12PC2-6B應急柴油發電機組國產化研制

楊發慧,張玉興,劉 榮,周莉娜,楊 浩

(陜西柴油機重工有限公司,陜西 西安 710077)

近年來伴隨著經濟的快速發展,全社會用電總量不斷攀升,用電高峰季節電量短缺的情況時有發生,同時由于多種原因的影響,國內大氣污染現象嚴重,嚴重影響國民身體健康,因此,大量發展清潔核電能源是保障我國能源供給,維護社會發展的戰略選擇。2014年,公司簽訂了福清核電站 “華龍一號”全球首堆示范工程的EDG供貨合同,機組功率8 000 k W,公司選用12PC2-6B型柴油機作為原動機開展EDG研制工作。

1 柴油機設計

1.1 柴油機選型

“華龍一號”反應堆型要求EDG持續電功率為8 000 k W,結合項目現場的環境條件,初步選用12PC2-6B柴油機作為原動機,根據技術文件對該機型進行功率修正[1],現場環境條件下的柴油機機械功率修正公式為:

式中:P現場——現場條件下的柴油機機械功率,k W;

PISO——標準環境下的柴油機機械功率,k W,PISO＝720(單缸功率)×12＝8 640 k W;

式 中:T1——現 場 最 大 環 境 溫 度,℃,T1＝42℃;

Teau——空冷器冷 卻水進 口 溫 度,℃,Teau＝48℃。

式中:h——海拔高度,m。

其中,如果P0＞95 k Pa,則取P0＝95 k Pa。

故α＝1－0.38×10－2(42－45)－0.33×10－2(48－32)－0.74×10－2(95－95)＝0.958 6;

式中:∑ΔP＝|ΔP1|＋|ΔP5|/1.5

ΔP1＜1.5 k Pa(進氣背壓),ΔP5＜2.5 k Pa(排氣背壓)

可知∑ΔP＜4 k Pa,則β取值為1。

綜上,P現場＝8 640×0.958 6×1＝8 282 k W

則現場條件下的柴油發電機組電功率為:

式中:η——發電機效率,η＝0.973

故P＝8 282 k W×0.973＝8 058 k W＞8 000 k W

從計算結果看,選用12PC2-6B型柴油機作為應急柴油發電機組原動機可滿足功率要求 (見圖1)。

圖1 12PC2-6B型柴油機剖視圖Fig.1 The cutaway view of 12PC2-6B diesel engine

1.2 機身研制

12PC2-6B柴油機機身外型尺寸:長×寬×高＝5 487 mm×2 947 mm×1 845 mm。如圖2所示。

圖2 12PC2-6B柴油機機身Fig.2 12PC2-6B diesel engine casing

缸孔中心距740 mm,缸孔V型夾角為45°,A、B排缸孔中心距125 mm;缸孔外側為凸輪軸腔,最小壁厚25 mm;底腳板部位寬度1 694 mm,厚度為200 mm;整個鑄件輪廓尺寸大,壁厚相差懸殊,內外結構復雜,毛坯重量為35 t。

技術要求如下:

1)材質:QT400-15 A(GB/T 1348-2009)或EN-GJS-400-15 U(EN1563-2011);

2)機械性能:抗拉強度≥390 MPa,屈服強度≥250 MPa,延伸率≥14%,布氏硬度:130～185 HBW;

3)基體組織結構:鐵素體≥90%,石墨形態:Ⅴ＋Ⅵ≥90%;

4)尺寸:4～6級;

5)化學成分:P≤0.1%,S≤0.02%,Ti≤0.02%。

從機身的技術要求、結構特點來看,機身鑄造主要難點在于:

1)尺寸超差:機身外型尺寸大,內部結構復雜,尺寸精度要求高,對工裝、模具的保障系數要求高;

2)質量要求高:容易產生縮孔、縮松、夾渣、夾砂、氧化夾渣等缺陷;

3)機身澆注重量大,需兩包鐵水,澆注過程時間長,易出現球化和孕育衰退,按傳統工藝方法生產,很難達到文件要求的球化率。

通過采用缸孔面朝下的工藝方案,設計合理可行的澆注方案、采用底注式開放性澆注系統,內澆道分散注入,減小金屬液對鑄型沖擊力;充型平穩,機身的缸孔、凸輪軸、主軸承等重要部位的補縮和整個型腔的排氣通暢,有利于保證澆注質量;機身底腳板、主體坭芯之間設計冒口,提供機身液態補縮和部分凝固補縮,并配合適當的工藝冷鐵,有效消除了縮孔、縮松缺陷,保證了整個機身的內部質量。

通過采用優質生鐵,合理確定生鐵、各種原材料配料及原鐵水化學成分。選用高質量球化劑及孕育劑,設計延長球化及孕育反應時間的裝置,制定有效的球化和孕育工藝,延長球化及孕育反應的時間,多包澆注并合理分配鐵水重量及把握最佳孕育時機,防止球化和孕育衰退,保證了球化及孕育效果,從而達到了技術文件對機身球化率的要求。

2 發電機設計

EDG是為核電廠提供應急電源的設備,發電機在規定的環境條件和地震載荷下,在規定的事故期間和事故后都能安全、可靠地啟動和運行。發電機選用無刷交流同步發電機,遵循IEC60034標準,RCC-E標準及ISO標準。發電機采用自帶風扇的風冷式冷卻,內部裝有防冷凝電加熱器,發電機安裝一套軸承,軸承采用自潤滑方式,軸承上裝有鉑電阻溫度傳感器。發電機勵磁系統采用無刷勵磁方式,由一個旋轉主勵磁機和一個安裝在主發電機軸上的永磁式發電機 (PMG)組成。發電機勵磁系統在自動電壓調節器 (AVR)的控制下運行,AVR系統在孤島模式和并網模式下均可使用。

3 機組軸系設計

機組軸系設計是保證機組正常運行的關鍵步驟,因軸系設計不合理而導致軸系扭轉應力過大損壞軸系的事例已屢見不鮮。柴油機是一種往復式機械設備,曲軸承受一個周期性激振力矩,該力矩是軸系發生扭轉振動的能量來源。軸系按激振的頻率進行強制振動,當強制振動的頻率與軸系固有頻率相同時就會發生共振現象,當軸系的應力超過曲軸許用應力時可能會發生曲軸斷裂事故。而應急柴油發電機組要求在短時間內啟動并迅速加載,對軸系的沖擊更大。

12PC2-6B機組的柴油機和發電機采用剛性連接,無聯軸器,對整個軸系進行扭振應力計算,結果見表1。

表1 自由振動計算結果Table 1 Calculation results of rree vibration

機組軸系強迫振動的計算是在頻域下采用解析法進行,分為正常發火和單缸熄火兩種情況(見表2)。

表2 強迫振動計算結果Table 2 Calculation results of forced vibration

通過計算得知,該機組在正常發火和單缸熄火的狀態下,曲軸的應力都低于規定的許用應力。

4 機組隔振設計

根據技術要求,機組需要進行隔振,機組振幅小于0.5 mm[2]。因此,對該機組進行隔振設計,機組使用彈簧阻尼隔振器安裝在基礎上。通過分析機組隔振系統的固有特性,計算固有頻率及振型,避免激勵力頻率達到固有頻率而產生共振。計算各階模態下的阻尼比,進一步校對各階模態對于機組振動的貢獻量以及隔振系統的隔振效率。計算各個轉速下機組質心的振動響應情況以及減震器安裝點的振動響應情況[3]。EDG隔振計算坐標系的選擇如圖3所示。

圖3 12PC2-6B EDG隔震計算坐標系Fig.3 12PC2-6B EDGisolators coor dinates

把柴油機與發電機看成整體質量,剛性安裝在筏架上,筏架與基礎之間有24個減震器,6個阻尼器,以xoz平面呈對稱分布。質量質心以及各減震器、阻尼器參數如表3所示。

表3 質量參數Table 3 Quality par ameters

表4 隔震參數Table 4 Isolation parameters

(1)模態分析

該隔振系統有6個自由度,即沿3個坐標軸的平動x、y、z,繞3個坐標軸的轉動α、β、γ。如表5所示。

表5 模態分析結果Table 5 Modal analysis results

續表

(2)機組響應

柴油機的額定轉速為600 r/min,額定功率為8 640 k W。在額定轉速下的激勵力分別為:

在各個轉速下的力和力矩為:F＝ (N/Nn)/Fn,式中F為各轉速下的力與力矩;N為轉速,Nn為額定轉速;Fn為額定轉速下的力與力矩。

(3)機組總體質心響應

不同轉速下機組質心響應如圖4、圖5所示。

圖4 不同轉速下機組質心沿坐標軸三個方向的位移Fig.4 Forced vibrations-Genset COG-displacements

圖5 不同轉速下機組質心繞坐標軸三個方向的角位移Fig.5 Forced vibrations-Genset COG-angular displace ment

(4)2號、23號減震器響應

根據隔振計算結果,機組在300～600 r/min過程中,機組的振動遠小于技術規范要求。如圖6、圖7所示。

圖6 2號減震器安裝點沿坐標軸三個方向的位移Fig.6 Forced vibrations-mount No．2-displace ments

圖7 23號減震器安裝點沿坐標軸三個方向的位移Fig.7 Forced vibrations-mount No．23-displacements

5 公共底座設計

該應急柴油發電機組公共底座外形尺寸 (L×W×H)為11 883 mm×4 050 mm×1 390 mm,總重量42.3 t。

公共底座整體采用雙層框架式結構。該底座支承部分由4個大型工字鋼組成,同時在其底部及兩邊輔以同樣型號的三種短型型鋼 (見圖8部件3)和鋼板 (見圖8部件2)予以結構加強,構成整個底座最重要的承壓部分。設計完成后,需要按照ASME III NF分卷要求校核承壓部件在最大載荷組合下的力學性能。

柴油機安裝在兩塊95 mm厚的鋼板 (見圖9部件12)上,柴油機的安裝平面與工字鋼平面之間采用兩塊立板連接,在其兩邊和內部各有筋板 (見圖9部件11)對其進行加固,以工字鋼上平面為基準使用鋼板焊接,使其與四周形成一個封閉的空間,則為柴油機的油底殼。

圖8 公共底座側視圖Fig.8 Side elevation of the pedestal

圖9 公共底座軸視圖Fig.9 Axial view of the pedestal

油底殼外側分別有兩塊立板,支撐兩塊厚70 mm厚的平板,這兩塊平板同自由端的平板用于安裝阻尼器、隔振器、滑油自凈式濾器、燃油自凈式濾器以及管道支架,簡化外部管道設計,其與下底板之間均有筋板加強。

6 機組抗地震計算

按IEEE387-1995規范,應急柴油發電機組需進行抗地震計算,以保證在地震事件過程中,機組性能不降低,機組抗地震計算按以下步驟進行:

1)將機組作為一個整體,根據當地地震響應譜計算地震通過隔振器對機組的響應;

2)建立柴油機、發電機、公共底座數學模型;

3)根據已計算的機組響應,利用有限元對柴油機、發電機進行受力分析。

機組抗地震分析主要分為3部分,第一部分將柴油機、發電機、公共底座作為一個整體,分析機組在地震發生時,機組對地震反應波的響應情況,同時計算機組在彈性安裝時,機組的自由震動頻率,根據機組對地震波的反應以及機器運行時狀態,計算柴油機上一些懸掛部件的應力,如增壓器支架,空冷器支架等;第二部分主要是對柴油機的管系進行自振頻率分析以及在地震響應及機組運行狀態下的受力分析;第三部分是對柴油機一些零部件進行等效應力分析[4]。

7 機械輔助系統設計

7.1 燃油系統設計

燃油系統主要是通過燃油主儲油罐、燃油日用油箱、燃油輸送泵等設備保障燃油的正常補給和儲存;通過機帶燃油泵、燃油增壓泵、壓力調節閥等設備提供機組正常運行所需的燃油流量和壓力。

在機組運行時,主儲油罐中的燃油通過燃油輸送泵輸送至日用油箱。燃油機帶泵從日用油箱吸油向柴油機供油,當機帶泵故障,燃油壓力降低時,燃油增壓泵自動投運,以保證機組燃油的正常供應。燃油系統原理設計如下:

(1)冗余設計

為了提高機組可靠性,對機組燃油回路進行冗余設計,正常情況下有機帶燃油泵對機組進行燃油供給,當燃油監測壓力低于設定值時,燃油電動泵回路自動投入工作,提高機組的可靠性。

(2)防火設計

燃油油氣具有較強的可燃性,設計燃油系統時,燃油主油灌以及日用油箱的通氣口不允許直接排至機房內,必須通過管道引至機房外,同時在通氣管路上安裝阻燃器;在燃油日用油箱底部安裝快速放泄閥,在機房發生火災時,可以通過放泄閥迅速將燃油放泄至主油罐。

(3)控制設計

燃油輸送泵設置手動和自動兩種模式,當設置為手動時,需要人工操作泵的起停;當設置為自動時,日用燃油箱液位控制燃油輸送泵的起動。燃油增壓泵設置手動和自動兩種模式,當設置為手動時,需要人工操作泵的起停;當設置為自動時,燃油進機壓力控制燃油增壓泵的起停,當燃油進機壓力低于設定值時,燃油增壓泵自動起動。

7.2 滑油系統設計

為保證機組的快速啟動性能,在柴油機處于備用狀態時,須設計一套連續預潤滑回路,該回路流量大約為機組正常運行時滑油流量的10%左右。由于預供滑油系統為非核級系統,在滑油主回路與預供油回路利用核級單向閥隔開。

在設計滑油油量時,須保證機組連續滿功率運行7 d,在油底殼上需要設計三個報警點,一個高液位報警點,兩個低液位報警點。其中一級低液位報警作為提示油底殼內油位已不能滿足7 d運行的要求,提醒操作人員及時補充油位;二級低液位報警為停機報警,告知機組油位已到警戒油位,繼續運行機組會發生故障。

滑油進機壓力監測信號對于柴油機運行至關重要,滑油壓力低會導致機組故障,為此在滑油壓力監測設計時采取3取2邏輯設計,防止由于壓力傳感器誤動作而發出錯誤的指令。

7.3 冷卻水系統設計

水質的要求,冷卻水的水質將會嚴重影響機組的壽命,水質較硬時將會在柴油機的缸套外表面結垢,導致散熱性能降低。在寒冷地區還必須考慮在水中添加適量的防凍液。

換熱量設計,根據現場的條件,以及機組的特性計算機組換熱量,在計算時需考慮由于防凍液的添加導致冷卻水比熱的變化,在計算換熱量后一般留15%的設計余量。

7.4 啟動空氣系統原理設計

(1)冗余設計

在設計啟動系統時,必須考慮系統的冗余性,從而提高機組的可靠性,采用兩套獨立的啟動系統來起動機組,即使在某一路系統發生故障時,機組仍能在規定時間內啟動。

(2)安全性設

壓縮空氣系統的壓力較高,一旦發生過壓將會導致較為嚴重的后果,所以在氣瓶以及減壓閥后需要設計安全釋放閥,來保證系統的安全性。

(3)系統隔離設計

由于壓縮空氣系統中同時有核級和非核級設備,所以用單向閥對這兩類設備進行隔離,另外為了既要保證兩套啟動系統相互獨立,又要保證同時給超速保護氣瓶和控制空氣供應氣源,所以在超保空氣瓶、控制空氣與兩個空氣瓶之間加單向閥。

(4)控制系統設計

空壓機單元起停設計:空壓機單元設置自動和手動兩種模式。手動位置,人工控制空壓機的起停,為了安全起見,當空氣瓶壓力達到設計值時,空壓機自動停止工作;自動位置,空壓機的起停受空氣瓶內壓力控制,當壓力低于低設計值時,空壓機自動啟動,但壓力達到高設計值時,空壓機自動停止工作。

超速 (緊急停車)保護設計:該系統是用于在柴油機在緊急情況下快速停車從而保護柴油機,超速保護設計分為110%和112%兩次保護。

8 電氣輔助系統

電氣輔助系統作為整個機組的核心執行著啟動、停車、控制、調速及保護的關鍵功能。這個“指揮中心”設計的合理性和可靠性是機組安全運行的有效保障。

在電氣輔助系統設計成套開發過程中,無論是方案、原理設計還是設備選型都嚴格遵循相關標準,并以適用條款和工程通用技術規范作為指導依據。電氣原理設計遵循RCCE-2005、IEEE 384-2008、IEEE387-1995等標準,確保了1E/N1E回路間的隔離;涉及機組安全運行的回路采取了冗余設計,提高了系統的可靠性。

8.1 系統組成

根據IEEE387-1995《核電站柴油發電機組用柴油發電機組準則》的規定,應急柴油發電機組的系統組成如圖10所示[5]。

圖10 應急柴油發電機組系統組成圖Fig.10 Co mposition of the EDGsystem

(1)就地控制監測系統

由于核電廠對安全的特殊需求,其對于技術成熟性和器件可靠性的要求遠遠超過了先進性,因此在本次 “華龍一號”12PC2-6B應急柴油發電機組的研制過程中,對于啟動、停車等安全級控制回路采用獨立、可靠的繼電器進行邏輯搭建,非安全級的控制 (如預加熱單元的控制、非優先級的啟動連鎖控制、高溫水溫度高保護輸出控制、所有報警信號的輸出等)采用PLC的控制模式。而且,所有模擬量的信號均可輸入PLC并通過通訊接口將該信息送入H MI,通過可視化的界面將應急柴油發電機組系統中油、水、氣的溫度、壓力、液位等信息展示給操作人員,并記錄機組啟/停、斷路器的開/合、各種泵、空壓機等的啟、停狀態;記錄當前及歷史發生故障的內容、時間等。

(2)速度調節系統

采用兩路轉速信號輸入作為閉環速度調節系統的冗余設計,有效避免了一路轉速信號失效而造成的系統失控。

(3)勵磁調壓系統

該系統配置了雙通道自動電壓調節器 (AVR),一用一備。

具有手動和自動電壓調節功能,且手動和自動間切換不會引起調節器的故障。同時配置有電壓調節系統必須的保護,如旋轉二極管故障、勵磁機磁場電流過流和欠流故障保護。

勵磁回路中設置了機械聯鎖裝置 (帶鑰匙),防止機組維修時由于意外啟動對人員造成傷害。

(4)機械電氣保護系統

安全級和非安全級的機械保護通過繼電器的搭建和PLC的程序控制分別實現。

電氣保護中非安全級的保護采用綜保裝置來完成發電機過壓、過/欠頻、差動等的保護輸出,而僅對安全級的欠壓保護回路采用獨立的電壓繼電器來實現。

在應急運行工況下,只有欠壓 (三取二邏輯)、115%超速 (三取二邏輯)和滑油低壓 (三取二邏輯)保護停機會起效,其余保護均只報警。

(5)中壓系統

中壓系統主要配置了電壓互感器、電流互感器 (安裝在發電機上)用于給測量、保護、勵磁控制及同期并網提供電壓及電流信號。

8.2 設備組成

根據各系統特點、工程需求和功能關系,確定電氣輔助系統由以下設備實現應急柴油發電機組的控制、保護及監測功能。如表6所示。

表6 電氣輔助系統設備組成Table 6 Auxiliar y electrical system

9 鑒定試驗

EDG設備在成套設計完成后按照GB/T 2820—2008要求完成常規試驗,同時需按照IEEE387-1995標準和相關采購技術要求完成鑒定試驗,已驗證其性能滿足核電廠需要,下面例舉兩個具有代表性的試驗。

9.1 機組啟動性能試驗

機組在兩套獨立的啟動系統分別作用下能夠連續啟動5次,并在12 s內達到額定電壓和額定頻率,技術要求在15 s內達到額定電壓和額定頻率。如表7所示。

表7 機組啟動性能試驗結果Table 7 Results of the EDGstartup perfor mance test

9.2 起動及帶載可靠性試驗

機組在接到啟動命令之后,15 s內達到額定電壓和額定頻率,并突加50%額定負載,試驗連續進行100次,中間沒有出現一次失敗。

10 結論

12PC2-6B應急柴油發電機組的設計理念和性能指標均能滿足目標產品的技術要求,符合 “華龍一號”全球首堆示范工程1E級應急電源的要求。

[1]孫培廷,李斌,杜榮銘,等．船舶柴油機 [M]．大連:大連海事大學出版社,2008:24-29．

[2]往復式內燃機驅動的交流發電機組 第9部分:機械振動的測量和評價:GB/T 2820.9-2002[S]．2002．

[3]王臣臣．某柴油機發電機組隔振系統設計 [J]．柴油機,2016,38(5):33-38．

[4]李黎明．ANSYS有限元分析實用教程 [M]．北京:清華大學出版社,2005．

[5]用作核能發電站備用電源的柴油發電機組的IEEE標準:IEEE387-1995[S]．1995:1-2．