海洋核動力平臺柴油發(fā)電機應用概要

黃 超，胡雙進，張 力，丁伯才，劉宙鋒

海洋核動力平臺柴油發(fā)電機應用概要

黃 超，胡雙進，張 力，丁伯才，劉宙鋒

（武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064）

本文介紹了柴油發(fā)電機在核電及船舶行業(yè)的應用，結合海洋核動力平臺的特點，簡要分析了海洋核動力平臺柴油發(fā)電機的配置、技術要求、控制與保護要求，對海洋核動力平臺的工程設計有一定的參考價值。

海洋核動力平臺 柴油發(fā)電機 配置

0 引言

柴油發(fā)電機組具備熱效率高、經(jīng)濟性好、起動容易、布置靈活等特點，被廣泛應用于各行各業(yè)。在陸上核電站，應急柴油發(fā)電機組是核電站內(nèi)部應急電源，提供在正?；蚴鹿蕳l件下停閉電站所必需的電能[1]。一座雙堆核電站一般包括4~5臺應急柴油發(fā)電機組，在日本福島核泄漏事故后，新建的核電站還增配有一臺可移動式柴油發(fā)電機，以應對極端事故下的全廠失電。在能動核電站中，柴油發(fā)電機作為全廠失電時進行反應堆余熱導出系統(tǒng)的動力來源，直接關系到核安全，屬于安全級設備。在非能動核電站中，柴油發(fā)電機屬于非安全級設備[2]。

在船舶領域，《鋼制海船入級規(guī)范》對主電源和應急電源都有明確要求。船用電源裝置一般包括兩臺或多臺柴油發(fā)電機組作為主電源，主要為推進、正常照明、空調(diào)等正常負荷供電。另外一臺柴油發(fā)電機組作為應急電源，主要為應急照明、消防、應急逃生等設備供電。

1 海洋核動力平臺柴油發(fā)電機配置要求

由于海洋核動力平臺是船舶與反應堆的結合，與陸上核電站相比，海上核電站沒有廠外電源，設備布置空間也相對較小；與民用船舶相比，海上核電站多了一套（或多套）核反應堆發(fā)電裝置，因此對柴油發(fā)電機的配置和使用工況與陸上核電及民用船舶均有較大區(qū)別。

核安全導則要求，多堆核電廠的每一座反應堆應有隔離和獨立的應急動力系統(tǒng)[3]。因此海洋核動力平臺應考慮為每一座反應堆至少配置兩臺核應急柴油發(fā)電機，作為兩個應急動力系統(tǒng)的電源設備。兩臺柴油發(fā)電機組安裝在相互分隔的廠房里[4]，保證發(fā)生單一系統(tǒng)或部件不能執(zhí)行其預定功能的故障不會導致兩臺柴油發(fā)電機同時無法工作，單臺柴油發(fā)電機的輸出功率至少應能滿足以下兩種工況下最大需求功率的110%：

1）在失去汽輪發(fā)電機電源的情況，即正常停堆時，向應急設備供電，使機組安全停運而不損壞設備。

2）在失去汽輪發(fā)電機電源的同時發(fā)生反應堆冷卻劑事故（例如失去反應堆冷卻劑）的情況，即事故停堆時，向保障堆芯應急冷卻及盡量減少放射性對環(huán)境的釋放所必需的安全級設備供電。

由于海洋核動力平臺孤島電網(wǎng)運行的特點，在核動力裝置正常運行時，全船用電均由平臺上的汽輪發(fā)電機提供，當核動力裝置不運行或者在啟堆過程中時，全船用電需由柴油發(fā)電機提供。陸上核電站配置的柴油發(fā)電機主要是在失去外部電源時能夠快速啟動供電，保證反應堆及重要設備安全，啟堆及反應堆不運行時的全廠用電均是廠外電源。核安全導則要求，如果將應急電力系統(tǒng)用于其他目的，不得使應急電力系統(tǒng)功能獨立性、系統(tǒng)可靠性或能力降低到低于為執(zhí)行其安全功能可接受的水平[3]。為應對核動力裝置不運行或者在啟堆過程中這兩種工況，柴油發(fā)電機有兩種配置方案，方案一：由于啟堆時的負荷遠大于正常停堆和事故停堆的負荷，加大兩臺核應急柴油發(fā)電機的容量，啟堆和核動力裝置不工作時由兩臺核應急柴油發(fā)電機供電，但此方案還需驗證在啟堆及反應堆不運行時使用核應急柴油發(fā)電機，對應急電力系統(tǒng)的安全性和可靠性是否存在影響；方案二：核應急柴油發(fā)電機功能與陸上核電站類似，應急工況下用來保證反應堆及重要設備安全，正常工況下，除了進行啟動帶載試驗（緊急情況下也能投入使用）外，均處于備用狀態(tài)，另外新增加一臺或多臺備用柴油發(fā)電機，為啟堆及核動力裝置不工作時的船用負荷供電，同時該備用柴油發(fā)電機還能充當船上的主電源或備用電源，新增加的柴油發(fā)電機是普通的船用柴油發(fā)電機。

海上核電站作為特種海洋船舶，還需設置獨立的船用應急電源，因此設置一臺船用應急柴油發(fā)電機，且該柴油發(fā)電機具有獨立的冷卻裝置和燃料供給，布置在破損水線以上，屬于普通的船用柴油發(fā)電機。

2 柴油發(fā)電機主要技術要求

海洋核動力平臺作為一種特殊海洋船舶，船上所有柴油發(fā)電機首先均應滿足船用條件（沖擊、振動、搖擺、溫濕度、鹽霧、凝露、霉菌等），建造、使用過程中應滿足CCS等船級社要求。

為反應堆配置的核應急柴油發(fā)電機還應同時滿足核級柴油發(fā)電機的一些特殊要求，主要有：

1）啟動可靠性高。為了保證柴油機啟動可靠性，一般設置兩種獨立啟動方式，調(diào)速系統(tǒng)冗余設計，要求進行100次連續(xù)成功啟動可靠性考核；同時燃油系統(tǒng)也進行冗余設計，保證供油安全性。

2）運行可靠性高。一般要求具備每年8760 h持續(xù)額定功率工作能力，并每24 h內(nèi)具備2 h短時110％額定功率工作能力。

3）短時啟動能力強。一般要求接收到啟動信號后10~20 s內(nèi)啟動，達到額定頻率和電壓，具備按程序加載能力。

4）抗老化設計。一般要求根據(jù)安全功能相關部件進行老化分析、試驗，并進行老化鑒定。

5）質(zhì)保體系。一般要求制定嚴格的質(zhì)保監(jiān)管體系，注重全過程控制，保留全過程各種記錄、資料，實施H、W、R點分級監(jiān)造，監(jiān)造成本、資料記錄成本昂貴，要求設備生產(chǎn)廠家取得核級設備生產(chǎn)資格許可證。

3 柴油發(fā)電機控制和保護

船用柴油發(fā)電機設置機旁控制箱，主要具備柴油發(fā)電機的操作、保護、顯示、報警、信號延伸等功能。

核應急柴油發(fā)電機應設置有柴油發(fā)電機組的啟停機控制、保護、機組參數(shù)監(jiān)測和報警、柴油發(fā)電機組輔助系統(tǒng)主要設備的監(jiān)測與控制等一系列功能的電氣監(jiān)控系統(tǒng)。啟?？刂浦饕ň偷夭僮髋c遠方操作兩種方式，實現(xiàn)柴油發(fā)電機組啟動、停機，并具有手動、自動電壓調(diào)節(jié)功能。不論柴油發(fā)電機以何種方式啟動，手動停機只能就地進行，在發(fā)出正常停機信號的同時出現(xiàn)應急啟動信號，則應急啟動信號具有優(yōu)先權[5]。保護主要實現(xiàn)柴油發(fā)電機供電工況及定期試驗期間短路故障及異常狀態(tài)保護（差動保護、過流保護、過載保護、逆功率保護、電壓異常保護、頻率異常保護等），以及能實現(xiàn)柴油機超速、潤滑油異常、冷卻水異常等保護，關系到柴油發(fā)電機正常運行的保護（如超速），應設置3個傳感器，當其中2個傳感器發(fā)出停機信號時，柴油發(fā)電機才執(zhí)行動作。當柴油發(fā)電機組應急供電運行時，只投入發(fā)電機差動保護，其它均被閉鎖，只發(fā)出報警[6]。監(jiān)測和報警主要實現(xiàn)柴油發(fā)電機各電氣和機械參數(shù)的實時監(jiān)測，并提供異常報警。

由于核應急柴油發(fā)電機使用的頻率很低，因此還需要定期試驗證明柴油發(fā)電機具有啟動和帶載能力，在定期試驗狀態(tài)下，柴油發(fā)電機在發(fā)生滑油壓力低、超速、過電流、過電壓、冷卻水溫度過高、電壓低時，需自動停機。

4 結論

海上核能發(fā)電船舶沒有現(xiàn)行的標準可遵循。柴油發(fā)電機作為應急工況下的電能來源，是直接關系到反應堆安全和人員安全的重要設備。在柴油發(fā)電機應用的設計上首先應保證安全性，同時作為一項民用工程，在保證安全性的前提下盡量體現(xiàn)經(jīng)濟性。本文主要針對海洋核動力平臺相較于陸上核電站及常規(guī)船舶的獨特性，介紹了柴油發(fā)電機配置的基本要求、運行工況、技術要求、保護設置，為海洋核動力平臺的設計提供了參考。

[1] 核工業(yè)第二研究設計院. Design and construction Rules Electrical equipment(壓水堆核電站核島電氣設備設計和建造規(guī)則) , 1993.

[2] 中國國家標準化委員會. 壓水堆核電站物項分級: GB-T 17569-2013[S]. 北京: 中國標準出版社, 2013.

[3] 中國國家核安全局. 核電廠應急動力系統(tǒng): HAD102-13-1996 [S]. 北京: 中國國家核安全局, 1996.

[4] 秦山核電二期工程建設經(jīng)驗匯編設計卷Ⅰ[M]. 北京: 原子能出版社, 2004.

[5] 李德佳. 核電站應急柴油發(fā)電機組的特點和調(diào)試[J]. 電力設備, 2006, (8).

[6] 張言濱, 劉云峰, 張益林. 新型的核電站應急柴油發(fā)電機組電氣保護方案[J]. 電工技術, 2017, (8): 121.

Application of Diesel Generators for Marine Nuclear Power Platform

Huang Chao, Hu Shuangjin, Zhang Li, Ding Bocai, Liu Zhoufeng

(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China)

U664.121

A

1003-4862（2018）10-0051-02

2018-05-14

黃超（1978-），男，高級工程師。研究方向：艦船電力系統(tǒng)。E-mail:542679604@qq.com