低溫廠址柴油發(fā)電機(jī)組防凍優(yōu)化設(shè)計

深圳中廣核工程設(shè)計有限公司 郭 偉 陳振洪

柴油發(fā)電機(jī)組是核電廠最后一道電力屏障，用于在事故狀態(tài)下為電站提供緊急電力。當(dāng)廠外正常電源全部喪失的情況下，柴油發(fā)電機(jī)組在規(guī)定的時間內(nèi)啟動供電，維持反應(yīng)堆核心功能和安全停堆，守護(hù)核電機(jī)組“心臟”的作用。某核電廠地處我國北方寒冷地區(qū)，廠址氣候條件中低溫的特點是其有別于其他核電廠的最大技術(shù)差異項，保證柴油發(fā)電機(jī)組在低溫環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行，對機(jī)組安全可靠運(yùn)行有重要的意義。

1 防凍分析

柴油發(fā)電機(jī)組主要分為主機(jī)和五大輔助系統(tǒng)，主機(jī)防凍要求主要由供應(yīng)商來完成設(shè)計。本文主要針對五大輔助系統(tǒng)進(jìn)行分析，柴油發(fā)電機(jī)組五大輔助系統(tǒng)為：燃油系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、壓縮空氣啟動系統(tǒng)和進(jìn)排氣系統(tǒng)，對于各輔助系統(tǒng)中的防凍要求分析如下[1]。

一是燃油系統(tǒng)。燃油系統(tǒng)的主要功能是為柴油機(jī)提供柴油。根據(jù)《普通柴油》（GB252-2015），柴油的選用需根據(jù)各地區(qū)風(fēng)險率為10%的最低氣溫來選擇，選擇原則如下：-10號普通柴油：適用于風(fēng)險率為10% 的最低氣溫在-5℃以上的地區(qū)使用；-20號普通柴油：適用于風(fēng)險率為10% 的最低氣溫在-14℃以上的地區(qū)使用；-35號普通柴油：適用于風(fēng)險率為10% 的最低氣溫在-29℃以上的地區(qū)使用；-50號普通柴油：適用于風(fēng)險率為10% 的最低氣溫在-44℃以上的地區(qū)使用。柴油機(jī)對柴油粘度和閃點有要求，在選擇燃油牌號時，需要考慮柴油粘度和閃點適用性問題。燃油系統(tǒng)的防凍設(shè)計主要需要考慮燃油牌號的選擇。

二是潤滑油系統(tǒng)。潤滑油系統(tǒng)包括柴油機(jī)預(yù)潤滑回路和潤滑油主回路。柴油發(fā)電機(jī)組處于熱備用運(yùn)行工況時，預(yù)潤滑回路對柴油機(jī)本體進(jìn)行預(yù)潤滑，以保證柴油發(fā)電機(jī)組在接到啟動指令在規(guī)定的時間內(nèi)能夠達(dá)到額定電壓和頻率；柴油發(fā)電機(jī)組處于正常運(yùn)行工況時，潤滑油主回路為柴油機(jī)本體內(nèi)部機(jī)械運(yùn)動部件提供潤滑油。柴油機(jī)的運(yùn)行對潤滑油的粘度有要求，根據(jù)柴油機(jī)性能要求，一般要求潤滑油的預(yù)熱溫度至少45℃以上。潤滑油系統(tǒng)防凍設(shè)計主要需要靠廠房保暖。

三是冷卻水系統(tǒng)。冷卻水系統(tǒng)包含高溫冷卻水系統(tǒng)和低溫冷卻水系統(tǒng)，高溫水系統(tǒng)包含高溫水預(yù)熱回路和高溫水主回路。柴油發(fā)電機(jī)組處于熱備用運(yùn)行工況時，高溫水預(yù)熱回路對柴油機(jī)本體進(jìn)行預(yù)熱，以保證柴油發(fā)電機(jī)組在接到啟動指令內(nèi)能夠達(dá)到額定電壓和頻率；柴油發(fā)電機(jī)組處于正常運(yùn)行工況時，高溫水主回路和低溫冷卻水系統(tǒng)對柴油機(jī)高溫機(jī)械部件進(jìn)行冷卻。冷卻水吸收柴油機(jī)高溫部件的發(fā)熱量，然后循環(huán)至風(fēng)冷散熱器，通過風(fēng)冷散熱器吸入的室外空氣對冷卻水進(jìn)行冷卻降溫。

冷卻水系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備——風(fēng)冷散熱器采用的是風(fēng)冷式，廠房必須與大氣相通，無法通過廠房保暖來實現(xiàn)防凍設(shè)計。冷卻水系統(tǒng)的防凍設(shè)計主要考慮管道伴熱和冷卻液的配置。

四是壓縮空氣啟動系統(tǒng)。壓縮空氣啟動系統(tǒng)主要為柴油機(jī)提供高壓啟動用和低壓控制用壓縮空氣。在壓縮空氣啟動系統(tǒng)中防凍設(shè)計中，主要需要考慮壓縮空氣的露點，干燥器的露點需要低于廠房內(nèi)保暖后的溫度。

五是進(jìn)排氣系統(tǒng)。進(jìn)氣系統(tǒng)主要為柴油機(jī)運(yùn)行提供燃燒用空氣。排氣系統(tǒng)主要用于將柴油機(jī)氣缸內(nèi)燃燒后的煙氣排出廠房，并對柴油機(jī)本體噪聲進(jìn)行降噪。排氣系統(tǒng)無須考慮防凍問題。

進(jìn)氣系統(tǒng)一般采用室內(nèi)進(jìn)氣和室外進(jìn)氣兩種方式，即使是采用室內(nèi)進(jìn)氣，由于進(jìn)量較大，難以通過暖通保暖的方式來保證進(jìn)氣溫度，如進(jìn)氣溫度過低，將會影響柴油機(jī)的燃燒特性。進(jìn)氣系統(tǒng)防凍設(shè)計主要考慮進(jìn)氣溫度問題。

綜合上述分析，在柴油發(fā)電機(jī)組的防凍設(shè)計中主要需要考慮如下問題[1]：廠房保溫，潤滑油系統(tǒng)和壓縮空氣啟動的防凍設(shè)計主要靠廠房保溫來實現(xiàn)；燃油牌號的選擇，燃油系統(tǒng)防凍設(shè)計重點需要考慮燃油牌號的選擇；冷卻水管道防凍，冷卻水系統(tǒng)的防凍設(shè)計主要考慮管道伴熱和冷卻液的配置；進(jìn)氣防凍，進(jìn)氣系統(tǒng)防凍設(shè)計主要考慮進(jìn)氣溫度問題。

2 改進(jìn)措施及效果分析

2.1 廠房保溫設(shè)計

根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)組及其他輔助功能設(shè)備間的防凍要求，結(jié)合柴油發(fā)電機(jī)組在事故工況的使用情況，確定暖通系統(tǒng)防凍設(shè)計基準(zhǔn)，其防凍設(shè)計主要控制目標(biāo)如下：

一是維持柴油機(jī)間的環(huán)境溫度，滿足柴油發(fā)電機(jī)備用和運(yùn)行期間溫度要求。

二是維持日用油箱間、潤滑油箱間、油罐間等房間最低溫度要求，保證柴油發(fā)電機(jī)備用和運(yùn)行期間相關(guān)功能的可用性。

三是保持儀控、電氣房間和蓄電池間溫度在適宜范圍。結(jié)合防凍需求各廠房的設(shè)計溫度如下見表1。

表1 各廠房的設(shè)計溫度

2.2 燃油牌號的選擇

在《普通柴油》（GB252-2015）中，根據(jù)廠址風(fēng)險概率為10%的最低氣溫有3個月低于-14℃，且高于-44℃，燃油牌號需選用-35#柴油。

根據(jù)柴油機(jī)供貨商反饋，柴油機(jī)廠房溫度為5～46℃，即在柴油機(jī)運(yùn)行期間，其柴油機(jī)最高可達(dá)到46℃，由于柴油機(jī)至日用油罐的回油溫度相較進(jìn)機(jī)溫度溫升約10℃，因此會導(dǎo)致日用油箱油溫升高，使得油溫高于-35#柴油閃點，因此存在柴油閃燃風(fēng)險。同時由于-35#柴油粘度偏低，若采用該型號柴油，并保證柴油機(jī)正常運(yùn)行，需要保證柴油機(jī)本體進(jìn)機(jī)油溫保持在30℃以下，需要改善廠房通風(fēng)措施，降低廠房內(nèi)整體溫度。若維持目前的廠房溫度，（即柴油機(jī)本體進(jìn)機(jī)油溫在45℃以下），需要采用粘度較高的-20#或-10#柴油。

保證柴油機(jī)本體進(jìn)機(jī)油溫保持在30℃以下，主要需要保證廠房的溫度維持在30℃以下涉及房間有：主油罐間、日用油罐間、燃油管道間（-7.6m和-2.4m）、柴油機(jī)間，其中主油罐間、日用油罐間、燃油管道間（-7.6m 和-2.4m）房間本身無散熱源，目前的通風(fēng)方案基本可保證房間溫度在30℃以下，全年約有5天左右無法保證。對于柴油機(jī)間，運(yùn)行期間散熱量約為340kW，目前的通風(fēng)方案無法保證，需要考慮空調(diào)降溫。

對于柴油機(jī)間空調(diào)降溫從設(shè)備供貨、布置和供電分析如下。

一是設(shè)備供貨，國內(nèi)無成熟的安全級風(fēng)冷冷水機(jī)組供貨經(jīng)驗，存在供貨困難。

二是設(shè)備布置，應(yīng)急柴油機(jī)廠房內(nèi)部及周圍沒有風(fēng)冷冷水機(jī)組的安裝位置空間，布置存在困難。

三是供電負(fù)荷，約新增122kW 的加載負(fù)荷，目前EDG 電負(fù)荷裕度為4.5%，剩余容量280kW，將會給加載帶來很大困難，對審評也有不利影響。綜上所述，改善廠房通風(fēng)設(shè)施保證廠房溫度實施難度大。

對于柴油機(jī)選用-20#燃油從廠房保溫、補(bǔ)油、燃油特性和一致性等方面進(jìn)行了分析，分析如下。

一是廠房保溫：目前相關(guān)通風(fēng)設(shè)施能保證廠房平均溫度5℃以上，無影響。

二是補(bǔ)油：儲油、燃油運(yùn)輸、在線補(bǔ)油均為室外作業(yè)，有析蠟和凝固風(fēng)險。在燃油主油罐設(shè)計中，需要考慮試驗用油補(bǔ)油周期設(shè)計，建議至少考慮3個月補(bǔ)一次油，方便運(yùn)行時可以避開極端低溫下補(bǔ)油。

三是燃油特性：柴油機(jī)對燃油特性的需求主要是閃點和粘度需求，-20#柴油閃點為不小于55 ℃，滿足柴油機(jī)要求，-20#粘度為（2.5-8.0mm2/s）滿足柴油機(jī)要求。

綜上分析，該核電廠選用-20#柴油滿足柴油機(jī)的運(yùn)行要求。

2.3 冷卻水管道防凍

一是管道材質(zhì)選擇，因在風(fēng)冷散熱器間廠房和大氣相通。相關(guān)設(shè)備材料和管道材料需要考慮廠址的極端溫度情況，根據(jù)ASME 31.3-2012任何碳鋼材料對D 類流體工況都可使用的最低溫度須≥-29 ℃，若選用碳鋼材料需根據(jù)《Process Piping》（ASME B 31.3-2020表323.2.2要求補(bǔ)做沖擊試驗。

二是為防止冬季管道內(nèi)介質(zhì)結(jié)凍，設(shè)置電伴熱系統(tǒng)，保持管道溫度在結(jié)凍溫度以上。加熱元件的加熱功率與被加熱管道的直徑、保溫層厚度和最低環(huán)境溫度與最高流體溫度之差相匹配。

三是防凍液的配置，冷卻水防凍一般是在增加乙二醇進(jìn)行防凍，乙二醇與水的比例對應(yīng)的冰點見表2。

表2 防凍液冰點與乙二醇含量關(guān)系表

在紅沿河項目廠址的極端溫度為-31.6℃，可以選用乙二醇比例49.6%。

2.4 進(jìn)氣防凍

由于主機(jī)進(jìn)氣量大（約10.4m3/s），導(dǎo)致暖通系統(tǒng)無法保證空氣進(jìn)氣溫度高于5℃的要求。為保證氣缸內(nèi)的最大壓力始終保持在氣缸內(nèi)燃燒時的壓力限值以內(nèi)，在柴油機(jī)的增壓進(jìn)氣系統(tǒng)上新增了減壓系統(tǒng)（DBV）來根據(jù)邊界環(huán)境（如進(jìn)氣溫度、海拔）和機(jī)組的實際荷載調(diào)整燃燒用空氣的最大壓力。

減壓系統(tǒng)（DBV）主要包括以下三部分。

一是用于調(diào)節(jié)壓力的三個氣動閥（每個閥門的開關(guān)只有全開或全閉兩種狀態(tài)）。

二是從渦輪增壓器后引回增壓器前柴油機(jī)空氣入口處的增壓空氣用風(fēng)道。

三是用于控制三個氣動閥的電子監(jiān)測閥組，控制氣體來自增壓空氣冷卻器后面的空氣增壓系統(tǒng)。

通過此套系統(tǒng)， 可以保證柴油機(jī)在-40～+38℃的進(jìn)氣溫度條件下，仍能滿功率運(yùn)行，進(jìn)入氣缸前的燃燒空氣的壓力不會大幅度上升，進(jìn)而保證氣缸內(nèi)的峰值壓力低于連接螺栓、缸蓋和曲軸箱等設(shè)備部件的最大設(shè)計壓力，延長了設(shè)備的使用壽命。

3 結(jié)論

一是在柴油發(fā)電機(jī)組的防凍設(shè)計中主要需要考慮，廠房保溫，燃油牌號的選擇，冷卻水管道防凍，進(jìn)氣防凍。

二是在廠房保溫設(shè)計中，保持柴油機(jī)間、日用油箱間、潤滑油箱間、油罐間等房間最低溫度、電氣房間和蓄電池間溫度，保證柴油發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行。

三是在燃油牌號的選擇上，根據(jù)風(fēng)險概率為10%的最低氣溫選擇牌號時，還需考慮燃油的粘度和閃點是否滿足柴油機(jī)運(yùn)行要求。如選用的燃油牌號低于標(biāo)準(zhǔn)要求，在通過廠房保溫的同時，還需要在主油罐容積設(shè)計時，考慮定期試驗補(bǔ)油周期，建議至少3個月。

四是冷卻水管道防凍設(shè)計主要在于選用耐低溫的材料和選取合適的防凍液，電伴熱保溫。

五是進(jìn)氣溫度防凍設(shè)計主要需柴油機(jī)主機(jī)廠家根據(jù)柴油機(jī)的燃燒特性配置進(jìn)氣分配器。

六是柴油發(fā)電機(jī)組防凍措施對于后續(xù)在寒冷廠址柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)計具有指導(dǎo)意義。