核電保障用中壓電源車的選型設計

摘要：通過對柴油發(fā)電機組、中壓開關柜、電纜、散熱器、牽引車底盤等電源車關鍵部件進行選型設計和整車優(yōu)化布局設計，設計出滿足相關法律法規(guī)要求和核電應急保障用高可靠性的中壓電源車。

關鍵詞：中壓電源車；柴油發(fā)電機組；功率；選型

中圖分類號：U462 收稿日期：2023-05-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.015

1 前言

核電作為一種安全、清潔和高效的能源，是我國能源供給體系的重要分支。發(fā)展核能是優(yōu)化我國能源結構、建設美麗中國、應對全球氣候變化的戰(zhàn)略選擇。目前，我國已經(jīng)成為全球核電發(fā)展最快的國家，核能產(chǎn)業(yè)進人一個新的發(fā)展時期。安全高效推進核能產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，是當前及今后我國核能界的重要職責和使命［1］。

2019年是我國核電項目正常審批的重啟年，國家“十四五”規(guī)劃綱要表明，至2025年在運核電裝機容量達到7 000萬kW［2］。國家能源局正在以“十四五”規(guī)劃綱要為指導，研究制定新一輪核電發(fā)展中長期規(guī)劃。“福島核電站事故”后，核電的安全性捫發(fā)了社會的廣泛關注，為了提高核電廠的安全水平，移動電源車被選入核電廠建設所需的后備電源［3］。本文主要以某核電廠1、2號機組中的630 kW電動輔助給水泵進行全壓起動和支持它運行的操作電源和控制電源所需的10 kV移動中壓電源車進行選型和設計。以確保電源車滿足GB 1589-2016［4］、DLT5153-2002［5］等相關法規(guī)要求和產(chǎn)品的可靠性。

2 柴油發(fā)電機組容量的選型計算

2.1 技術規(guī)格

柴油發(fā)電機組的主要性能參數(shù)如表1所示，自然環(huán)境條件如表2所示。

加載的負荷及加載順序如下：

第1步加載200 kW（110VDC和 UPS蓄電池充電器）。

第2步加載直接全電壓啟動一臺10 kV、630 kW輔助電動給水泵，參數(shù)見表3。

對于每一步負荷的加載，頻率不應下降到額定值的 95%以下，電壓不應下降到額定值的75%以下。

2.2 柴油發(fā)電機組的功率和容量計算

2.2.1 機組長時最小穩(wěn)態(tài)功率計算

已知條件：機組允許電壓降為25%；負荷Sc=200 kW；功率因數(shù)cosθ=0.8；效率η=0.98；水泵功率Sc1=630 kW；電動機功率因數(shù)cosθ=0.86；電機效率η=0.93。

則運行功率合計為：

代入上面的數(shù)據(jù)，則有

Se=200/0.8/0.98 kV·A+630/0.86/0.93 kV·A=1 043 kV·A

故起動電源柴油機組容量最小穩(wěn)態(tài)功率應大于1 043 kV·A。

2.2.2 短時尖峰負載能力校驗

電動機數(shù)據(jù)表直接啟動，故柴油發(fā)電機組直接啟動的短時過負荷發(fā)電機容量計算如下：

式中，Sc為外接負荷功率，255 kV·A；Kq為電動機啟動倍數(shù)，根據(jù)啟動負荷要求可知啟動倍數(shù)為6.6倍；K為換算系數(shù)，此處為0.8；PDM為電動機的額定功率，630 kW；KOL為發(fā)電機在熱狀態(tài)下，能承受150%Se，時間60 s。

代入上面的數(shù)據(jù)，則有

Se≥[255+（1.25×6.6-0.8）×630]/1.5 kV·A=3 299 kV·A

故得出結論：啟動水泵，應需要3 299 kV·A的發(fā)電機。

2.2.3 啟動電動機母線允許電壓降水平的校驗計算

電動機啟動時，配電母線和電動機的電壓降均要滿足要求，發(fā)電機容量計算公式：

式中，Sst?為導致發(fā)電機最大壓降的電動機視在容量，kV·A；X[′]d為發(fā)電機的暫態(tài)電抗，根據(jù)發(fā)電機參數(shù)，取0.2；?E為母線及其電動機允許的瞬間電壓降，取25%。

代入上面的數(shù)據(jù)，則有

Se=630/0.86×6.6×0.2×（1/25%-1）kV·A=2 901 kV·A

故得出結論：當允許母線電壓降25%，發(fā)電機的容量必須大于2 901 kV·A。

結合上述計算，初步選擇電機容量大于3 299 kV·A。

考慮核電廠對發(fā)電機的要求高，選用無錫斯坦福一線品牌的發(fā)電機，根據(jù)斯坦福電機的資料查得HVSI804X2這款發(fā)電機F級溫升時的額定容量為3 555 kV·A。

再根據(jù)選擇的HVSI804X2發(fā)電機的參數(shù)進行校驗。

電壓降的計算公式如下：

式中，?U為電壓降，%；X[′]d為發(fā)電機的暫態(tài)電抗，根據(jù)發(fā)電機參數(shù)，取0.195。XL表達式如下：

式中，SG為發(fā)電機額定容量，kV·A，根據(jù)HVSI804X2的數(shù)據(jù)單，F(xiàn)級溫升時的額定容量為3 555 kV·A；Sst為最大啟動容量，最大啟動容量發(fā)生在630 kW輔助電動給水泵的電動機上，根據(jù)電動機數(shù)據(jù)表，則啟動容量為

S=[（P2+Q2）]=[（1 170.32+3 705.92）]=3 886.3 kV·A

?U=0.195/[（3 555/3 886.3）+0.195]×100%=17.6%

由此滿足電壓降小于25%的電壓降要求。

根據(jù)圖1，發(fā)電機在25%電壓降的時候，可啟動電機4 500 kV·A，滿足啟動要求。

2.3 啟動最大電動機校驗容量時的柴油發(fā)動機一次突加功率復核

啟動最大電動機組容量校驗，柴油發(fā)動機容量計算公式：

式中，Pc為啟動最大發(fā)動機前的柴油發(fā)電機所帶的負載，200 kW；PDM為最大發(fā)動機功率，630 kW；cosθPD為最大發(fā)動機運行功率因數(shù)，0.86；η為最大發(fā)動機效率，0.93；cosθst?為最大發(fā)動機啟動功率因數(shù)，0.3；Kst?為柴油機一次突加負載能力，一般取50%～80%（根據(jù)查詢發(fā)動機的突加負載能力，康明斯柴油發(fā)動機突加負載能力達到80%）。

代入數(shù)值得：

Pe=200+6.6×630/0.86/0.93×0.3/0.8 kW=2 150 kW

根據(jù)康明期柴油發(fā)動機選型表查得選用QSK60-G23，最大輸出功率可達2 389 kW，大于一次突加功率2 150 kW的要求。

綜上所述，柴油發(fā)動機選擇康明斯QSK60-G23，發(fā)電機選擇斯坦福HVSI804X2組成的柴油發(fā)電機組。該款機組能以標定功率正常連續(xù)運行12 h（其中包括以備用功率即超過標定功率10%運行1 h），大修時間達30 000 h，滿足核電廠要求的容量和連續(xù)運行的要求。

3 主要設備選型

3.1 開關柜選型

選用ABB品牌Safe系列的Safe Plus-DVF中壓開關柜。這主要考慮到核電廠主要建在沿海地區(qū)，而ABB Safe系列的中壓開關柜所有高壓帶電部分位于不銹鋼箱體內，箱殼為不銹鋼密封焊接，充入工作壓力140 kPa的SF6氣體，防護等級為IP67；適用于潮濕、多沙多塵、鹽污、礦山、箱式變電站和任何由于空氣污染易引發(fā)表面污閃的場所而不必采取特別的預防措施；高可靠的人身安全保障，同時集成了工業(yè)自動化技術的智能開關，在品質上也有保障；避免因中壓開關柜操作電源的不穩(wěn)定燒分合閘線圈，單獨配了一套40 A·h的直流屏。

3.2 電纜及電纜收放裝置選型

電纜作為動力的輸出，根據(jù)柴油發(fā)電機組電壓的等級和電流的大小選用低煙無鹵阻燃電纜，電纜型號為WDZ-DC-EY8.7/15 kV 1×50 mm2，長度100 m/根，共三根，并帶有黃、綠、紅三種色標。

接地電纜選用PE用黃/綠雙色導線1×150 mm2，長度50 m/根。為了收納電纜，設計了具有手動和電動一體功能的電纜收放裝置。

3.3 散熱器選型

散熱器是發(fā)動機本體散熱的重要組成部份，傳統(tǒng)的型式是將發(fā)電機、發(fā)動機、散熱器安裝在同一底座上，利用發(fā)動機的傳動皮帶帶動風扇給散熱器降溫。這種型式主要是機組總體的高度和寬度比較大，不能滿足電源車的局限外形尺寸，同時也不利于機組的散熱，并且噪音大。

為了解決這一問題，通過散熱器廠家設計一款適用于電源車上的50 ℃臥式分體的散熱器，水箱散熱芯選用銅材質。采用這種型式主要是散熱器和機組室是分開的，機組產(chǎn)生的熱量不會傳導到散熱器影響散熱器的降溫效果。散熱器的進風主要從下端兩側的百葉窗通過散熱器頂部的排風機將兩側的環(huán)境風抽進來，經(jīng)過散熱器后從頂部將熱風排出去。由于發(fā)動機和發(fā)電機會產(chǎn)生熱量，需要設計強排風機對機組室內的柴油發(fā)電機組進行排風，保證機組室內的溫度維持在合理的范圍內。

3.4 車輛的選型計算

查詢柴油發(fā)電機組的重量為22 070 kg，四軸車的最大總質量為32 000 kg，四軸車的底盤的整備質量為10 600 kg。柴油發(fā)電機組和底盤的重量已超過32 000 kg，因此選用承載最大可達40 000 kg的半掛車才能滿足。

電源半掛車主要由牽引車、半掛車、廂體、柴油發(fā)電機組、散熱器、干式變壓器、燃油箱、中壓開關柜、進排風系統(tǒng)、排煙消音裝置、電纜存放裝置、支撐系統(tǒng)、輸配電及操控系統(tǒng)、燃油水套加熱器、照明系統(tǒng)、倒車系統(tǒng)、消防設備、防雷裝置、接地裝置等組成。

主要設備重量列表見表4。

根據(jù)上述理論計算車輛理論總質量39 615 kg，選用承載40 000 kg的半掛車。半掛車主要參數(shù)如表5所示。

對牽引車的選擇，則采用國內成熟的、通用性強、可靠性高的牽引車。牽引車參數(shù)如表6所示。

式中，Pemax為發(fā)動機最大功率；ηT為傳動效率（貨車），取0.9；ma為總質量，49 000 kg；g為重力加速度，取9.8 m/s2；fr為滾動阻力系數(shù)（貨車），取0.02；[vamax]為最高車速，取89 km/h；CD為空氣阻力系數(shù)，取0.8；A為迎風面積（前輪距×總高），2.01×4 m2=8.04 m2。

將上述數(shù)據(jù)代入公式，則

由上可知，選取的半掛車牽引車的發(fā)動機功率為343 kW＞329.98 kW，滿足要求。

根據(jù)GB 7258-2017《機動車運行安全技術條件》［6］標準4.5條，比功率中的低速汽車及拖拉機運輸機組的比功率應大于或等于4.0 kW/t，除無軌電車、純電動汽車外的其他機動車的比功率應大于或等于5.0 kW/t。

比功率為發(fā)動機最大凈功率（或0.9倍的發(fā)動機額定功率或0.9倍的發(fā)動機標定功率）與機動車最大允許總質量之比。

因此，牽引車發(fā)動機功率為343 kW，發(fā)動機最大凈功率為308.7 kW，則

[比功率=發(fā)動機最大凈功率機動車最大允許總質量=6.3 kW/t]

由上可知，所計算的比功率滿足機動車的比功率應大于或等于5.0 kW/t要求。

4 電源車的整車布置

中壓電源車整車布置說明：如圖2所示，從車尾向前整車分別由電纜收放裝置和中壓開關柜操作室、機組室、水箱和獨立油箱室等組成。

根據(jù)整車的布局方案，對整車進行軸荷、重心的計算，以確保不產(chǎn)生明顯偏重和軸荷超重的現(xiàn)象，整車安全性能滿足國家相關標準要求。

下面將進行中壓電源車改造質心的計算。

以車前軸中心點在地面上的投影點為坐標原點，車長向后方向為X坐標正方向，橫向從左向右為Y坐標正方向，車高向上方向為Z坐標正方向。

各部件質量及質心位置見表7。

整車質量：M=39 615 kg

車輛軸距：L=9.090 m

后軸負荷：M2=[∑（M×L1）L]=23 861.93 kg

前軸負荷M1=M-M2=15 753.07 kg

質心距前軸距離：a=[∑（M×L1）M]=5 475 mm

質心距后軸距離：b=L-a=3 615 mm

質心距地高度：hg滿=[∑（M×H）M]=1 828 mm

下面進行橫向穩(wěn)定性計算。

已知條件：輪距B=2 200 mm；滿載質心高度hg滿=1 828 mm；行駛路面附著系數(shù)φ=0.6。

保證滿載行駛不發(fā)生側翻的條件為：

[B2hg>]φ

[B2hg滿=2 2002×1 828]=0.601>0.6

結果表明，橫向穩(wěn)定性滿足要求。

下面進行縱向穩(wěn)定性計算。

已知條件：專用汽車質心到后軸中心距離b=3 615 mm；專用汽車質心高度hg滿=1 828 mm；專用汽車行駛路面附著系數(shù)φ=0.6。

保證滿載行駛不發(fā)生縱翻的條件：

將數(shù)據(jù)代入上式，則

[bhg滿=3 6152×1 828]=0.98>0.6

結果表明，縱向穩(wěn)定性滿足要求。

根據(jù)整車軸荷計算結果，整車軸荷分配平衡合理，側傾穩(wěn)定性符合GB 7258-2017《機動車運行安全技術條件》［6］提出的“整車最大總質量小于整備質量的1.2倍時，左右側傾穩(wěn)定角不小于28°”的要求。由此說明，整車軸荷分配滿足相關標準要求。

5 結語

中壓電源車通過設備的選型、整車布置、柴油機組容量的計算驗證、整車的質心和穩(wěn)定計算，均滿足核電廠為一臺630 kW電動輔助給水泵及其運行所需要的控制電源恢復供電的要求和整車符合相關標準的要求。整車通過各項試驗，試驗結果達到使用要求。同時該車已交付某核電廠使用，為核電廠提供可靠的后備電源。

參考文獻：

[1]房建成.移動電源車在核電廠的應用探討[J].科技創(chuàng)新導報，2015（16）：230.

[2]吳珂.“十四五”中國核電產(chǎn)業(yè)發(fā)展展望[R].國際清潔能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告，2019：104-119.

[3]湯明星，葉雄偉，張華東，等.核電站云智能電源車的設計[J].移動電源與車輛，2020（3）：1-7.

[4]GB 1589-2016 汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質量限值[S].

[5]DLT5153-2002 火力發(fā)電廠廠用電設計技術規(guī)定[S].

[6]GB 7258-2017 機動車運行安全技術條件[S].

作者簡介：

鄧國成，男，1984年生，工程師，研究方向為移動電源車輛技術。