核電廠應急柴油發(fā)電機組定期試驗啟動方式的探討

李劍波，周 舟

(中廣核研究院有限公司，廣東深圳518031)

核電廠應急柴油發(fā)電機組定期試驗啟動方式的探討

李劍波，周 舟

(中廣核研究院有限公司，廣東深圳518031)

分析了國內外關于核電廠EDG定期試驗啟動方式的相關研究以及最新的標準和規(guī)范。介紹了國外核電廠的相關改善措施及其效果，對國內核電廠在EDG定期試驗中使用慢啟動的方式進行了必要性論證。為EDG啟動方式改進提供了兩種方案，詳細分析了兩種方案的風險和失效概率，為核電廠的相關改進提供了重要參考。

應急柴油發(fā)電機組，定期試驗，啟動方式

1 概述

1.1 EDG介紹

應急柴油發(fā)電機組(Emergency Diesel Generator，EDG)作為核電廠的重要后備電源，為核電廠安全停堆所需的中低壓核輔助設備供電，確保設備安全和人身安全；還可防止由于外部交流電源喪失而導致重要設備損壞。為保證中低壓核輔助設備供電的可靠性，EDG須在啟動信號發(fā)出后極短的時間內(一般為十秒至幾十秒)完成啟動并達到額定轉速和額定電壓。

1.2 EDG定期試驗介紹

按相關標準和規(guī)范的要求，為驗證EDG的可用性和各項指標性能，應進行定期試驗。

定期試驗是指在核電廠的整個壽期內按照確定的周期和方法進行的定期檢驗；其目的是確保核安全相關功能中涉及設備的性能與其設計時規(guī)定數值的一致性。

EDG定期試驗包含低功率試驗和滿功率試驗兩種，低功率試驗通過切斷正常電源帶廠用負荷進行；滿功率試驗通過與廠外輔助電源并網后進行。國內壓水堆核電廠EDG定期試驗的具體內容略有差異，但主要試驗項目基本一致。

核電廠的特殊性對EDG提出了快速啟動的要求，其試驗也分為快啟動試驗和慢啟動試驗[1]。

1.3 EDG空氣啟動系統(tǒng)介紹

國內核電廠EDG均采用壓縮空氣啟動的方式。

EDG的每臺引擎設有兩套相同的、完全獨立的空氣啟動系統(tǒng)，空氣啟動系統(tǒng)產生的壓縮空氣用以啟動柴油機。EDG啟動時，電磁閥被啟動信號觸發(fā)開啟，壓縮空氣注入氣缸使其開始運動，氣缸帶動大軸轉動。系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 EDG空氣啟動系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic plot of EDG’s Air Start-up system

2 柴油機快啟動存在的問題

EDG定期試驗首先要啟動柴油機，目前國內核電廠均采用快啟動的方式。

1977 年美國核管會(NRC)發(fā)布RG1.108導則，對EDG的定期試驗做出了規(guī)定：每月進行一次快啟動試驗，如果之前100次有效試驗中有2次不成功，則此后試驗周期縮短為14天；若有3次不成功則試驗周期進一步縮短為7天；若有4次則每3天就必須進行一次試驗。制定這一嚴格規(guī)定的基礎是：確定論的電站設計理念中EDG在喪失廠外電后極其重要，以及當時對柴油機的認識。其初衷是敦促EDG存在問題的核電廠努力改進，不致因頻繁執(zhí)行EDG啟動試驗而導致經濟損失。

自20世紀80年代，NRC及眾多核電廠已開始對EDG的老化進行研究。結果表明頻繁的快啟動是導致EDG老化及可靠性下降的主要原因之一。為此1984年NRC針對提升與保持核電廠EDG可靠性所發(fā)布的新規(guī)明確指出：鑒于EDG在喪失廠外電源時的作用，電站應保證EDG的可靠性，NRC將在必要時評價電站在減少EDG的快啟動定期試驗、跟蹤EDG的可靠性數據及制定提高EDG可靠性的計劃等方面的工作。此后不斷有美國核電廠提出修改EDG定期試驗方式的申請，將EDG定期試驗由快啟動方式改為慢啟動方式。

2.1 美國核電廠的改進方案

對EDG的老化及對可靠性進行了大量的研究后，NRC頒布了RG1.9導則《核電廠1E級EDG的選擇、設計、鑒定與試驗》，RG1.108被廢止。該導則明確了EDG的月度啟動試驗應按“預先所確定的產生最小磨損與沖擊的步驟慢速啟動至額定轉速的試驗方式”進行，即采用慢啟動試驗方式。隨后，通過對已修改了定期試驗啟動方式的柴油機進行跟蹤調查，性能數據表明這一改進對柴油機的可靠性產生了積極影響。

2.2 法國核電廠改進方案

法國核電廠的改進措施主要體現在減少EDG的啟動次數和改進定期試驗方式。法國國家電力公司已將EDG一月一次的快啟動試驗改為：交替進行的兩月一次的快啟動試驗及兩月一次的啟動打油膜試驗。

2.3 IAEA的建議

2002年IAEA對嶺澳一期核電站進行“預運行安全評估”后，認為EDG定期試驗過于頻繁，一月一次的快啟動試驗將對EDG的可靠性造成負面影響，建議盡量減少EDG的快啟動次數(認為快啟動應該每個大修才做一次)，以降低定期試驗對柴油機的老化效應，延長其使用壽命并提升其可靠性。

NS-G-1.8中明確建議核電廠EDG在試驗中采用慢啟動的方式。

3 相關標準和規(guī)范的要求

通過搜索中國、IAEA、美國、法國、德國發(fā)布的相關標準和規(guī)范，共有8個與EDG定期試驗相關，如表1所示。

表1 EDG定期試驗相關標準和規(guī)范列表

以上4個對EDG定期試驗啟動方式有要求的標準和規(guī)范均建議或要求EDG在定期試驗中多采用慢啟動。

4 根本原因分析

國內現有EDG的柴油機機型均由船用柴油機改進而來，國外也基本如此。船艙內空間有限，不能像核電廠一樣為柴油機增加一整套預熱和預潤滑系統(tǒng)，但柴油機啟動前要求充分預熱和預潤滑，所以一般船用柴油機的啟動過程耗時較長，可達半小時以上。船用柴油機在啟動前都會通過各種方式緩慢轉動柴油機的主軸，即所謂的盤車。盤車的主要目的是為柴油機的各種運動部件建立油膜，原理與法國核電廠的打油膜試驗類似，防止由于柴油機啟動前，軸承、連桿等轉動設備未經潤滑而造成急劇摩擦，導致拉缸、燒瓦等嚴重故障。

核電廠柴油機雖然有一整套預熱和預潤滑系統(tǒng)，但預潤滑是在柴油機未啟動時進行，此時柴油機的各種運動部件均處于相對靜止狀態(tài)，潤滑油無法進入軸承和連桿，不能建立油膜。同時，為滿足快啟動的要求，啟動空氣的壓力較大(國內機組一般為40bar.g)，在柴油機啟動瞬間，軸承和連桿會承受巨大的啟動沖擊力。雖然柴油機已經預熱，但重要運動部件均未形成油膜，將造成重要運動部件急劇摩擦，導致拉缸、燒瓦等故障。相關研究機構已經證實，這種啟動方式會對柴油機的壽命和可靠性造成嚴重影響。

以上分析結論與國內幾個大型柴油機廠家溝通后，廠家均表示認同。

INPO出版的相關文件也指出：柴油機快速的加速和帶載期間，無法在其內部建立有效的熱力平衡，可能導致在缸體或曲軸箱產生很高的機械和熱應力，從而引起柴油機結構的變形。這些變形會相應地導致金屬與金屬的接觸(刮擦)，加速部件的磨損。刮擦會產生非常高的溫度，嚴重時導致曲軸箱炸裂。

快啟動是核電廠特殊性對EDG的要求，這一功能需通過定期試驗進行驗證，但如果每一次EDG定期試驗均執(zhí)行快啟動，將會顯著增強柴油機的老化效應并降低其可靠性。

據國外經驗反饋，法國核電廠柴油機早期經常出現拉缸問題，后經論證，將規(guī)范中要求的啟動時間從10s延長到了15s，拉缸問題得到明顯改善。

綜上，建議國內各核電廠盡快改進EDG定期試驗的啟動方式。

以下將給出兩種改進方案供參考。

5 EDG慢啟動改進方案

5.1 盤車電機改進方案(方案一)

大型汽輪機一般都裝有盤車電機，其目的之一是汽輪機啟機前在主軸和軸瓦之間建立油膜，避免主軸和軸瓦之間產生“干磨”的現象。這與船用柴油機啟動前進行盤車的目的基本相同。本改進方案將在合適的位置為柴油機增加盤車電機，示意圖如圖2所示。

圖2 盤車電機安裝位置示意圖Fig.2 Installation position for turning motor

本方案中，盤車電機選用普通工業(yè)產品，其啟動方式為手動，出現EDG啟動信號后自動停機。盤車電機的傳動齒輪為單傳動向齒輪，防止柴油機帶動盤車電機旋轉產生反電動勢。盤車電機與齒輪間的傳動使用電磁式離合器，失電時斷開，地震情況不會影響離合器機械機構的分離。盤車電機和電磁離合器的控制信號為1E級。

5.2 方案一失效概率計算

方案一中， 力的傳遞方式如圖3所示。

本方案的失效模式為：單向傳動齒輪失效疊加電磁離合器失效后，柴油機帶動電動機運轉。即單向傳動齒輪和電磁離合器二者均失效。電磁離合器由繼電器控制，地震情況不會影響離合器機械機構的解開，失效模式為繼電器失效，其概率參考文獻[2]取保守值10-5，單向傳動齒輪的失效概率暫無數據，參考核電廠核島閥門的失效概率(實際上齒輪的失效概率要低于閥門的失效概率)，取(保守值)5×10-3。

故方案一的失效概率為5×10-8。

5.3 修改空氣啟動管路改進方案(方案二)

利用減壓后的壓縮空氣緩慢推動柴油機旋轉。

本方案將修改原啟動空氣的管線，增設一個減壓閥，以一條管線為例，方案如圖4所示。

本方案中，減壓閥兩邊的手動隔離閥為常閉閥門，電磁閥常開(失電開)，EDG定期試驗期間反之；減壓閥將空氣壓力減至可以使柴油機緩慢轉動的壓力；電磁閥與柴油機啟動電磁閥聯動，即接收到啟動命令后開啟，以保證EDG應急啟動。

為不降低涉及回路和設備的級別，手動隔離閥、減壓閥、電磁閥和柴油機啟動電磁閥均為1A級，新增管線為1F級。

5.4 方案二失效概率計算

方案二中，新增的管線、閥門均通過相關鑒定和計算進行驗證，在地震工況下能夠保證結

構完整性的要求。因此本方案的失效模式為：電磁閥疊加兩個手動隔離閥和減壓閥中的任意閥門不能打開，導致EDG無法啟動。本次失效模式的計算公式為：

式中：p(v)——手動閥失效概率；

p(m)——電磁閥失效概率；

p(r)——減壓閥失效概率。

[6]取p(v)=p(m)=p(r)=0.005。

計算得方案二的失效概率為7.46×10-5。

6 方案比較

方案一和方案二通過不同的方式實現柴油機慢啟動，方案的優(yōu)缺點對比如表2所示。

國內核電廠可依據自身需要選擇合適的改進方案。

7 總結

柴油機啟動前，潤滑油經過預熱后，外力帶動柴油機的飛輪旋轉一段時間，軸承、連桿等所有轉動設備都潤滑經過了充分的潤滑。這種方式可明顯降低啟動對柴油機壽命和可靠性的影響。

EDG定期試驗中多采用慢啟動的方式可明顯降低其老化速率并提升其可靠性，該結論已被國內外的多個相關標準支持。本論文從這一觀點出發(fā)，結合核電廠EDG的特性，提出了兩種改進方案，這兩種改進方案均能使柴油機轉速持續(xù)上升，實現柴油機的慢啟動。計算了兩種方案的失效概率，均低于法國標準中要求的EDG失效概率0.01。最后比較了兩種方案的優(yōu)缺點，可為核電廠EDG定期試驗柴油機啟動方式修改提供重要參考。

參考文獻：

[1] EJ/T 625—2004，核電廠備用電源用柴油發(fā)電機組準則.

[2] GB/T 14598.1—2002，電氣繼電器第23部分：觸點性能.

[3] HAD102/13—1996，核電廠應急動力電源.

[4] NRC RG1.9 Rev.4，APPLICATION AND TESTING OF SAFETY-RELATED DIESEL GENERATORS IN NUCLEAR POWER PLANTS.

[5] IEEE387—2007，IEEE Standard Criteria for Diesel-Generator Units Applied as Standby Power Supplies for Nuclear Power Generating Stations

[6] 王宇翔，張冬林，李曉鐘. 核級安全閥可靠性參數指標研究. 閥門，2012，01.

[7] 王冠，郭弘，姜文華. 淺談核電廠儀表控制系統(tǒng)電磁兼容性要求. 核安全, 2014,13(2).

DiscussionaboutStart-upMeansduringPeriodicTestofEDGinNPP

LIJian-bo,ZHOUZhou

(China Nuclear Power Technology Research Institute，Shen Zheng，518031，P.R.China)

The related investigations and the latest standards and criterions of start-up means for periodic test of EDG in nuclear power plant (NPP) were analyzed. The related amendments and its effect in overseas NPP were described. The necessity for the adoption of slow start-up means during periodic test of EDG in domestic NPP was demonstrated. Two kinds of modification methods were brought forward, theirs venture were detailed analyzed. This provided an important reference for the related modification in NPP.

Emergency Diesel Generator(EDG)；Periodic test；Start-up means

2017-01-12

李劍波(1980—)，男，四川榮縣人，碩士研究生，高級工程師，現從事核電站系統(tǒng)和設備技術問題分析論證和解決方案

TL48

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：0258-0918(2017)04-0638-06