核電廠應急柴油發(fā)電機組修改試驗啟動方式的分析和討論

何孝園，朱鵬樹，李大偉，周 舟，吳 濤

(1. 大亞灣核電運營管理有限責任公司，廣東 深圳 518124；2. 中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518031)

核電廠應急柴油發(fā)電機組修改試驗啟動方式的分析和討論

何孝園1，朱鵬樹1，李大偉1，周 舟2,*，吳 濤2

(1. 大亞灣核電運營管理有限責任公司，廣東 深圳 518124；2. 中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518031)

本文分析了國內(nèi)外關于核電廠應急柴油發(fā)電機組(Emergency Diesel Generator Set，簡稱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。對國內(nèi)核電廠在EDG定期試驗中使用慢啟動的方式進行了必要性分析。為EDG定期試驗啟動方式提供了一種改進方案，并對其風險進行了分析，為核電廠的相關改進提供了參考。

應急柴油發(fā)電機組；定期試驗；啟動方式

1 背景介紹

1.1 EDG介紹

應急柴油發(fā)電機組是核電廠的重要后備電源設備，為核電廠安全停堆所需的中低壓核輔助設備供電；還可防止由于外部交流電源喪失而導致重要設備損壞[1]。為保證中低壓核輔助設備供電的可靠性，緊急情況下，EDG須在啟動信號發(fā)出后極短的時間內(nèi)(一般為十秒至幾十秒)完成啟動(快啟動)并達到額定轉(zhuǎn)速和額定電壓[2]。

1.2 柴油機啟動方式介紹

依據(jù)啟動所使用的能量來源劃分，柴油機有多種不同的啟動方式，常見的有人力啟動、電動機啟動、壓縮空氣啟動和輔助發(fā)動機啟動。人力啟動適用于小型柴油機，電動機啟動、壓縮空氣啟動適用于中型和大型柴油機，輔助發(fā)動機啟動一般用于大型工程車。除秦山核電站外，國內(nèi)核電廠EDG的現(xiàn)有啟動方式基本為壓縮空氣啟動，核電廠內(nèi)的其他柴油機部分采用了電動機啟動方式。

依據(jù)啟動前的狀態(tài)不同，柴油機的啟動方式可以分為“干啟動”和“濕啟動”兩種。

(1)“干啟動”即為柴油機啟動前，冷卻水和潤滑油未經(jīng)預熱，軸承、連桿等轉(zhuǎn)動設備未經(jīng)潤滑，柴油機即啟動。這種啟動方式會造成柴油機部件急劇摩擦，可能導致拉缸、燒瓦等故障，嚴重影響柴油發(fā)電機組的壽命和可靠性。

(2)“濕啟動”即為柴油機啟動前，冷卻水和潤滑油都經(jīng)過了預熱，盤車電機(小柴油機為手動)帶動柴油機的飛輪旋轉(zhuǎn)一段時間，軸承、連桿等所有轉(zhuǎn)動設備都經(jīng)過了充分的潤滑，柴油機才啟動。這種啟動方式對柴油發(fā)電機組壽命和可靠性的影響是最低的。

1.3 EDG定期試驗介紹及現(xiàn)有啟動方式

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[3]。

定期試驗是指在核電廠的整個壽期內(nèi)按照確定的周期和方法進行的定期檢驗，其目的是確保在執(zhí)行安全功能中使用的設備的性能與其設計時規(guī)定數(shù)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電源并網(wǎng)后進行。國內(nèi)壓水堆核電廠EDG定期試驗的具體內(nèi)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的柴油機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)慢啟動試驗：證明EDG從備用條件下正常啟動的能力，并驗證達到了要求的設計電壓和頻率。機組宜按預先選擇的，能使應力和磨損降到最低程度的時序達到額定轉(zhuǎn)速。

(2)快啟動試驗：證明每臺EDG從備用條件(如果核電廠有正常運行預熱系統(tǒng)，這也是其備用條件)下啟動，驗證EDG的電壓和頻率能按核電廠技術規(guī)格書的要求在可接受的時間內(nèi)達到可接受的限值內(nèi)。

2 國內(nèi)外標準和規(guī)范的要求

通過搜索IAEA、中國、美國、法國、德國發(fā)布的相關標準和規(guī)范，共有8個與EDG定期試驗相關的標準和規(guī)范，見表1[4-8]：

表1 EDG定期試驗相關標準和規(guī)范列表 Table 1 Related standards and criteria of EDG period experiment

注：HAD：中華人民共和國核安全導則；GB/T:推薦性中國國家標準RCC-E:核島電氣設備設計和建造規(guī)則；KTA:德國核安全標準委員會；IEEE：美國電氣與電子工程師學會標準；EJ/T:推薦性中國核工業(yè)行業(yè)標準；NS-G：核安全導則；NRC RG:美國核管理委員會管理導則

據(jù)表1內(nèi)容可見，EJ/T 625、IEEE-387、NS-G-1.8、NRC RG1.9共計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柴油機在定期試驗中多采用慢啟動試驗。

3 柴油機快啟動存在的問題

EDG定期試驗首先要啟動柴油機。國內(nèi)核電廠EDG的柴油機現(xiàn)行均采用快啟動。

二十世紀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，核電廠應保證EDG的可靠性，NRC將在必要時評價核電廠在減少EDG的快啟動定期試驗、跟蹤EDG的可靠性數(shù)據(jù)及制定提高EDG可靠性的計劃等方面的工作。

3.1 現(xiàn)場實例分析

2013年，國內(nèi)某核電站現(xiàn)場維修人員按計劃更換EDG中間小齒輪的過程中，發(fā)現(xiàn)B列凸輪軸推力瓦存在異常發(fā)黑情況，進一步檢查發(fā)現(xiàn)B列凸輪軸推力端軸承異常，軸承襯套無法正常拆卸。在將B列凸輪軸整體拆卸后，對推力軸承階梯檢查時發(fā)現(xiàn)，推力端徑向軸承已損壞。

該核電站在此次事件調(diào)查后發(fā)現(xiàn)：(1)同一批次的軸瓦安裝后未出現(xiàn)大量故障；(2)更換軸瓦安裝后潤滑功能無異常；(3)此類事件在國內(nèi)核電廠多次發(fā)生；(4)記錄顯示，受損軸瓦安裝前廠家和現(xiàn)場維修人員都進行了檢測，未見異常。

初步分析認為此次事件與工作環(huán)境有關。

3.2 美國核電廠的做法

NRC RG1.9要求EDG的月度啟動試驗應按“預先所確定的產(chǎn)生最小磨損與沖擊的步驟慢速啟動至額定轉(zhuǎn)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EDG柴油機進行跟蹤調(diào)查，性能數(shù)據(jù)表明這一改進對柴油機的可靠性產(chǎn)生了積極影響。相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 美國核電廠EDG性能數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Fig.1 Performance data of EDG in United States

3.3 法國核電廠的做法

目前法國國家電力公司(EDF)已將其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。

3.4 IAEA的建議

2002年，IAEA對嶺澳Ⅰ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柴油機的可靠性造成負面影響，建議盡量減少EDG的快啟動次數(shù)(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在試驗中盡量采用慢啟動的方式。

3.5 柴油機啟動的時間要求

經(jīng)統(tǒng)計，各國壓水堆核電廠對于柴油機啟動時間的要求不完全一樣，見表2[9]。

表2 各國壓水堆核電廠要求啟動時間列表

據(jù)經(jīng)驗反饋，法國EDF核電廠EDG柴油機早期規(guī)定的啟動時間為10s，試驗期間經(jīng)常出現(xiàn)拉缸問題，后來論證將規(guī)范的啟動時間從10s延長到了15s，拉缸問題出現(xiàn)了明顯的改善。

4 快啟動致柴油機加速老化的根本原因分析

國內(nèi)現(xiàn)有EDG柴油機機型均由船用柴油機改進而來，國外也基本如此。一般船用柴油機無預熱和預潤滑系統(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。船用柴油機在啟動前都會盤車。盤車的目的之一是為柴油機的各種運動部件建立油膜，防止由于柴油機啟動前，軸承、連桿等轉(zhuǎn)動設備未經(jīng)潤滑而造成急劇摩擦，導致拉缸、燒瓦等嚴重故障[10]。

核電廠EDG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的，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(nèi)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EDG已經(jīng)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，易導致拉缸、燒瓦等故障。相關研究已經(jīng)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[11]。

就以上分析結論與國內(nèi)的幾個大型柴油機廠家進行溝通，對方均表示認同。

美國核電運營學會(INPO)的相關文件也指出：在EDG柴油機快速加速和帶載期間，無法在機組內(nèi)部建立有效的熱力平衡，會導致在缸體或曲軸箱產(chǎn)生很高的機械和熱應力，從而引起引擎結構變形。這些變形會相應地導致金屬與金屬間的接觸(刮擦)，加速部件的磨損。刮擦還有可能會帶來非常高的溫度，嚴重時導致曲軸箱炸裂。

在此，建議國內(nèi)各核電廠盡快改進EDG定期試驗的啟動方式[12]。以下將給出一種改進方案供參考。

5 EDG慢啟動改進方案

5.1 盤車電機改進方案

大型汽輪機一般都裝有盤車電機，其目的之一是在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(chǎn)生“干磨”的現(xiàn)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，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(chǎn)品，其啟動方式為手動，出現(xiàn)EDG啟動信號后自動停機。盤車電機的傳動齒輪為單向傳動齒輪，防止柴油機帶動盤車電機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生反電動勢的情況。盤車電機與齒輪間的傳動使用電磁式離合器，失電時斷開，地震情況下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[13]。

5.2 盤車電機改進方案失效概率計算

本方案中，力的傳遞方式如圖3所示。

圖3 力的傳遞方式示意圖Fig.3 Transmission way of power

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(zhuǎn)。即單向傳動齒輪和電磁離合器二者均失效。如下圖所示：

圖4 失效模式示意圖Fig.4 Failure mode

電磁離合器由繼電器控制，由于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[14])取保守值10-5。單向傳動齒輪的失效概率暫無數(shù)據(jù)，參考較高可靠度漸開線圓柱齒輪的失效概率[15](文獻中給定高可靠度漸開線圓柱的失效概率為0.01%，較高可靠度漸開線圓柱齒輪的失效概率為0.1%)，取(保守值)0.1%。失效概率P=λ1·λ2,其中繼電器失效概率λ1=10-5，單向齒輪失效概率λ2=1×10-3。故本方案的失效概率為1×10-8。

5.3 數(shù)據(jù)對比

本方案的失效概率與核電廠堆熔概率和EDG失效概率的對比見表3[16]：

表3 失效概率對比表Table 3 Failure probability comparison

通過對比發(fā)現(xiàn)，本方案的失效概率遠低于法國標準中要求的EDG失效概率，同時也低于核電廠的堆熔概率。

6 改進方案安全分析

盤車電機的傳動機構采用單向齒輪，不會影響柴油機的出力，盤車電機的控制電源和信號均為1E級，在EDG柴油機啟動后自動退出運行。因此改進方案不會對EDG產(chǎn)生不利影響。

本方案的缺點是安裝需要的空間較大，對現(xiàn)場改動較大。

7 總結

EDG的設計讓柴油機具備了緊急啟動的能力，但并不代表這種啟動方式對柴油機就沒有損害。和其他發(fā)動機一樣，良好的潤滑對維護和保持設備的良好狀態(tài)有至關重要的作用。廠家提供的說明書強調(diào)：在運轉(zhuǎn)過程中如果柴油機失去潤滑超過數(shù)秒后，柴油機將損壞。

EDG定期試驗中采用慢啟動的方式可以明顯降低其老化速率并提升其可靠性，該結論已被國內(nèi)外的多個相關標準支持。本文從這一觀點出發(fā)，結合核電廠EDG的特性，提出了改進方案，并估算了方案的失效概率，經(jīng)計算低于核電廠的堆熔概率，也遠遠低于法國標準中要求的EDG失效概率0.01?？蔀楹穗姀SEDG定期試驗柴油機啟動方式的改進提供參考。

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AnalysisandArgumentationaboutStart-upMeansforPeriodicTestofEDGinNPP

HE Xiaoyuan1，ZHU Pengshu1，LI Dawei1，ZHOU Zhou2,*，WU Tao2

(1. Daya Bay Nuclear Power Operations and Management Co. Ltd., Shen Zheng 518124, China；2. China Nuclear Power Technology Research Institute, Shen Zheng 518031, China)

The related investigations and the latest standard and criterion of start-up means for periodic test of EDG in nuclear power plant (NPP) were analyzed. The necessity for the adoption of slow start-up means during periodic test of EDG in domestic NPP was demonstrated. A modification method was brought forward, its venture was analyzed. This provided an important reference for the related modification in NPP.

Emergency Diesel Generator Set (EDG)；periodic test；start-up means

TL421+.1

：A

： 1672- 5360(2017)02- 0080-05

2016- 11- 01

2017- 04- 19

國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目，項目編號：2011AA040201

何孝園(1986— )，男，江蘇淮安人，工程師，工程學士，儀表與控制專業(yè)，現(xiàn)主要從事核電廠儀控系統(tǒng)改造工作

*通訊作者:周 舟，E-mai