核電廠應急柴油發電機替代問題

邵家泉，董玉領，傅仁浦，李開盈，邱 磊

（中核核電運行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

應急柴油發電機通常作為核電廠應急電源的標準配置，是保證電廠應急電源安全的核心設備，保證其備用能力是核電廠必須面對的問題。目前國內核電廠以二代改進型的M310 堆型為主，在對柴油機的配置設計時一般僅考慮到常規維修導致的短期停運，并未考慮應急柴油機可能發生長期缺失的問題。2017 年以來，國內已經發生過5 次柴油發電機重大機損事件。

盡管堆型不同，核安全的總體要求是一致的，任何核電廠均需要考慮設計基準事故狀態下的孤島運行情況。在這種情況下，核電廠需要確保自身的應急電源能快速啟動并提供持續穩定的電源供給，確保核電機組安全停堆及停堆后的余熱導出。應急電源可靠性是核電廠安全評價的關鍵指標之一。目前現有的核電廠中，其應急電源基本為大型柴油發電機組。因此，保證應急電源的可靠性就要求保證應急柴油發電機的備用能力。

1 國內商用核電機組的應急柴油發電機現狀

廣義上的應急柴油發電機應包含所有提供應急功能的柴油發電機，包括每臺核電機組配置的專設柴油發電機，也包括機組公用的附加柴油機及應急柴油發電車等柴油發電裝置。狹義的應急柴油發電機指每臺核電機組單獨配置的柴油發電機，直接為本核電機組對應的應急母線供電。

實際上，根據設計規范的不同，核電機組的配置也有別的架構，機組柴油機的配置也不盡相同。傳統意義上的應急電源供給的柴油發電機（EDG），非安全級備用的柴油發電機（SDG）則不執行安全功能。

目前，國內的核電廠一般屬于瀕海場址，且多為多個反應堆集中在很小地理范圍內的群堆場址。在役電廠以M310 堆型為主。M310 堆型的應急柴油發電機一般為EDG，具體配置為：一臺核電機組配備兩組應急柴油發電機（簡稱正常柴油機），分別連接在機組的兩條應急母線上。電廠范圍內設置附加柴油機，通過電氣切換，替代電廠中任意一臺應急柴油機與其對應的應急母線進行連接。附加柴油機的設計目的主要應對SBO（全廠斷電）工況下，正常設置的安全電源不能在規定時限內恢復，則需要通過附加柴油機來保證恢復對核輔助設施的供電。

因附加柴油機并不直接作為一列應急電源，僅僅為正常應急電源不能及時恢復情況下的臨時備份，其整體設計等級一般低于應急柴油機。考慮到SBO 工況縱深防御需求，電廠也需要維持附加柴油機的備用功能。現今附加柴油機還不能長期替代正常應急柴油機，僅允許短時替代。根據現有規范，任何一組正常柴油機發生故障導致不可用，允許恢復時限為3 d，若使用附加柴油機進行替用，則時限為14 d。核電機組運行期間一旦正常柴油機停運時間超出上述時限，該核電機組必須進行狀態后撤。

2 面臨的問題

應急柴油發電機作為核電廠事故情況下的應急電源這一屬性，要求在核電機組功率運行期間需一直維持在隨時可用啟動的備用狀態。僅在定期試驗等一些特殊條件下，允許短時間置于非完全備用的狀態，同時記錄電廠運行限制，并納入WANO（World Association of Nuclear Operators，世界核電運營者協會）考核指標的統計。

國內核電廠選用的柴油機一般為世界上已成熟穩定的機型，同時電廠一般也會嚴格要求按照柴油機制造商的要求進行定期維護。因此，理論上核電廠的柴油機一般不會發生重大故障。設計院在對柴油機的配置設計時僅考慮了短期故障不可用的情況。實際上國內的核電廠從1991 年首臺機組開始運行，至今應急柴油機也確實并未出現嚴重故障。但是，自2017 年以來，先后出現了多起核電機組柴油機嚴重機損事件。幸運的是，EDG發生機損的電廠正在進行擴建，通過拆借其擴建項目還未發電的核電機組中的柴油機完成了在役機組柴油機功能的恢復。SDG 的柴油機則備用了整機備件或廠家恰好備有了完整的備件，故障后及時完成了替換。因此，幾起柴油機重大機損故障未對在役的核電機組產生長時間停運的重大影響。

但是，在役電廠需要考慮應急柴油機出現重大機損導致長期失去功能的情況，而現有配置并不滿足這種狀況。問題的核心在于應急柴油機因某些原因需要較長時間退出的情況下，如何快速恢復設計所需的完整的應急電源能力問題。

3 應急柴油發電機的替代

應急柴油機的退出本質上是存在某些問題，導致整個系統的局部或全體功能不能實現原設計要求。因此，恢復其功能的主要解決方式轉變為“修復”缺陷和“替代”失效部分。單純從恢復時間角度考慮這兩種方式，從現有的工程實踐可以明確，當設備或系統局部出現較大問題時“替代”的方式明顯要快于“修復”。在應急柴油機系統中，柴油機是最為核心的一個設備，也是最復雜、價值最高的單一設備，其恢復時間基本上決定了整個系統的恢復時間。本文將針對柴油機，按“替代”的邏輯探討兩種可行方案。

3.1 整機替代

該方案主要內容是備用同型號的柴油機整機備件，具體操作方式有：各電廠單獨購買整機，多電廠聯合購買整機或向租賃服務提供商租賃。目前國外的核電廠，特別是歐洲核電機組，電廠之間或電廠與柴油機廠家的距離相對較近，整機的調運速度完全可以滿足電廠安全要求。因此，整機替代是其較為常用的方案。

國內電廠由于核電機組堆型不同，設計功率也存在較大差異，對應配置的柴油機功率也存在較大差異，即使是同型號柴油機也不能很好的實現互換。租賃服務提供方必須備用多種型號的柴油機，導致前期投資大，備用機周轉率低，非租賃期間的維護費用高的問題，繼而必然導致租賃服務收費較高。從國內電廠角度看，采用租賃方式仍然是最經濟的，但是經濟性并不突出。該方式的替換活動受限于租賃服務商提供備機的能力，缺乏靈活性。此時，電廠也就面臨著因該情況導致的發電機組進入技術規格書限制從而發生較大的發電損失的風險。即租賃方式較為經濟，但是面臨無法及時獲得備用機的風險。

根據國內電廠實際情況，從電廠自身的角度，特別考慮緊急替代需求時，無疑由各電廠自備各自機組對應整機的方式最有保障，這種方案同時還具備管理流程簡單的優勢。但是缺點也很明顯，即經濟性差。備用的柴油機需要占用較大的金額且整體利用率非常低，備用的整機倉儲要求較高并且需要定期維護，長期存放后的狀態是否能保持在較高水平也存在不確定性。

租賃方式和電廠自備作為備機替用方案的兩個極端，優缺點都很突出。從管理的角度，在風險可接受的情況下選擇費用最小的方案才是最優方案。針對如何備用備機，可以從集團層面或者電廠聯合體方式，根據合理的風險水平進行評估，聯合按機型備用一定數量的整機備件，根據電廠的現場需求進行相互調配。

采用備機策略的整體替換方式，整個替換過程仍然需要幾周的時間。對電廠而言，雖然消除了長期發電損失導致的經濟損失的風險，但是仍然存在因替換過程導致的短時發電損失問題。實際上，替換過程中的發電損失仍然還是一個很大的金額。采用備機的策略可能并非為電廠期望的最佳選擇。

3.2 設置備用應急柴油機

根據現有的電源設計，應急柴油機的直接用戶是對應的應急母線，在進行附加柴油機替代該列的應急柴油機時，附加柴油機的直接用戶也是該應急母線。那么，如果以該應急母線這個用戶來說，接受的產品是提供符合應急電源設計要求的穩定供電，只要供方能滿足設計需求，由哪個供方實際提供則并不關注。根據該思路，正常的應急柴油機系統（包括其支持系統）整體上是一電源組模塊，當其功能失去后，如果能替換上一個同標準的電源組模塊，這樣的替代也是可接受的。即：在現有采用M310 堆型的電廠中，在配備正常附加柴油機基礎上，新增一套備用應急柴油機系統，其主機及包括廠房、設備、管溝、電纜、連鎖鑰匙裝置、實體保衛等在內的各輔助單元均按應急柴油機同標準進行設計及建造，使新增的備用應急柴油機在配置上完全等效正常應急柴油機。因其設計標準與應急柴油機完全相同，通過電氣連接方式切換接入任何一臺應急柴油機對應的應急母線，實際上完成對該列應急柴油機的完全替代。

該替代方式有明顯優點，替代時間僅僅是電源的切換過程和替換完成后驗證可用性的試驗所需時間的總和，遠遠低于更換整臺柴油機的方式。在現有的規定時限內就能夠實現，從而不會影響對應核電機組的運行。同時，因在現有柴油機配置基礎上增加了一臺應急電源組模塊，在該模塊未進行替換時，對應電廠的應急電源整體而言，是增加了一列冗余，即增加了電廠的整體安全配置，提高了安全性。另外，只要電廠各正常應急柴油機的檢修計劃排定合理，通過把新增的電源組模塊按計劃進行替代正常應急柴油機的操作，可以實現在核電機組正常功率運行期間切出一列應急柴油機進行維護和維修工作，大大提高正常柴油機的可維護性。作為企業，追求效益是其根本的使命，在保證安全性的前提下，提高核電廠的效益最有效的方式就是提高機組的發電時間，其中的一個方向就是如何優化機組大修管理來實現縮短機組停機時間。現有的應急柴油機因規范要求所限，目前只能安排在核電機組大修內執行。若通過新增備用應急柴油機系統方式把正常應急柴油機檢修窗口調整至平時的功率運行期間，那么對機組大修活動的優化安排提供較大的支持，從而給電廠帶來實際的收益。對群堆廠址的電廠，收益尤為顯著。

該替代方式的缺點為一次性投資成本高，因涉及與在役設備的連接，施工復雜，施工及試驗排期困難。同時由于引入了新的冗余柴油機，在新增備用應急柴油機未替換至正常柴油機時的試驗要求需要對現有技術規范進行大范圍修改，周期較長。

綜合各種因素，采用備用應急柴油機系統的方案較其他替代方案仍具有明顯優勢，是現有法規及監管要求下解決面臨問題的一個優解。

4 總結

（1）在核電廠應急柴油機的配置設計時，應該考慮單臺柴油機可能出現較長期的缺失情況。現有M310 堆型的電廠中設計應急備用柴油機是一種新的思路，可以很好地解決目前核電廠可能發生的正常柴油長期缺失的問題。

（2）新增的備用應急柴油機作為現有應急電源的冗余，在不進行替換正常應急柴油機時提高了整個電廠應急電源的安全性。通過使用替換操作，可以把應急柴油機的檢修工作安排至機組運行期間執行，為優化大修工期提供幫助。這不僅對M310 堆型有利，對柴油機為EDG 功能的其他核電堆型同樣有所幫助。

（3）新建的核電機組，應從全首期角度分析，在設計階段就考慮增設備用柴油機問題，能獲得最大收益，同時在群堆廠址中收益尤為顯著。