核電站應急柴油發電機組潤滑油系統設計

殷 勇，吳 騰，艾華寧，于 江

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核電站應急柴油發電機組潤滑油系統設計

殷 勇，吳 騰，艾華寧，于 江

（中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518031）

應急柴油發電機組是保障核電站安全運行的重要安保電源設施。潤滑油系統是核電站應急柴油發電機組重要輔助系統之一，在機組備用狀態下即投入運行，并在機組起動后持續運行，必須具有很好的安全性能和可靠性。通過分析潤滑油系統的設計功能與性能要求，將潤滑油系統總體劃分為三個子系統，并對系統設備的安全等級進行劃分，完成了系統的設計方案。結合現役核電站的經驗反饋，在潤滑油系統設計方案中增加了預潤滑油泵雙泵冗余設計和PCOT監測技術，保障了核電站應急柴油發電機組的安全穩定運行。

核電站；應急柴油發電機組；潤滑油系統；雙泵冗余；PCOT

0 前言

應急柴油發電機組是核電站在失去所有外部電源事故模式下，確保核反應堆余熱導出，防止堆芯熔毀的應急安保電源設施[1,2]。機組應在接到起動指令10s內起動并達到額定轉速和額定電壓，按照自動加載程序陸續將應急母線上的負荷重新投入運行。因此，應急柴油發電機組及其輔助系統必須具有極好的起動和運行可靠性[3-5]。

核電站應急柴油發電機組包括潤滑油、燃油、冷卻水、空氣起動、進排氣等五大輔助系統[6]。潤滑油系統作為機組重要的輔助系統之一，在機組備用狀態就必須投入運行，以保證機組可以在短時間內完成正常起動。同時潤滑油系統在機組起動后持續運行，保證柴油零部件能夠得到良好的潤滑、清洗和冷卻。潤滑油系統的合理設計對保障應急柴油發電機組的可靠性和機動性至關重要[7,8]。

1 設計要求

1.1 設備分級

核電站設備安全分級的目的主要是為了在核電站的設計、建造及運行過程中為設備應遵守的嚴格要求程度建立理論依據。參與執行下列安全功能的設備均屬于核電站的安全相關設備[9]。

（1）反應堆緊急停堆以及維持反應堆在安全停堆狀態；

（2）堆芯和安全殼廠房的冷卻（包括中期和長期冷卻）；

（3）放射性物質的封存以及限制向環境的排放并控制在規定限制之內。

應急柴油發電機組屬于執行上述安全功能的設備，其整體作為電氣設備，安全等級應劃分為1E級（即安全級），抗震等級相對應為抗震Ⅰ類。潤滑油系統作為應急柴油發電機組的重要組成部分，其主要的電氣設備應按1E級、機械設備應按安全三級要求，抗震等級應按抗震Ⅰ類要求[10-12]。

1.2 設計功能

在核電站應急柴油發電機組的運行期間，潤滑油系統需要把具有一定壓力和溫度范圍的清潔潤滑油連續不斷地輸送到柴油機的各摩擦面和需要冷卻的部位，以減少機體摩擦損失的功，緩和機件之間的摩擦，同時把機件因摩擦而產生的熱量帶走，并清洗摩擦表面的磨屑和雜質，保證機體的正常運行[13]。

而在機組的備用期間，潤滑油系統需要實現潤滑油的循環流動并維持在一定的油溫范圍內，以確保機組在接到起動指令后能在短時間內完成正常起動。

1.3 性能要求

結合核電站安全運行規定以及應急柴油發電機組的技術要求，潤滑油系統需要具備以下性能要求：

（1）潤滑油系統應能在核電站事故后為應急柴油發電機組提供充足且清潔的潤滑油；

（2）為保證機組運行的可靠性，柴油機的油底殼最小容量需要滿足柴油機在額定功率下運行7d的消耗量。如果油底殼容量不能滿足該要求，則需要再單獨設置一個潤滑油箱；

（3）需配備潤滑油自動加熱裝置，包括循環泵和換熱器，以滿足機組在備用狀態下的潤滑油溫度要求；

（4）需配備自潔型或帶旁路互為備用的過濾器裝置，保證過濾器在機組運行7d內無需進行清洗，或在不影響機組運行的情況下可進行清洗和更換；

（5）為保證在機組排油時，柴油機油底殼內潤滑油可以及時有效地排出，需設置獨立的電動排油泵。

2 系統設計方案

為實現潤滑油系統的功能和性能要求，可以將潤滑油系統總體劃分為三個主要的子系統進行設計：預潤滑和預加熱系統，潤滑系統，潤滑油加注、貯存與排放系統。三個子系統通過柴油機本體相互連接，共同構建完整的潤滑油系統。潤滑油系統總體示意圖如圖1所示。

圖1 潤滑油系統總體示意圖

2.1 預潤滑和預加熱系統

為保證核電站應急柴油發電機組在接到起動指令后便可盡快達到滿功率，當機組處于備用狀態時，必須保持潤滑油的連續循環流動，而且潤滑油的溫度也需要維持在一定范圍內。因此，潤滑油系統需要設置獨立的預潤滑油泵實現潤滑油在機組備用狀態下的連續循環流動，并利用潤滑油/高溫水熱交換器維持潤滑油的溫度。被潤滑油冷卻后的高溫水則是通過機組冷卻水系統的高溫水預熱器裝置來實現加熱，冷卻水系統在機組備用期間一并投入運行。

表1列出了預潤滑和預加熱系統的主要機械設備的分級信息和數量。該子系統同時還包括用于控制預潤滑油泵的壓力開關和用于監測管道各狀態點潤滑油參數的油壓、油溫儀表，以及輸送潤滑油的管道。

表1 預潤滑和預加熱系統機械設備

2.2 潤滑系統

核電站應急柴油發電機組在運行時需要充足且清潔的潤滑油緩解柴油機零部件之間的摩擦，并冷卻柴油機零部件的表面。因此，需要通過較大流量的機帶潤滑油泵將柴油機油底殼中的潤滑油抽入閉式循環系統，經潤滑油/低溫水熱交換器、自凈式過濾器輸送至柴油機各相應部位，并通過溫控閥實時調節和維持潤滑油的溫度。部分清潔度低的潤滑油經旁通管路上的離心過濾器過濾，重新流回油底殼。被潤滑油加熱后的低溫水則是通過機組冷卻水系統的風冷器裝置來實現冷卻，冷卻水系統在機組運行期間一并投入運行。

表2列出了潤滑系統的主要機械設備的分級信息和數量。該子系統同時還包括用于檢測潤滑油過濾器壓差和柴油機進油管油壓的儀表，以及用于監測曲軸箱油溫的儀控裝置。

表2 潤滑系統機械設備

2.3 潤滑油加注、貯存與排放系統

潤滑油貯存在柴油機的油底殼內，其總量應不少于核電站應急柴油發電機組在額定功率下7d的消耗量。油底殼的日常補油需要通過采用移動補油泵聯接現場的潤滑油桶來加注。油底殼的排油則需要通過電動排油泵進行排放。在機組運行期間，為防止柴油機曲軸箱內油氣積聚，需要配備一個油氣分離裝置來分離并排放油氣。該設備配有排污管線和排氣管線。

表3列出了潤滑油加注、貯存與排放系統的主要機械設備的分級信息和數量。

表3 潤滑油加注、貯存與排放系統系統機械設備

3 系統設計輔助技術

為提高應急柴油機發電機組長期運行的可靠性并加強對柴油機本體的運行狀態監測，結合現役核電站的經驗反饋，在潤滑油系統設計方案中增加了“預潤滑油泵雙泵冗余設計”以及“PCOT監測技術”兩項輔助技術。

3.1 預潤滑油泵雙泵冗余設計

預潤滑油泵的可靠性一直是影響柴油機正常起動的重要因素之一。預潤滑油泵雙泵冗余設計通過為每臺應急柴油發電機組設置兩臺100%容量互為備用的預潤滑油泵，并建立雙泵起停與切換控制邏輯，從而保證機組在備用狀態下潤滑油的連續循環。

兩臺預潤滑油泵中的一臺被標記為主泵，另一臺則標記為備用泵。根據機組定期的檢修計劃安排，適時進行主次順序切換。外部停運泵的信號復位后，主泵會優先恢復運轉，另一臺泵隨機恢復備用狀態。通過在潤滑油系統中及柴油機本體上多處設置了監測點并連接自動控制裝置，建立了雙泵自動起停與切換控制邏輯，并設置就地手動切換開關，實現對兩臺預潤滑油泵的有效控制，同時避免了泵的頻繁起停與切換問題。該設計符合核電站“單一故障準則”[14,15]，有效提高了潤滑油系統在機組備用狀態下連續24h運行的可靠性。

3.2 PCOT監測技術

在潤滑油系統的設計方案中加入了PCOT（Pielstick Crankpin Oil Temperature）監測技術，可實現對柴油機本體曲軸箱內油溫的監測、顯示、報警和信號輸出，確保應急柴油機發電機組的安全穩定運行。

曲軸和連桿是柴油機本體的重要部件，加強對該部件的監測能降低柴油機本體的故障率，有利于提高機組的運行可靠性。柴油機在發生曲軸和連桿磨損事故時，通常會導致潤滑油溫度異常上升。PCOT技術利用在柴油機內部安裝特殊結構的收集槽，通過收集柴油機曲軸箱內飛濺的潤滑油，并安裝高靈敏度的溫度傳感器，從而將收集槽中潤滑油的溫度實時反饋到PCOT監測裝置，如圖2所示。該技術能夠及時有效地監測到曲軸箱內油溫的變化，并提供報警和停機信號，防止柴油機本體發生重大故障，為核電站應急柴油發電機組的安全運行提供了重要保護措施。

圖2 PCOT監測裝置

4 結論

應急柴油發電機組是執行核電站安全功能的重要應急安保電源設施，其整體劃分為安全級電氣設備，并按抗震Ⅰ類要求。潤滑油作為機組重要的輔助系統之一，其主要的電氣設備應按1E級、機械設備應按安全三級要求，抗震等級應按抗震Ⅰ類要求。

潤滑油系統在機組備用狀態下即投入運行，并在機組起動后持續運行，必須具有很好的安全性和可靠性。根據潤滑油系統的設計功能與性能要求，將系統總體劃分為：預潤滑和預加熱系統，潤滑系統，潤滑油加注、貯存與排放系統三個主要的子系統。各子系統根據其執行的功能來配備相應的關鍵機械設備，并通過與柴油機本體連接構成完整的潤滑油系統。鑒于潤滑油系統的重要性，結合現役核電站的經驗反饋，在系統設計方案中增加了預潤滑油泵雙泵冗余設計以及PCOT監測技術，以保障核電站應急柴油發電機組的安全穩定運行。

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Design of Lubricating Oil System for Emergency Diesel Generator Set in Nuclear Power Station

YIN Yong, WU Teng, AI Huaning, YU Jiang

(China Nuclear Power Technology Research Institute, Shenzhen 518031, China)

Emergency diesel generator set is an important security power supply to ensure the safe operation of nuclear power station. As one of the important auxiliary system for emergency diesel generator set in nuclear power station, the lubricating oil system which must be durable and reliable is put into operation in the standby state, and it will continue to run after the unit is started. By analyzing the design function and performance requirements of the lubricating oil system and the division of safety grade, the main design requirements are defined. According to the function and performance requirements, the lubricating oil system is divided into three subsystems, and the design scheme is completed. Combined with the experience and feedback from nuclear power plants in active service, the redundant design of pre-lubricating oil pump and PCOT monitoring technology are added to the design scheme, which ensure the safe and stable operation of emergency diesel generator set in nuclear power station.

nuclear power station; emergency diesel generator set; lubricating oil system; double pump redundancy; PCOT

TM623.3

A

國家能源局應用技術研究及工程示范項目(NY20140203)

1000-3983(2018)03-0071-04

2017-07-16

殷勇（1970-），1991年畢業于四川輕化工學院材料專業。目前主要從事核電站設備研發與設備鑒定工作，高級工程師。