某核電廠增設(shè)SBO軸封注水泵柴油發(fā)電機改造

胡煒亮　蘇　成　朱立群

（上海核工程研究設(shè)計院）

某核電廠增設(shè)SBO軸封注水泵柴油發(fā)電機改造

胡煒亮蘇成朱立群

（上海核工程研究設(shè)計院）

二代壓水堆核電廠主泵多數(shù)采用軸封泵，軸封的維持依靠軸封注水和設(shè)備冷卻水。在發(fā)生SBO時，軸封注水和設(shè)備冷卻水將因為失電而喪失，因此增設(shè)應(yīng)對SBO工況的軸封注水設(shè)備是必要的。本文介紹了某在役核電廠增設(shè)SBO軸封注水泵柴油發(fā)電機的改造情況，包括SBO軸封注水泵柴油發(fā)電機系統(tǒng)方案選擇、容量計算、設(shè)備組成等內(nèi)容。

SBO；主泵軸封注水；柴油發(fā)電機；固定箱式柴油電站

0　引言

反應(yīng)堆冷卻劑泵（主泵）是核電廠的重要設(shè)備之一，大部分在役核電廠的反應(yīng)堆冷卻劑泵選用的是軸封泵。設(shè)有主泵軸封水注入系統(tǒng)，并由設(shè)備冷卻水為泵機組提供冷卻，以保證主泵正常運行。主泵軸封水注入依靠化學(xué)和容積控制系統(tǒng)完成，該系統(tǒng)設(shè)置兩臺離心式上充泵，為主泵提供軸封注水并收集主泵密封泄漏流，該系統(tǒng)還設(shè)有往復(fù)式上充泵用于水壓試驗，必要時也可為主泵提供軸封水。離心式上沖泵由主交流電源供電；喪失主交流電源時，離心式上充泵由安全級應(yīng)急柴油發(fā)電機供電。在發(fā)生全廠斷電（SBO）事故工況時，電廠交流電源全部喪失，包括應(yīng)急柴油發(fā)電機。此時，軸封注水和設(shè)備冷卻水同時喪失，主泵軸密封直接與高溫高壓的反應(yīng)堆冷卻劑接觸，將在較短時間內(nèi)由于高溫損壞，冷卻劑從軸封處泄漏，形成LOCA。為了防止在SBO事故工況下，主泵軸封泄漏，需要設(shè)置能夠在SBO工況使用的軸封注水系統(tǒng)。

某在役核電廠原有主泵軸封水注入系統(tǒng)設(shè)有兩臺非核級往復(fù)式上充泵，由主交流電源供電，用于反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的水壓試驗和必要時提供主泵的軸封水。系統(tǒng)改造擬將其中一臺替換為非核級軸封注水泵，在SBO事故工況下供應(yīng)主泵軸封水。在SBO事故工況，操縱員能夠在主控制室手動啟動SBO軸封注水泵，該泵應(yīng)能至少連續(xù)運行8h。但在SBO事故工況下，電廠交流電源全部喪失，新增的軸封注水泵需要重點考慮SBO事故工況下的運行動力問題。

1　設(shè)計方案

1.1方案描述

鑒于新增的非核級軸封注水泵及其相關(guān)閥門要求在電廠交流電源全部喪失的情況下能夠運行，則有兩種可行的技術(shù)方案。

方案A：借鑒柴油機驅(qū)動輔助給水泵的設(shè)計經(jīng)驗，軸封注水泵采用柴油機驅(qū)動泵的形式，閥門電裝由柴油機泵同軸驅(qū)動的發(fā)電機供電，典型柴油機泵配同軸發(fā)電機方案如圖1所示。

圖1　柴油機泵配同軸發(fā)電機

方案B：設(shè)置專用的400V/50Hz柴油發(fā)電機組，為新增軸封注水泵及相關(guān)電動閥門供電。

1.2方案選擇

兩種方案應(yīng)用到在役核電廠改造中，各自體現(xiàn)出不同的優(yōu)缺點，如表1所示。

1.3方案確定

原有往復(fù)式上沖泵安裝在核輔助廠房—14m層，如果采用方案A，根據(jù)工藝需要，新增柴油機泵配同軸發(fā)電機安裝在此房間。為柴油機進排氣需要，原有廠房需要新增大面積進、排風(fēng)百葉和豎井，而在抗震I類廠房大面積的開洞會嚴重影響廠房的抗震性能，重新修建進、排風(fēng)豎井技術(shù)上也難以實現(xiàn)，因此方案A可實施性差。

方案B“專用的柴油發(fā)電機組方案”所采用設(shè)備技術(shù)成熟。柴油發(fā)電機和泵可以分開布置，不破壞原有廠房結(jié)構(gòu)，因此方案B較好。

本改造擬增加“非核級電動軸封注水泵”，該設(shè)備由380V/3相/50Hz交流電動機驅(qū)動，設(shè)備布置在核輔助廠房—14m層；新增“SBO軸封注水泵柴油發(fā)電機” 采用400V/50Hz固定箱式柴油發(fā)電機組，考慮到福島事件影響，柴油發(fā)電機布置在廠址高位平臺上。另外，還要對主控制室盤臺進行相應(yīng)的改造，設(shè)置新增軸封注水泵、閥門、柴油發(fā)電機的控制按鈕。

表1　方案優(yōu)、缺點比較

2　容量計算

2.1負荷分析

SBO軸封注水泵柴油發(fā)電機加載的主要負荷是SBO軸封注水泵電動機、軸封注水泵入口閥電裝以及相應(yīng)的控制箱等設(shè)備。

SBO軸封注水泵電動機為380V/3相/50Hz交流電動機，功率約為160kW。

軸封注水泵入口閥電裝為380V/3相/50Hz交流電動機，功率為0.37kW，如表2所示。

表2　　SBO軸封注水泵柴油發(fā)電機加載負荷參數(shù)

2.2柴油發(fā)電機組容量計算

SBO軸封注水泵柴油發(fā)電機加載的主要負荷是SBO軸封注水泵電動機，處于保守考慮，假設(shè)電動機直接啟動電流為額定電流的6.5倍。為了減少SBO軸封注水泵電動機啟動對于柴油發(fā)電機組的沖擊，啟動方式擬采用星-三角或軟啟動（限制啟動電流2.5倍）。

在SBO事故工況，操縱員在主控制室手動啟動SBO軸封注水泵柴油發(fā)電機，手動操作打開軸封注水泵入口閥，確認閥門打開后，再手動啟動SBO軸封注水泵。此時，入口閥電動裝置動作結(jié)束，柴油發(fā)電機接近空載狀態(tài)，則所選柴油發(fā)電機組應(yīng)能承受突加軸封注水泵電動機啟動瞬態(tài)沖擊，其瞬態(tài)性能應(yīng)滿足所加載負荷運行的需要。而由表3計算可知，SBO軸封注水泵電動機啟動有功最大為122.6kW。

假設(shè)所選機組平均有效壓力為2.0MPa。根據(jù)GB/ T2820標準的要求，得到機組第1步突加負荷指導(dǎo)值P% 是40%，而按照保守考慮柴油發(fā)電機應(yīng)該承受122.6kW的電動機啟動功率沖擊，則所選柴油發(fā)電機組功率至少為307kW。

而由于柴油發(fā)電機的長期運行限制，柴油發(fā)電機最低帶載率為至少40%額定輸出功率。則所選柴油發(fā)電機組的額定容量不能超過450kW。表4為CUMMINS公司滿足此307～450kW功率范圍內(nèi)產(chǎn)品信息。查圖2中的曲線可得，NTA855G7和QSX15 G8型柴油機第1步突加負荷指導(dǎo)值P%分別是37%和34%。

表3　SBO軸封注水泵柴油發(fā)電機加載負荷運行和啟動參數(shù)計算表

SBO軸封注水泵柴油發(fā)電機要能承受122.6kW的電動機啟動功率的沖擊，依據(jù)表4的數(shù)據(jù)進行復(fù)算，C440D5和C450D5e型柴油發(fā)電機不滿足要求，C500D5e 和C550D5e機型滿足要求。

2.3加載時電壓降校驗

SBO軸封注水泵柴油發(fā)電機加載的最大單個負荷為一臺160kW的電動機，起動壓降要求小于15%。按發(fā)電機母線允許壓降計算發(fā)電機容量計算公式如圖2［2］。

圖2　標定功率下平均有效壓力Pme函數(shù)的最大可能突加功率指導(dǎo)值（4沖程發(fā)動機）

表4　CUMMINS柴油發(fā)電機參數(shù)表

式中，Se為按母線允許壓降計算的發(fā)電機視在功率，kVA；Um為發(fā)電機母線電壓，取Um=0.85；X,d為發(fā)電機直軸暫態(tài)電抗，基于表4數(shù)據(jù)，為保守取X,d=0.16；Kq為電動機的啟動電流倍數(shù)，為保守取Kq=0.25；PDM為電動機額定功率，PDM=160kW。

將上述數(shù)據(jù)代入式（1）可得Se=453.3kVA。即發(fā)電機直軸暫態(tài)電抗為0.16時，其容量應(yīng)大于453.3kVA，以滿足加載時電壓降要求。

查找表4中機型參數(shù)，C440D5和C450D5e機型的發(fā)電機額定視在功率也不滿足要求，C440D5和C450D5e機型被排除。C500D5e機型的柴油機和發(fā)電機滿足初步估算要求，查找其電動機啟動曲線（見圖3），而SHUNT勵磁方式的機型電壓降為20%，不滿足要求，而采用PMG勵磁方式的HCI534/544C發(fā)電機滿足啟動電壓降15%的要求。其對應(yīng)的柴油發(fā)電機組C500D5e滿足要求。

圖3　HCI534C/544C電動機啟動曲線

對于C550D5e機型，查找其電動機啟動曲線（見圖4），采用PMG勵磁方式的HCI534/544D發(fā)電機電壓降為13%，滿足要求。

本工程為確保SBO軸封注水泵柴油發(fā)電機能夠可靠加載水泵運行，選擇了C550D5e柴油發(fā)電機組（見表5）。

圖4　HCI534/544D電動機啟動曲線

表5　　帶載瞬態(tài)電壓降

3　箱式柴油發(fā)電機組成

固定箱式柴油發(fā)電機為非1E級、非抗震類設(shè)備，由柴油發(fā)電機組（包括供油系統(tǒng)、底座和/或獨立油箱、啟動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)、排煙消聲系統(tǒng)、降噪系統(tǒng)等）、箱體、充電與配電設(shè)備、試驗負載接口以及配套輔助設(shè)施（進排風(fēng)、接地、消防、照明等）部分組成。

（1）起動系統(tǒng)

柴油發(fā)電機組采用24V DC電起動方式，采用閥控式密封鉛酸蓄電池，在蓄電池充滿電后斷開充電電源其容量能保證機組連續(xù)起動6次。機組運行時，由柴油機驅(qū)動的充電發(fā)電機對啟動蓄電池進行浮充；在機組停止運行時，通過箱式柴油發(fā)電機上配置的廠用電充電裝置，向發(fā)電機組蓄電池進行充電，維持蓄電池處于滿充狀態(tài)。

（2）燃油系統(tǒng)

箱體內(nèi)部設(shè)置油箱，其容量滿足柴油發(fā)電機組滿功率運行8h以上。油箱預(yù)留日常加油管接口，允許運行時在線補充燃油，箱式柴油發(fā)電機設(shè)置電動補油裝置及補油接管，當(dāng)需要補油時可通過該接管向機帶油箱在線補油；為避免過補油，機帶油箱設(shè)置液位指示以及高、低液位報警裝置。

（3）試驗負載

參照IEEE387等相關(guān)標準的要求，為確保SBO軸封注水泵柴油發(fā)電機的可靠性和可用性需要進行定期帶載試驗。而常規(guī)的月度試驗并非加載SBO軸封注水泵，而是采用試驗負載進行帶載試驗。試驗負載采用干式交流阻性負載，采用強制風(fēng)冷冷卻方式。

4　結(jié)束語

本文提出的增設(shè)SBO軸封注水泵柴油發(fā)電機方案，目前改造已實施完畢，經(jīng)過與SBO軸封注水泵、泵進口閥門等系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)試驗，系統(tǒng)已通過驗收并投入運行，滿足國家核安全局提出的整改要求。在施工、調(diào)試過程中，本方案充分體現(xiàn)出了安裝快速、技術(shù)成熟的特點，該方案對其他在役核電廠的相關(guān)系統(tǒng)改造具有借鑒意義。

［1］GB/T 2820.5—2009往復(fù)式內(nèi)燃機驅(qū)動的交流發(fā)電機組 第5部分：發(fā)電機組［S］.

［2］DL/T 5153—2002火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計技術(shù)規(guī)定［S］.

（2016-02-02）