方案

法國核電廠的改進(jìn)措施主要體現(xiàn)在減少EDG的啟動(dòng)次數(shù)和改進(jìn)定期試驗(yàn)方式。法國國家電力公司已將EDG一月一次的快啟動(dòng)試驗(yàn)改為：交替進(jìn)行的兩月一次的快啟動(dòng)試驗(yàn)及兩月一次的啟動(dòng)打油膜試驗(yàn)。

2.3 IAEA的建議

2002年IAEA對(duì)嶺澳一期核電站進(jìn)行“預(yù)運(yùn)行安全評(píng)估”后，認(rèn)為EDG定期試驗(yàn)過于頻繁，一月一次的快啟動(dòng)試驗(yàn)將對(duì)EDG的可靠性造成負(fù)面影響，建議盡量減少EDG的快啟動(dòng)次數(shù)(認(rèn)為快啟動(dòng)應(yīng)該每個(gè)大修才做一次)，以降低定期試驗(yàn)對(duì)柴油機(jī)的老化效應(yīng)，延長其使用壽命并提升其可靠性。

NS-G-1.8中明確建議核電廠EDG在試驗(yàn)中采用慢啟動(dòng)的方式。

3 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求

通過搜索中國、IAEA、美國、法國、德國發(fā)布的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，共有8個(gè)與EDG定期試驗(yàn)相關(guān)，如表1所示。

表1 EDG定期試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范列表

以上4個(gè)對(duì)EDG定期試驗(yàn)啟動(dòng)方式有要求的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范均建議或要求EDG在定期試驗(yàn)中多采用慢啟動(dòng)。

4 根本原因分析

國內(nèi)現(xiàn)有EDG的柴油機(jī)機(jī)型均由船用柴油機(jī)改進(jìn)而來，國外也基本如此。船艙內(nèi)空間有限，不能像核電廠一樣為柴油機(jī)增加一整套預(yù)熱和預(yù)潤滑系統(tǒng)，但柴油機(jī)啟動(dòng)前要求充分預(yù)熱和預(yù)潤滑，所以一般船用柴油機(jī)的啟動(dòng)過程耗時(shí)較長，可達(dá)半小時(shí)以上。船用柴油機(jī)在啟動(dòng)前都會(huì)通過各種方式緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)柴油機(jī)的主軸，即所謂的盤車。盤車的主要目的是為柴油機(jī)的各種運(yùn)動(dòng)部件建立油膜，原理與法國核電廠的打油膜試驗(yàn)類似，防止由于柴油機(jī)啟動(dòng)前，軸承、連桿等轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備未經(jīng)潤滑而造成急劇摩擦，導(dǎo)致拉缸、燒瓦等嚴(yán)重故障。

核電廠柴油機(jī)雖然有一整套預(yù)熱和預(yù)潤滑系統(tǒng)，但預(yù)潤滑是在柴油機(jī)未啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行，此時(shí)柴油機(jī)的各種運(yùn)動(dòng)部件均處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，潤滑油無法進(jìn)入軸承和連桿，不能建立油膜。同時(shí)，為滿足快啟動(dòng)的要求，啟動(dòng)空氣的壓力較大(國內(nèi)機(jī)組一般為40bar.g)，在柴油機(jī)啟動(dòng)瞬間，軸承和連桿會(huì)承受巨大的啟動(dòng)沖擊力。雖然柴油機(jī)已經(jīng)預(yù)熱，但重要運(yùn)動(dòng)部件均未形成油膜，將造成重要運(yùn)動(dòng)部件急劇摩擦，導(dǎo)致拉缸、燒瓦等故障。相關(guān)研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)證實(shí)，這種啟動(dòng)方式會(huì)對(duì)柴油機(jī)的壽命和可靠性造成嚴(yán)重影響。

以上分析結(jié)論與國內(nèi)幾個(gè)大型柴油機(jī)廠家溝通后，廠家均表示認(rèn)同。

INPO出版的相關(guān)文件也指出：柴油機(jī)快速的加速和帶載期間，無法在其內(nèi)部建立有效的熱力平衡，可能導(dǎo)致在缸體或曲軸箱產(chǎn)生很高的機(jī)械和熱應(yīng)力，從而引起柴油機(jī)結(jié)構(gòu)的變形。這些變形會(huì)相應(yīng)地導(dǎo)致金屬與金屬的接觸(刮擦)，加速部件的磨損。刮擦?xí)a(chǎn)生非常高的溫度，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致曲軸箱炸裂。

快啟動(dòng)是核電廠特殊性對(duì)EDG的要求，這一功能需通過定期試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，但如果每一次EDG定期試驗(yàn)均執(zhí)行快啟動(dòng)，將會(huì)顯著增強(qiáng)柴油機(jī)的老化效應(yīng)并降低其可靠性。

據(jù)國外經(jīng)驗(yàn)反饋，法國核電廠柴油機(jī)早期經(jīng)常出現(xiàn)拉缸問題，后經(jīng)論證，將規(guī)范中要求的啟動(dòng)時(shí)間從10s延長到了15s，拉缸問題得到明顯改善。

綜上，建議國內(nèi)各核電廠盡快改進(jìn)EDG定期試驗(yàn)的啟動(dòng)方式。

以下將給出兩種改進(jìn)方案供參考。

5 EDG慢啟動(dòng)改進(jìn)方案

5.1 盤車電機(jī)改進(jìn)方案(方案一)

大型汽輪機(jī)一般都裝有盤車電機(jī)，其目的之一是汽輪機(jī)啟機(jī)前在主軸和軸瓦之間建立油膜，避免主軸和軸瓦之間產(chǎn)生“干磨”的現(xiàn)象。這與船用柴油機(jī)啟動(dòng)前進(jìn)行盤車的目的基本相同。本改進(jìn)方案將在合適的位置為柴油機(jī)增加盤車電機(jī)，示意圖如圖2所示。

圖2 盤車電機(jī)安裝位置示意圖Fig.2 Installation position for turning motor

本方案中，盤車電機(jī)選用普通工業(yè)產(chǎn)品，其啟動(dòng)方式為手動(dòng)，出現(xiàn)EDG啟動(dòng)信號(hào)后自動(dòng)停機(jī)。盤車電機(jī)的傳動(dòng)齒輪為單傳動(dòng)向齒輪，防止柴油機(jī)帶動(dòng)盤車電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)。盤車電機(jī)與齒輪間的傳動(dòng)使用電磁式離合器，失電時(shí)斷開，地震情況不會(huì)影響離合器機(jī)械機(jī)構(gòu)的分離。盤車電機(jī)和電磁離合器的控制信號(hào)為1E級(jí)。

5.2 方案一失效概率計(jì)算

方案一中， 力的傳遞方式如圖3所示。

本方案的失效模式為：單向傳動(dòng)齒輪失效疊加電磁離合器失效后，柴油機(jī)帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。即單向傳動(dòng)齒輪和電磁離合器二者均失效。電磁離合器由繼電器控制，地震情況不會(huì)影響離合器機(jī)械機(jī)構(gòu)的解開，失效模式為繼電器失效，其概率參考文獻(xiàn)[2]取保守值10-5，單向傳動(dòng)齒輪的失效概率暫無數(shù)據(jù)，參考核電廠核島閥門的失效概率(實(shí)際上齒輪的失效概率要低于閥門的失效概率)，取(保守值)5×10-3。

故方案一的失效概率為5×10-8。

5.3 修改空氣啟動(dòng)管路改進(jìn)方案(方案二)

利用減壓后的壓縮空氣緩慢推動(dòng)柴油機(jī)旋轉(zhuǎn)。

本方案將修改原啟動(dòng)空氣的管線，增設(shè)一個(gè)減壓閥，以一條管線為例，方案如圖4所示。

本方案中，減壓閥兩邊的手動(dòng)隔離閥為常閉閥門，電磁閥常開(失電開)，EDG定期試驗(yàn)期間反之；減壓閥將空氣壓力減至可以使柴油機(jī)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)的壓力；電磁閥與柴油機(jī)啟動(dòng)電磁閥聯(lián)動(dòng)，即接收到啟動(dòng)命令后開啟，以保證EDG應(yīng)急啟動(dòng)。

為不降低涉及回路和設(shè)備的級(jí)別，手動(dòng)隔離閥、減壓閥、電磁閥和柴油機(jī)啟動(dòng)電磁閥均為1A級(jí)，新增管線為1F級(jí)。

5.4 方案二失效概率計(jì)算

方案二中，新增的管線、閥門均通過相關(guān)鑒定和計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證，在地震工況下能夠保證結(jié)

構(gòu)完整性的要求。因此本方案的失效模式為：電磁閥疊加兩個(gè)手動(dòng)隔離閥和減壓閥中的任意閥門不能打開，導(dǎo)致EDG無法啟動(dòng)。本次失效模式的計(jì)算公式為：

式中：p(v)——手動(dòng)閥失效概率；

p(m)——電磁閥失效概率；

p(r)——減壓閥失效概率。

[6]取p(v)=p(m)=p(r)=0.005。

計(jì)算得方案二的失效概率為7.46×10-5。

6 方案比較

方案一和方案二通過不同的方式實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)慢啟動(dòng)，方案的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表2所示。

國內(nèi)核電廠可依據(jù)自身需要選擇合適的改進(jìn)方案。

7 總結(jié)

柴油機(jī)啟動(dòng)前，潤滑油經(jīng)過預(yù)熱后，外力帶動(dòng)柴油機(jī)的飛輪旋轉(zhuǎn)一段時(shí)間，軸承、連桿等所有轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備都潤滑經(jīng)過了充分的潤滑。這種方式可明顯降低啟動(dòng)對(duì)柴油機(jī)壽命和可靠性的影響。

EDG定期試驗(yàn)中多采用慢啟動(dòng)的方式可明顯降低其老化速率并提升其可靠性，該結(jié)論已被國內(nèi)外的多個(gè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)支持。本論文從這一觀點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合核電廠EDG的特性，提出了兩種改進(jìn)方案，這兩種改進(jìn)方案均能使柴油機(jī)轉(zhuǎn)速持續(xù)上升，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的慢啟動(dòng)。計(jì)算了兩種方案的失效概率，均低于法國標(biāo)準(zhǔn)中要求的EDG失效概率0.01。最后比較了兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，可為核電廠EDG定期試驗(yàn)柴油機(jī)啟動(dòng)方式修改提供重要參考。

參考文獻(xiàn)：

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[7] 王冠，郭弘，姜文華. 淺談核電廠儀表控制系統(tǒng)電磁兼容性要求. 核安全, 2014,13(2).

DiscussionaboutStart-upMeansduringPeriodicTestofEDGinNPP

LIJian-bo,ZHOUZhou

(China Nuclear Power Technology Research Institute，Shen Zheng，518031，P.R.China)

The related investigations and the latest standards and criterions of start-up means for periodic test of EDG in nuclear power plant (NPP) were analyzed. The related amendments and its effect in overseas NPP were described. The necessity for the adoption of slow start-up means during periodic test of EDG in domestic NPP was demonstrated. Two kinds of modification methods were brought forward, theirs venture were detailed analyzed. This provided an important reference for the related modification in NPP.

Emergency Diesel Generator(EDG)；Periodic test；Start-up means

2017-01-12

李劍波(1980—)，男，四川榮縣人，碩士研究生，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事核電站系統(tǒng)和設(shè)備技術(shù)問題分析論證和解決方案

TL48

：A

：0258-0918(2017)04-0638-06