中國實(shí)驗(yàn)快堆應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)的可靠性分析

姚澤文

摘要：中國實(shí)驗(yàn)快堆的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組是保證反應(yīng)堆安全停堆以及后續(xù)事故處理的最重要的專設(shè)安全設(shè)施之一。其主要功能是在失去廠外電源或中壓母線故障時(shí)，為廠應(yīng)急母線提供可靠的電力。因此，提高應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的可靠性，對中國實(shí)驗(yàn)快堆的安全性至關(guān)重要。本文基于以可靠性為中心的維修理念分析不同系統(tǒng)設(shè)備故障以及定期試驗(yàn)對急柴油發(fā)電機(jī)組的影響，利用故障樹法對系統(tǒng)進(jìn)行定性、定量分析，并提出維護(hù)優(yōu)化建議，對急柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行和維修提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)； 以可靠性為中心的維修；維修優(yōu)化；故障樹法；可靠性

中圖分類號：TL 3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引言

針對核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組（EDG）的可靠性維修，都是在其定期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。為了提高應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)的供電可靠性，核電站在正常運(yùn)行期間，會(huì)制定特定的柴油發(fā)電機(jī)組定期試驗(yàn)程序，通過定期試驗(yàn)來發(fā)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)的潛在故障以及運(yùn)行缺陷，從而加以優(yōu)化或更正維修或運(yùn)行操作。換句話說，核電站柴油發(fā)電機(jī)的定期試驗(yàn)也就是柴油發(fā)電機(jī)組的定期檢修過程。以可靠性為中心的維修（RCM）是當(dāng)今應(yīng)用較為廣泛的一種以確定設(shè)備預(yù)防維修工作，優(yōu)化維修從而達(dá)到減少或消除設(shè)備故障的方法。其基本思想是：通過對設(shè)備進(jìn)行故障分析和定位，明確故障后果，通過設(shè)備故障數(shù)據(jù)建立相關(guān)模型，進(jìn)行定性定量等分析，在確保設(shè)備完好的前提下，以維修停機(jī)損失最小為目的對設(shè)備的維修策略進(jìn)行優(yōu)化。本文基于可靠性維修思想利用瑞典的risk spectrum軟件僅對快堆 EDG及其現(xiàn)執(zhí)行的定期試驗(yàn)進(jìn)行可靠性分析，通過分析為EDG的日常維護(hù)和故障維修提供數(shù)據(jù)上的支持和建議。

2 CEFR應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)主要設(shè)備

CEFR應(yīng)急供電系統(tǒng)中設(shè)計(jì)采用的是兩臺功率為728kw的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)，電壓為400v，轉(zhuǎn)速為1500r/min，功率因數(shù)為0.8滯后。其分別安裝在05子項(xiàng)的兩個(gè)廠房內(nèi)，實(shí)現(xiàn)彼此實(shí)體隔離，屬于安全相關(guān)級設(shè)備，抗震Ⅰ類。每臺柴油發(fā)電機(jī)組由柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)和控制屏三部分組成，每臺機(jī)組都具有自帶的潤滑油系統(tǒng)，冷卻方式為自帶冷凝器，風(fēng)扇的風(fēng)冷式。

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)主要的輔助系統(tǒng)有[4]：

1） 燃油貯存系統(tǒng)

CEFR每臺柴油發(fā)電機(jī)組都配有獨(dú)立的燃油存儲(chǔ)系統(tǒng)，由一個(gè)儲(chǔ)油罐和一個(gè)日用油箱組成，它們之間由兩個(gè)輸油泵（一用一備）連接，其儲(chǔ)油量能夠保證機(jī)組在最大負(fù)荷下連續(xù)運(yùn)行7天。主要功能是為柴油機(jī)提供燃油，日用油箱可以通過重力作用將燃油輸送給柴油機(jī)。

2） 柴油機(jī)啟動(dòng)及預(yù)熱系統(tǒng)

柴油啟動(dòng)及預(yù)熱系統(tǒng)設(shè)備主要由鉛蓄電池、冷卻機(jī)加熱器（潤滑油加熱器）、溫度控制閥等組成。柴油機(jī)的啟動(dòng)由鉛蓄電池完成，在正常供電狀態(tài)下，蓄電池處于充電狀態(tài)以保證事故狀態(tài)下其有足夠的電壓來啟動(dòng)柴油機(jī)。柴油機(jī)的預(yù)熱系統(tǒng)使柴油機(jī)體一直處于一定的溫度下，使機(jī)組始終處于熱備用狀態(tài)。

3） 潤滑油系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由潤滑油泵、潤滑油過濾器以及潤滑油冷卻器組成。潤滑油系統(tǒng)與柴油機(jī)為一體，其油泵有足夠的壓頭潤滑主軸承和曲銷等，機(jī)內(nèi)潤滑油通過一個(gè)再循環(huán)回路自動(dòng)保持在一定的溫度范圍內(nèi)，以保證潤滑油的機(jī)能。

4） 柴油機(jī)吸氣及排煙系統(tǒng)

柴油發(fā)電機(jī)都裝有空氣過濾器、渦輪增壓機(jī)、空氣冷卻器、排煙軟管和排煙消音器。該系統(tǒng)的主要功能是提供給柴油機(jī)比較有質(zhì)量的空氣以及將燃燒后的廢氣排放到大氣中。

5） 柴油機(jī)冷卻及通風(fēng)系統(tǒng)

CEFR每臺柴油發(fā)電機(jī)都具有自身獨(dú)立的冷卻排風(fēng)系統(tǒng)，其由空氣冷凝器、風(fēng)扇、機(jī)帶冷卻水泵以及熱控閥等組成。主要功能是通過水冷卻劑從柴油機(jī)氣缸及油冷卻器帶出熱量，經(jīng)散熱器風(fēng)扇冷卻后循環(huán)排熱。通風(fēng)冷卻系統(tǒng)除了冷卻柴油機(jī)外，同時(shí)冷卻發(fā)電機(jī)、室內(nèi)排氣管、柴油機(jī)向室內(nèi)的輻射熱。

6） 柴油發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)

每臺柴油發(fā)電機(jī)組都配有兩塊控制屏，一為主開關(guān)控制屏，一為柴油發(fā)電機(jī)組控制屏?？刂破辽涎b設(shè)有運(yùn)行指示信號，用以判別機(jī)組的報(bào)警或故障信息。操作人員可以通過該系統(tǒng)對柴油發(fā)電機(jī)作出相關(guān)的操作。

2.2 柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式和主要功能[2]

柴油發(fā)電機(jī)組在反應(yīng)堆正常運(yùn)行情況下，始終處于熱備用的狀態(tài)，所謂熱備用狀態(tài)即用于暖機(jī)的潤滑油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)處于保溫狀態(tài)，啟動(dòng)蓄電池處于浮充電狀態(tài)。當(dāng)失去主電源和備用電源時(shí)，應(yīng)急母線失電或接收到其他啟動(dòng)信號時(shí)，柴油機(jī)可以立即啟動(dòng)，在10s鐘內(nèi)發(fā)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速和額定電壓，并具備帶載負(fù)荷的能力。應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)按批次帶載完成后，進(jìn)入正常運(yùn)行工況。

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的主要功能是在核電站中壓母線因?yàn)槭S外正常電源，或母線本身故障而導(dǎo)致失壓時(shí)，為應(yīng)急交流母線提供電源，向安全系統(tǒng)的負(fù)載以及其他指定的非安全物項(xiàng)供應(yīng)電力，防止重要安全設(shè)備因?yàn)殡娫磫适Ф斐蓳p壞，確保反應(yīng)堆緊急安全停堆，避免核泄漏事故發(fā)生，保證人身安全。

3 EDG的故障樹評估

根據(jù)以可靠性為中心的維修理論，通過系統(tǒng)的功能和性能指標(biāo)，分析導(dǎo)致功能故障的所有故障模式，以及帶來的影響和后果，選擇合適的維修方案來預(yù)防這些可能的故障。本文利用故障樹法對CEFR應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行可靠性分析，不僅對它的一些可靠性指標(biāo)做出評估，更重要的是找出對其可靠性影響較大的因素，識別系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，從而確定提高該設(shè)備可靠性的對策，指導(dǎo)優(yōu)化運(yùn)行和維護(hù)兩方面的工作。

3.1系統(tǒng)故障樹分析

CEFR應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)的主要作用是在接收到啟動(dòng)信號后，及時(shí)啟動(dòng)并按照要求建立能夠帶載的電壓和頻率，輸出穩(wěn)定的電力。下文以EDG無電力輸出為頂事件，應(yīng)用Risk spectrum軟件建立故障樹模型來分析系統(tǒng)可靠性。系統(tǒng)邊界定義為EDG出口斷路器以及其輔助系統(tǒng)。限于文章篇幅，僅給出EDG無電力輸出的主故障樹（圖3.1）和柴油機(jī)無法啟動(dòng)（圖3.2）、運(yùn)行時(shí)故障（圖3.3）的故障樹。整個(gè)故障樹包括34個(gè)基本事件，22個(gè)門事件。

圖3.1 EDG無電力輸出主故障樹

圖3.2柴油機(jī)無法啟動(dòng)主故障樹

圖3.3柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行期間故障主故障樹

本文分析采用IAEA-TECDOC和文獻(xiàn)[1]等資料中提供的通用數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)可靠性分析。同時(shí)該系統(tǒng)與一般核電廠的類似，利用以上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以得到可信的結(jié)果。通過分析可得到：快堆應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)供電失效的概率為：2.437E-004。

表3.1是頂事件失效的支配性最小割集以及其不可用度所占系統(tǒng)總失效的比例。

表3.2是EDG無電力輸出主要支配性失效部件的重要度和靈敏度分析（由于篇幅限制只列出了前十項(xiàng)）。

表3.1EDG無電力輸出最小割集

序號 不可用度 份額 最小割集事件 序號 不可用度 份額 最小割集事件

1 3.0E-005 12.3 輸油泵故障 16 2.50E-006 1.0 風(fēng)扇故障

2 3.0E-005 12.3 合閘開關(guān)拒動(dòng) 17 1.90E-006 0.8 供油閥門誤關(guān)閉

3 3.0E-005 12.3 濾清器故障 18 1.50E-006 0.6 潤滑油冷卻器故障

4 2.50E-005 10.3 人因故障 19 1.40E-006 0.6 解調(diào)器故障

5 2.30E-005 9.4 發(fā)電機(jī)定子故障 20 1.00E-006 0.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)拒動(dòng)

6 1.50E-005 6.2 柴油機(jī)曲軸故障 21 6.40E-007 0.3 蓄電池故障

7 1.00E-005 4.1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子故障 23 3.40E-007 0.1 合閘按鈕誤動(dòng)

8 8.40E-006 3.4 潤滑油泵故障 24 3.00E-007 0.1 勵(lì)磁繞組短路

9 7.70E-006 3.2 水泵故障 25 2.50E-007 0.1 油箱漏油

10 5.00E-006 2.1 噴油嘴故障 26 2.50E-007 0.1 加熱器故障

11 5.00E-006 2.1 電子調(diào)速器故障 27 2.50E-008 0.0 水箱漏水

12 5.00E-006 2.1 潤滑油泵故障 28 2.35E-009 0.0 作操人員失誤

13 3.10E-006 1.3 繼電器故障 自啟動(dòng)信號失效

14 2.90E-006 1.2 溫控儀故障 29 1.00E-010 0.0 油管阻塞

15 2.90E-006 1.2 恒溫閥失效

表3.2 主要支配性部件的靈敏度和重要度

序號 事件 重要度 靈敏度 高階靈敏度 低階靈敏度

1 合閘開關(guān)拒動(dòng) 1.23E-01 2.37E+00 5.14E-04 2.17E-04

2 輸油泵故障 1.23E-01 2.37E+00 5.14E-04 2.17E-04

3 濾清器故障 1.23E-01 2.37E+00 5.14E-04 2.17E-04

4 人因故障 1.03E-01 2.12E+00 4.69E-04 2.21E-04

5 發(fā)電機(jī)定子故障 9.44E-02 2.02E+00 4.51E-04 2.23E-04

6 柴油機(jī)曲軸等故障 6.16E-02 1.64E+00 3.79E-04 2.30E-04

7 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子故障 4.10E-02 1.42E+00 3.34E-04 2.35E-04

8 噴油泵故障 3.45E-02 1.35E+00 3.19E-04 2.36E-04

9 水泵故障 3.16E-02 1.32E+00 3.13E-04 2.37E-04

10 電子調(diào)速器故障 2.05E-02 1.21E+00 2.89E-04 2.39E-04

由于基本事件的數(shù)據(jù)采用的是通用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，存在一定的不確定性，為了更加科學(xué)地描述計(jì)算結(jié)果，本文利用對數(shù)正態(tài)分布模型進(jìn)行不確定性分析。分析結(jié)果為：90%置信區(qū)間為[1.44E-04，3.95E-04]，中值為2.24E-04。圖3.4為EDG無電力輸出的PDF曲線。

圖3.4 EDG無電力輸出PDF曲線

3.2分析結(jié)果與建議

通過上文的故障樹分析，得到快堆應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組失效的概率與國外其他核電站的計(jì)算結(jié)果在同一量級。對分析結(jié)果貢獻(xiàn)較大的是發(fā)電機(jī)本體的故障、合閘開關(guān)和人因失誤，輔助系統(tǒng)中主要是供油系統(tǒng)和潤滑油系統(tǒng)的故障占較大比例。基于分析結(jié)果，針對提高快堆應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的可靠性提出以下建議：

a） 對系統(tǒng)失效的貢獻(xiàn)中柴油發(fā)電機(jī)組的兩個(gè)串聯(lián)斷路器故障占較大份額，在日常運(yùn)行維護(hù)中要加以重視，在確保保護(hù)靈敏性和安全性的前提下，設(shè)置合理的保護(hù)定值；

b） 系統(tǒng)失效有一部分來自柴油機(jī)本體曲軸等的失效 。針對該類失效需通過日常的維護(hù)保養(yǎng)，使柴油發(fā)電機(jī)處于良好的狀態(tài)，注意檢查轉(zhuǎn)動(dòng)部件是否有磨損，潤滑油油溫和冷卻系統(tǒng)是否正常；

c） 對于人因失誤，需要在日常運(yùn)行檢修中，嚴(yán)格按照規(guī)程規(guī)范操作，并且加強(qiáng)監(jiān)督體系；

d） 輔助系統(tǒng)中的供油系統(tǒng)和潤滑油系統(tǒng)，要定時(shí)檢查各系統(tǒng)泵的性能，按需求更換潤滑油，供油系統(tǒng)需定期更換濾網(wǎng)，以防止濾清器、管道等的堵塞；

e） 針對應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的所有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，在檢修維護(hù)中要加以注意，確保其處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

4 結(jié)論

通過以上的分析計(jì)算，為快堆應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的維修和保養(yǎng)提供了數(shù)據(jù)上的支持，提出了維保期間提高可靠性的建議。本文的分析可以得到，快堆柴油發(fā)電機(jī)組的可靠性較高，能夠很好地實(shí)現(xiàn)要求的功能。

參考文獻(xiàn)

[1] IAEA. Generic component reliability data for research reactor PSA [R]. TECDOC-930， Vienna： IAEA， 1997

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[4] 廖建彬，等. 提高柴油機(jī)供油系統(tǒng)可靠性探討[J]. 2009