核安全級柴油發電機組的設計依據
發布時間：2024-04-06 點擊：194
核安全級柴油發電機組的設計依據
在廠外主電源廠外輔助電源均失去的情況下，每臺應急柴油發電機組有能力滿足應急廠用設備用電要求，以確保反應堆的安全停堆；并且防止由于正常的外部電源系統失電而導致重要設備的損壞。每個核電發電機組的設備為兩臺獨立的、互為備用的應急柴油發電機組。作為保證核電站安全的關鍵設備之一，核電柴油發電機組必須具有非常高的可靠性，對發電機組功率、起停機、調速、抗震、可靠度以及使用壽命等相關指標有極高要求。
1．設備概述
cpr1000核電站的每臺核電發電機組應配置2臺100％容量的．edg，均處于熱備用狀態，隨時準備啟動發電。按照國際核安全運行的最新規定，cpr1000核電站在廠內增設一臺獨立運行的同容量輔助柴油發電機組，當其他edg進行定期檢修維護時，則可切換備用。
在核電站中，電氣設備分為1e級（安全級）與非1e級（非安全級）。應急電源系統（傳統的設計包括edg、蓄電池組、充電器和有關配電裝置等）屬于1e級設備，在外部斷電時，edg立即啟動發電，向核反應堆的安全保護和冷卻/散熱/通風等系統提供應急供電，執行相關的核安全功能。
應急柴油發電機組設備抗震要求為抗震i類，其中柴油機、發電機、燃油輸送泵及電機、風扇冷卻器及電機設備為1a類，即這些設備在所有地震條件下不僅能保證結構完整，還要能持續可靠運行。須滿足以下兩種地震條件：安全停堆地震sse與運行基準地震obe。sse時的地震加速度值是obe時的2倍。obe的地震水平與垂直加速度，在地面上的峰值設定為0.2g和0.133g。
2．設計依據
核安全級柴油發電機組遵循的主要法規、規范、標準包括：
1）haf003核電廠質量保證安全規定；
2）had003系列核電廠質量保證中與設計及物項制造等有關的安全導則；
3）had102系列核電廠設計中與應急動力系統及抗震設計、鑒定有關的安全導則；
4）rcc-m法國壓水堆核電站核島機械設備設計制造規范；
5）rcc-e法國壓水堆核電站核島電氣設備設計制造規范；
6）ieee387核電站備用電源用柴油發電機組設計準則；
7）ieee649 備用電源用柴油發電機組定期檢測標準；
8）iaea 50-sg-d1沸水堆、壓水堆核電站安全功能和部件的分級規范；
9）iso 8528 往復式內燃發電機組；
10）iso 3046 往復式內燃機性能；
11）iec60034 國際電工協會旋轉電機標準；
12）kta 3702 德國民用核電站應急柴油發電機組設備。
3．核級應急柴油發電機組總體設計
根據核電站應急電源設計要求，應急柴油發電機組的設計至少必須考慮以下條件：
1）發電機組運行壽命；
2）該設備安裝的環境（最高、最低溫度/濕度及其持續時間和年平均溫度）；
3）設備安裝樓層的地震響應譜；
4）反應堆安全停堆負載特性；
5）柴油機進口的空氣質量（鹽、砂等含量）；
6）當地大氣壓力（需考慮天氣原因，如龍卷風的降壓、持續時間和風力大小）；
7）燃油的型號和質量；
8）電廠用水的質量；
9）火災的影響等。
（1）發電機組瞬態加載特性
為了滿足在突發事件發生后反應堆能夠安全停堆，要求應急柴油發電機組在接到啟動信號10s內達到額定轉速，在45s內加載反應堆停堆所需的全部載荷。在發電機組最初設計時，必須根據反應堆安全停堆負載特性對發電機組的啟動及瞬態加載能力進行計算模擬。
（2）發電機組抗地震計算/試驗
核電廠的抗震具有特殊的重要性。由于核電廠中許多設備和部件中聚集著大量的放射性物質，一旦遭到地震破壞可能使放射性物質外逸，從而對公眾的生命和健康造成危害。如果反應堆系統遭受破壞，可能造成核事故，影響的范圍更大。因此，在核電廠的設計和建造中必須重視抗震鑒定工作。世界上主要核國家先后建立了一整套有關抗震鑒定的法規、導則和規范，從而為核電廠的抗震安全性提供了保證。
為了保障在突發事件發生后應急柴油發電機組能夠正常為反應堆提供電源，應急柴油發電機組必須能夠承受當地可能發生的最大的地震波沖擊。在發電機組最初設計時，必須對柴油機、發電機以及與柴油機正常運行相關的輔助設備，根據各設備安裝樓層的樓面響應譜進行抗地震計算（或試驗），該設備在發電機組設計時可以不予考慮。
為了防止有害振動的傳遞，所有設備之間的連接需采用撓性管連接，核級設備之間的管段及其附件同樣也必須進行抗地震計算，保證在地震波沖擊后能夠正常工作。
為驗證核安全級柴油發電機組的抗震i類功能，必須進行柴油發電機組的抗震鑒定。抗震鑒定可采用分析方法、試驗方法或分析與試驗相結合的方法，另外還可采用經驗反饋方法進行推理論證。如果分析法不足以證實抗震i類設備的完整性和運行性時，必須通過試驗法進行鑒定。
在通過試驗法鑒定時，必須綜合考慮抗震試驗臺的臺面尺寸和承載能力與被試驗設備的體積、重量是否匹配，試驗臺的技術參數是否滿足抗震試驗所有測試項目的要求。
安全級柴油發電機組的抗震試驗會受到振動臺設備能力的限制，目前只能做2000kw以下功率段發電機組的試驗，2000kw以上功率段發電機組的抗震鑒定只能通過分析計算來進行，但分析計算的軟件必須是可靠的，有足夠的精確度的，且得到有關核安全監管部門的認可。
地震模擬振動臺上的抗震試驗為破壞性試驗，經過抗震試驗的設備一般不應作為產品安裝于核電站，除非能證明由于抗震鑒定試驗所帶來的累計的應力循環所引起的疲勞不會使設備降級，影響其履行安全功能的能力。
某核電工程核安全級柴油發電機組在地震模擬振動臺上的抗震試驗為例簡要介紹核安全級柴油發電機組的抗震試驗方法詳見本章附錄。
（3）發電機組振動及發電機組扭振
發電機組振動：由于柴油機屬于往復式機械，為了降低柴油機振動及對周圍設備的機械振動影響，在發電機組設計時，必須對柴油發電機組進行振動計算并安裝彈簧阻尼減振器。
發電機組扭振：為了保證柴油發電機組運行時發電機組軸系的安全，需要對發電機組軸系扭轉振動進行計算，保障在運行區域內柴油機軸系應力不超過其許用應力。
4．燃油系統的設計
由于核級應急柴油發電機組屬于應急狀態下使用，所以不考慮經濟性問題，一般都是采用輕柴油作為燃料，在燃油系統上也不必像負載電站那樣需要安裝流量計。
核電廠主儲油罐容量一般要求能滿足發電機組在滿負載下連接運行7天的需求。日用油箱容量要能保證發電機組滿負載運行4h。為了增加系統的可靠性，從主儲油罐到日用油箱之間利用兩個并聯的燃油齒輪泵輸送。日用油箱要設計快速燃油泄放口，當柴油機廠房內發生火災時，在廠房外能迅速將燃油放回儲油罐。
從日用燃油箱到柴油機之間需要增加燃油備用泵（與機帶燃油泵并聯），以避免在應急時由于機帶泵損壞而導致發電機組不能工作，如圖1所示。
圖1 柴油發電機燃油系統原理圖
5．滑油系統的設計
為了保證柴油發電機組能在45s內迅速加載至滿負載，要求柴油發電機組時刻處于熱備用狀態，核級應急柴油發電機組需要增加滑油預熱系統，一般是通過預熱高溫水來加熱滑油。
在核應急柴油機廠房內需要放置滑油補給油箱，補給油箱容量要保證柴油發電機組滿功率連續運行7天。滑油通過補給油泵向柴油機公共底座補油，補給油泵的工作通過柴油機公共底座液位傳感器控制。控制邏輯如下：
1）液位過高：報警、停泵。
2）液位高：停泵。
3）液位低：起泵。
4）液位過低：報警、起泵。
5）滑油預供泵與柴油機的轉速信號聯鎖，當柴油機接到啟動信號時，預供泵停止運行；當柴油機接到停機信號時，預供泵開始運轉如圖2所示。
圖2 柴油發電機滑油系統原理圖
6．冷卻水系統的設計
一般電站冷卻水系統通常有高溫水、低溫水兩路系統，高溫水冷卻缸套、缸蓋等，低溫水冷卻空冷器、滑油。作為核電應急柴油發電機組冷卻水系統有以下兩種方案：
1）重要廠用水冷卻高、低溫水
這種冷卻方式由三路水組成，利用重要廠用水分別冷卻高、低溫水。重要廠用水通過電站的中央冷卻塔冷卻。
2）風冷散熱器冷卻高、低溫水
這種冷卻方式通過兩個大型風冷散熱器分別冷卻高、低溫水，這要求風冷散熱器、風機必須能夠承受地震載荷，在地震發生時能夠正常工作。
為了保證柴油機隨時處于熱備用狀態，在柴油機不運行時要對柴油進行預熱。預熱水泵和柴油機轉速聯鎖，當接到柴油機啟動信號時，預熱水泵停止運轉；當接到柴油機停機信號時，預熱水泵開始運轉。預熱水溫度根據柴油機性能不同而有所差異。
高、低溫水系統各設一個膨脹水箱給系統補充水，高、低溫水系統高點設置放氣口如圖3所示。
圖3 柴油發電機高低溫補水系統原理圖
7．進、排氣系統的設計
核級應急柴油發電機組進氣一般采取室內進氣，廠房內溫度要保持在發電機組允許工作范圍內，過低的溫度會影響發電機組的啟動性能，過高的溫度會降低發電機組的輸出功率。
核級應急柴油發電機組排氣系統盡量短平，避免使用過多的彎頭，盡可能降低柴油機排氣背壓，否則會降低發電機組輸出功率。渦輪增壓器出口要安裝排氣膨脹節，以補償由溫度變化引起的管道膨脹，管道必須有牢固的支撐點，保障在任何情況下不能將管道重
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1．設備概述
cpr1000核電站的每臺核電發電機組應配置2臺100％容量的．edg，均處于熱備用狀態，隨時準備啟動發電。按照國際核安全運行的最新規定，cpr1000核電站在廠內增設一臺獨立運行的同容量輔助柴油發電機組，當其他edg進行定期檢修維護時，則可切換備用。
在核電站中，電氣設備分為1e級（安全級）與非1e級（非安全級）。應急電源系統（傳統的設計包括edg、蓄電池組、充電器和有關配電裝置等）屬于1e級設備，在外部斷電時，edg立即啟動發電，向核反應堆的安全保護和冷卻/散熱/通風等系統提供應急供電，執行相關的核安全功能。
應急柴油發電機組設備抗震要求為抗震i類，其中柴油機、發電機、燃油輸送泵及電機、風扇冷卻器及電機設備為1a類，即這些設備在所有地震條件下不僅能保證結構完整，還要能持續可靠運行。須滿足以下兩種地震條件：安全停堆地震sse與運行基準地震obe。sse時的地震加速度值是obe時的2倍。obe的地震水平與垂直加速度，在地面上的峰值設定為0.2g和0.133g。
2．設計依據
核安全級柴油發電機組遵循的主要法規、規范、標準包括：
1）haf003核電廠質量保證安全規定；
2）had003系列核電廠質量保證中與設計及物項制造等有關的安全導則；
3）had102系列核電廠設計中與應急動力系統及抗震設計、鑒定有關的安全導則；
4）rcc-m法國壓水堆核電站核島機械設備設計制造規范；
5）rcc-e法國壓水堆核電站核島電氣設備設計制造規范；
6）ieee387核電站備用電源用柴油發電機組設計準則；
7）ieee649 備用電源用柴油發電機組定期檢測標準；
8）iaea 50-sg-d1沸水堆、壓水堆核電站安全功能和部件的分級規范；
9）iso 8528 往復式內燃發電機組；
10）iso 3046 往復式內燃機性能；
11）iec60034 國際電工協會旋轉電機標準；
12）kta 3702 德國民用核電站應急柴油發電機組設備。
3．核級應急柴油發電機組總體設計
根據核電站應急電源設計要求，應急柴油發電機組的設計至少必須考慮以下條件：
1）發電機組運行壽命；
2）該設備安裝的環境（最高、最低溫度/濕度及其持續時間和年平均溫度）；
3）設備安裝樓層的地震響應譜；
4）反應堆安全停堆負載特性；
5）柴油機進口的空氣質量（鹽、砂等含量）；
6）當地大氣壓力（需考慮天氣原因，如龍卷風的降壓、持續時間和風力大小）；
7）燃油的型號和質量；
8）電廠用水的質量；
9）火災的影響等。
（1）發電機組瞬態加載特性
為了滿足在突發事件發生后反應堆能夠安全停堆，要求應急柴油發電機組在接到啟動信號10s內達到額定轉速，在45s內加載反應堆停堆所需的全部載荷。在發電機組最初設計時，必須根據反應堆安全停堆負載特性對發電機組的啟動及瞬態加載能力進行計算模擬。
（2）發電機組抗地震計算/試驗
核電廠的抗震具有特殊的重要性。由于核電廠中許多設備和部件中聚集著大量的放射性物質，一旦遭到地震破壞可能使放射性物質外逸，從而對公眾的生命和健康造成危害。如果反應堆系統遭受破壞，可能造成核事故，影響的范圍更大。因此，在核電廠的設計和建造中必須重視抗震鑒定工作。世界上主要核國家先后建立了一整套有關抗震鑒定的法規、導則和規范，從而為核電廠的抗震安全性提供了保證。
為了保障在突發事件發生后應急柴油發電機組能夠正常為反應堆提供電源，應急柴油發電機組必須能夠承受當地可能發生的最大的地震波沖擊。在發電機組最初設計時，必須對柴油機、發電機以及與柴油機正常運行相關的輔助設備，根據各設備安裝樓層的樓面響應譜進行抗地震計算（或試驗），該設備在發電機組設計時可以不予考慮。
為了防止有害振動的傳遞，所有設備之間的連接需采用撓性管連接，核級設備之間的管段及其附件同樣也必須進行抗地震計算，保證在地震波沖擊后能夠正常工作。
為驗證核安全級柴油發電機組的抗震i類功能，必須進行柴油發電機組的抗震鑒定。抗震鑒定可采用分析方法、試驗方法或分析與試驗相結合的方法，另外還可采用經驗反饋方法進行推理論證。如果分析法不足以證實抗震i類設備的完整性和運行性時，必須通過試驗法進行鑒定。
在通過試驗法鑒定時，必須綜合考慮抗震試驗臺的臺面尺寸和承載能力與被試驗設備的體積、重量是否匹配，試驗臺的技術參數是否滿足抗震試驗所有測試項目的要求。
安全級柴油發電機組的抗震試驗會受到振動臺設備能力的限制，目前只能做2000kw以下功率段發電機組的試驗，2000kw以上功率段發電機組的抗震鑒定只能通過分析計算來進行，但分析計算的軟件必須是可靠的，有足夠的精確度的，且得到有關核安全監管部門的認可。
地震模擬振動臺上的抗震試驗為破壞性試驗，經過抗震試驗的設備一般不應作為產品安裝于核電站，除非能證明由于抗震鑒定試驗所帶來的累計的應力循環所引起的疲勞不會使設備降級，影響其履行安全功能的能力。
某核電工程核安全級柴油發電機組在地震模擬振動臺上的抗震試驗為例簡要介紹核安全級柴油發電機組的抗震試驗方法詳見本章附錄。
（3）發電機組振動及發電機組扭振
發電機組振動：由于柴油機屬于往復式機械，為了降低柴油機振動及對周圍設備的機械振動影響，在發電機組設計時，必須對柴油發電機組進行振動計算并安裝彈簧阻尼減振器。
發電機組扭振：為了保證柴油發電機組運行時發電機組軸系的安全，需要對發電機組軸系扭轉振動進行計算，保障在運行區域內柴油機軸系應力不超過其許用應力。
4．燃油系統的設計
由于核級應急柴油發電機組屬于應急狀態下使用，所以不考慮經濟性問題，一般都是采用輕柴油作為燃料，在燃油系統上也不必像負載電站那樣需要安裝流量計。
核電廠主儲油罐容量一般要求能滿足發電機組在滿負載下連接運行7天的需求。日用油箱容量要能保證發電機組滿負載運行4h。為了增加系統的可靠性，從主儲油罐到日用油箱之間利用兩個并聯的燃油齒輪泵輸送。日用油箱要設計快速燃油泄放口，當柴油機廠房內發生火災時，在廠房外能迅速將燃油放回儲油罐。
從日用燃油箱到柴油機之間需要增加燃油備用泵（與機帶燃油泵并聯），以避免在應急時由于機帶泵損壞而導致發電機組不能工作，如圖1所示。
圖1 柴油發電機燃油系統原理圖
5．滑油系統的設計
為了保證柴油發電機組能在45s內迅速加載至滿負載，要求柴油發電機組時刻處于熱備用狀態，核級應急柴油發電機組需要增加滑油預熱系統，一般是通過預熱高溫水來加熱滑油。
在核應急柴油機廠房內需要放置滑油補給油箱，補給油箱容量要保證柴油發電機組滿功率連續運行7天。滑油通過補給油泵向柴油機公共底座補油，補給油泵的工作通過柴油機公共底座液位傳感器控制。控制邏輯如下：
1）液位過高：報警、停泵。
2）液位高：停泵。
3）液位低：起泵。
4）液位過低：報警、起泵。
5）滑油預供泵與柴油機的轉速信號聯鎖，當柴油機接到啟動信號時，預供泵停止運行；當柴油機接到停機信號時，預供泵開始運轉如圖2所示。
圖2 柴油發電機滑油系統原理圖
6．冷卻水系統的設計
一般電站冷卻水系統通常有高溫水、低溫水兩路系統，高溫水冷卻缸套、缸蓋等，低溫水冷卻空冷器、滑油。作為核電應急柴油發電機組冷卻水系統有以下兩種方案：
1）重要廠用水冷卻高、低溫水
這種冷卻方式由三路水組成，利用重要廠用水分別冷卻高、低溫水。重要廠用水通過電站的中央冷卻塔冷卻。
2）風冷散熱器冷卻高、低溫水
這種冷卻方式通過兩個大型風冷散熱器分別冷卻高、低溫水，這要求風冷散熱器、風機必須能夠承受地震載荷，在地震發生時能夠正常工作。
為了保證柴油機隨時處于熱備用狀態，在柴油機不運行時要對柴油進行預熱。預熱水泵和柴油機轉速聯鎖，當接到柴油機啟動信號時，預熱水泵停止運轉；當接到柴油機停機信號時，預熱水泵開始運轉。預熱水溫度根據柴油機性能不同而有所差異。
高、低溫水系統各設一個膨脹水箱給系統補充水，高、低溫水系統高點設置放氣口如圖3所示。
圖3 柴油發電機高低溫補水系統原理圖
7．進、排氣系統的設計
核級應急柴油發電機組進氣一般采取室內進氣，廠房內溫度要保持在發電機組允許工作范圍內，過低的溫度會影響發電機組的啟動性能，過高的溫度會降低發電機組的輸出功率。
核級應急柴油發電機組排氣系統盡量短平，避免使用過多的彎頭，盡可能降低柴油機排氣背壓，否則會降低發電機組輸出功率。渦輪增壓器出口要安裝排氣膨脹節，以補償由溫度變化引起的管道膨脹，管道必須有牢固的支撐點，保障在任何情況下不能將管道重
柴油濾清器多久更換？哪個牌子好？
動力技術交流：柴油發電機組之控制系統
國內十大品牌柴油發電機組之康明斯公司介紹
為什么柴油發電機組需要及時維護保養？（二）
為什么沃爾沃柴油發電機組備受用戶歡迎？在哪家買好？
柴油發電機排氣煙色異常，冒黑、白、藍煙各自怎么維修
柴油發電機組皮帶多久換一次?很多用戶都不知道
柴油發電機組出現低油壓故障報警/停機的原因是什么？