核電站應急柴油發電機組選型

華君　馬翼　鄭添　張智祿

摘要：對核電站柴油發電機組進行選型設計以確保核電站運行安全。明確應急發電機組選型要求，根據2套柴油發電機組加載負荷的順序和容量，按負荷計算、分步加載計算、核電站設計推薦的發電容量中的最大者為依據選擇發電機型號，以電壓降為指標對發電機進行校核；以ISO 3046推薦的方法確定柴油機的額定功率及核電站設計要求功率的較大者為依據選擇柴油機型號，并以首次可加載功率為指標進行校核。計算結果表明：發電機組的電壓降為18.32%，滿足電壓降不大于20%的要求，柴油發電機組的首次加載功率大于發電機組的首次加載功率，滿足選型要求。

關鍵詞：核電廠；應急；柴油發電機組；選型；加載；電壓降

中圖分類號：TM623;TM314文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2023）05-0031-06

引用格式：華君，馬翼，鄭添，等. 核電站應急柴油發電機組選型［J］.內燃機與動力裝置，2023，40（5）：31-36.

HUA Jun， MA Yi， ZHENG Tian， et al. Capacity selection of the emergency diesel generator set for nuclear power plant［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（5）：31-36.

0 引言

為確保核電站的安全運行，要求核電站具備非常可靠的供電系統。在國內核電站中，除了以500 kV和220 kV開關站作為核電站的外部主備用電源外，還以柴油發電機組作為后備電源在應急情況下向設備供電。應急柴油發電機組對于核電站的安全意義重大，在失去電廠外部交流電源時，應急柴油發電機組應能夠滿足應急廠用設備用電要求，確保反應堆安全停堆，并防止由于失電而導致重要設備損壞[1]。

應急柴油發電機組成套設計的首步工作為設備選型計算，設備選型直接影響機組是否滿足核電廠的運行需求。本文中以某核電站應急柴油發電機組的選型設計為例，研究柴油發電機組的選型和校核方法。

1 機組選型要求與方法

某核電站配置2套應急柴油發電機組（記為A序列、B序列），分別為帶有應急廠用設備的2個交流應急配電系統EMA、EMB供電，2套柴油發電機組均采用冗余設計。該核電站的應急柴油發電機組的額定功率為8.30 MW，瞬時功率為9.13 MW，額定電壓為10.5 kV，額定功率因數為0.8。

1.1 機組選型要求

柴油發電機組的容量應有一定裕度，一般為機組基本設計容量的10%，以確保柴油發電機組在12 h運行期間內有1 h過載運行的能力。

在順序加載負荷時，對于每個加載步驟，均應確保轉速不低于額定轉速的95%，電壓不低于額定電壓的80%。

1.2 機組選型方法

依據核電廠應急柴油發電機組確定的加載程序計算機組容量，并根據發電機效率計算相應柴油機的所需功率[2]；參照發電機和柴油機型號規格選擇相應的發電機和柴油機，組成應急柴油發電機組，并根據所選機型的參數以及核電廠現場環境條件，進行負載起動時發電機電壓降的校核和柴油機加載能力的校核[3]，確保選型的柴油發電機組滿足要求。

2 負荷分析

2套柴油發電機組的運行負荷、加載負荷曲線如圖1～4所示。

經分析統計，各加載工步負荷如表1、2所示。

分步最大加載容量為每分步起動容量與已連續穩定運行的容量（即上一步運行總容量）的和，其中，每步起動容量以成組電機同時起動進行計算[4-5]。

根據圖1～4和表1、2可知：A、B序列中，最大運行總有功和最大運行總容量為A序列的加載工步9，分別為7.264 MW、8.223 MV·A;A序列加載步6的加載容量最大，為12.976 MV·A；最大加載功率為A序列工步9，運行和加載總有功為7.676 MW。

3 發電機選型及校核

3.1 發電機選型

機組容量首先要滿足運行和加載總容量及運行和加載總有功的要求、滿足核電站設計對機組容量的要求。即以按負荷計算的發電機容量、按分步加載計算的發電機容量、核電站設計推薦發電機容量中的最大者為依據，選擇發電機型號。

3.1.1 按負荷計算的發電機容量

發電機負荷包括運行和加載總容量，并應有一定過載能力。按負荷計算的發電機容量[6-7]

SG1≥S/KG， （1）

式中：S為最大加載容量；KG為發電機允許短時過載因數，一般取1.4～1.6，本文中KG=1.5。

發電機功率

PG1≥λSG （2）

式中：λ為發電機額定功率因數，λ=0.8。

由表1、2和式（1）（2）可知：最小SG1為8.651 MV·A， 最小PG1為6.921 MW。

3.1.2 按分步加載計算的發電機容量

按分步加載計算的發電機容量[8-10]

SG2≥Smax/λ，

式中：Smax為運行與加載總容量的和、運行與加載總有功的和的最大者。

本文中：Smax=7.676 MV·A，最小SG2為9.595 MV·A。

3.1.3 選型

核電站設計推薦的應急柴油發電機組的額定功率為8.3 MW，對應總容量為10.375 MV·A，為按負荷計算的發電機容量、按分步加載計算的發電機容量、核電站設計推薦發電站容量中的最大者，因此以核電站設計推薦的發電機組參數為發電機選型依據。據此選擇的某型號發電機的主要參數如表3所示。

3.2 發電機電壓降校核

根據文獻[4]，電壓降

ΔU= Zd/（SG/Sst + Zd）×100%，

式中：Zd為發電機暫態不飽和阻抗，Ω；

SG為發電機容量，kV·A;Sst為最大起動容量，kV·A。

由表1、2可知： A序列第6步和B序列第5步的起動容量最大，均為8.283 MV·A，ΔU =18.32%，滿足應急柴油發電機電壓降不大于額定電壓20%的要求。

4 柴油機選型及校核

4.1 柴油機選型

柴油機的功率應滿足所有負荷穩定運行工況功率需求，還應滿足最大起動負荷要求，此外還需考慮發電機的效率以及環境條件[12-13]。根據文獻[2]推薦的方法確定柴油機修正功率，并與核電站設計要求的應急發電機組功率相比較，取其大者為依據選擇柴油機型號。

柴油機額定輸出功率

Pr=Px/α，

式中：α為功率修正因數，α=0.962 9；Px為柴油機實際輸出功率，kW。

由第2章分析可知：柴油發電機組最大運行功率為7.264 MW，運行加起動最大功率為7.676 MW，考慮發電機效率，則柴油機最小功率需求為7.889 MW，修正后的柴油機最小功率為8.193 MW。

核電站設計要求發電機組額定功率為8.3 MW，大于修正后的柴油機最小功率，因此按核電站設計要求功率選擇型號柴油機，該柴油機的額定功率為10 MW，額定轉速為750 r/min，額定功率下的平均有效壓力為2.26 MPa。

考慮柴油機功率修正因數和發電機效率，在現場條件下，該發電機組可輸出的功率為9.369 MW，大于核電站設計要求，同時保留一定的加載裕量。

4.2 柴油機負載能力校核柴油機首次可加載功率應大于應急發電機組首次加載功率[14-15]。文獻[3]推薦的柴油機首次加載指導功率與平均有效壓力的對應關系如圖5所示，圖中ΔP為現場條件下相對于額定功率的功率增加百分比。所選柴油機的平均有效壓力為2.26 MPa，根據圖5可得柴油機首次可加載功率約為額定功率的35%，因此，在現場條件下，柴油機首次可加載功率為3.370 MW，結合發電機效率可知：機組現場可首次加載的功率約為3.279 MW。

由表1、2可知：B序列1工步最大起動功率為1 975 kW，小于所選柴油發電機組的首次加載功率，所選柴油機通過負載能力校核。

5 結束語

以某核電站應急柴油發電機組為例研究柴油發電機組的選型和校核方法。機組容量首先應滿足運行和加載總容量及運行和加載總有功的要求，其次應滿足核電站設計對機組容量的要求，再對發電機選型進行校核，確保在負荷加載時電壓不應下降到額定電壓的80%以下；對柴油機進行校核，確保柴油機的首次可加載負荷滿足加載程序的要求。通過理論方法與實際選型案例相結合，研究了核級應急柴油發電機組的選型方法，可為核電應急柴油發電機組成套設計提供參考。

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Capacity selection of the emergency diesel generator set for

nuclear power plant

HUA Jun， MA Yi， ZHENG Tian， ZHANG Zhilu

Wuxi Division of No.703 Research Institute of CSSC， Wuxi 214151， China

Abstract：To ensure the safe operation of nuclear power plants， diesel generator sets are designed for nuclear power plants. Clarify the requirements for emergency generator sets， the generator model is selected based on the order and capacity， calculating according to load， step by step load， and the maximum recommended generation capacity for nuclear power plant design， and the engine is verified by voltage drop. A diesel engine model is chosen based on the method recommended by ISO 3046 to determine the rated power of the diesel engine and the power required for nuclear power plant design， and verified with the first loadable power as the indicator. The calculation results show that the voltage drop of the generator set is 18.32%， which meets the requirement of no more than 20% voltage drop. The first load power of the diesel generator set is greater than the first load power of the generator set， which meets the selection requirements.

Keywords：nuclear power plant；emergency；diesel generator set；capacity selection calculation；load; voltage drop

（責任編輯：郎偉鋒）

收稿日期：2023-06-05

第一作者簡介：華君（1978—），男，江蘇無錫人，高級工程師，主要研究方向為核電廠用應急柴油發電機組成套設計及研究，E-mail：dmuzhangfeng@163.com。