核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組潤滑油系統(tǒng)設(shè)計(jì)

殷 勇，吳 騰，艾華寧，于 江

?

核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組潤滑油系統(tǒng)設(shè)計(jì)

殷 勇，吳 騰，艾華寧，于 江

（中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518031）

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組是保障核電站安全運(yùn)行的重要安保電源設(shè)施。潤滑油系統(tǒng)是核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組重要輔助系統(tǒng)之一，在機(jī)組備用狀態(tài)下即投入運(yùn)行，并在機(jī)組起動(dòng)后持續(xù)運(yùn)行，必須具有很好的安全性能和可靠性。通過分析潤滑油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能與性能要求，將潤滑油系統(tǒng)總體劃分為三個(gè)子系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的安全等級(jí)進(jìn)行劃分，完成了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。結(jié)合現(xiàn)役核電站的經(jīng)驗(yàn)反饋，在潤滑油系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中增加了預(yù)潤滑油泵雙泵冗余設(shè)計(jì)和PCOT監(jiān)測技術(shù)，保障了核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

核電站；應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組；潤滑油系統(tǒng)；雙泵冗余；PCOT

0 前言

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組是核電站在失去所有外部電源事故模式下，確保核反應(yīng)堆余熱導(dǎo)出，防止堆芯熔毀的應(yīng)急安保電源設(shè)施[1,2]。機(jī)組應(yīng)在接到起動(dòng)指令10s內(nèi)起動(dòng)并達(dá)到額定轉(zhuǎn)速和額定電壓，按照自動(dòng)加載程序陸續(xù)將應(yīng)急母線上的負(fù)荷重新投入運(yùn)行。因此，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組及其輔助系統(tǒng)必須具有極好的起動(dòng)和運(yùn)行可靠性[3-5]。

核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組包括潤滑油、燃油、冷卻水、空氣起動(dòng)、進(jìn)排氣等五大輔助系統(tǒng)[6]。潤滑油系統(tǒng)作為機(jī)組重要的輔助系統(tǒng)之一，在機(jī)組備用狀態(tài)就必須投入運(yùn)行，以保證機(jī)組可以在短時(shí)間內(nèi)完成正常起動(dòng)。同時(shí)潤滑油系統(tǒng)在機(jī)組起動(dòng)后持續(xù)運(yùn)行，保證柴油零部件能夠得到良好的潤滑、清洗和冷卻。潤滑油系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)對(duì)保障應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的可靠性和機(jī)動(dòng)性至關(guān)重要[7,8]。

1 設(shè)計(jì)要求

1.1 設(shè)備分級(jí)

核電站設(shè)備安全分級(jí)的目的主要是為了在核電站的設(shè)計(jì)、建造及運(yùn)行過程中為設(shè)備應(yīng)遵守的嚴(yán)格要求程度建立理論依據(jù)。參與執(zhí)行下列安全功能的設(shè)備均屬于核電站的安全相關(guān)設(shè)備[9]。

（1）反應(yīng)堆緊急停堆以及維持反應(yīng)堆在安全停堆狀態(tài)；

（2）堆芯和安全殼廠房的冷卻（包括中期和長期冷卻）；

（3）放射性物質(zhì)的封存以及限制向環(huán)境的排放并控制在規(guī)定限制之內(nèi)。

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組屬于執(zhí)行上述安全功能的設(shè)備，其整體作為電氣設(shè)備，安全等級(jí)應(yīng)劃分為1E級(jí)（即安全級(jí)），抗震等級(jí)相對(duì)應(yīng)為抗震Ⅰ類。潤滑油系統(tǒng)作為應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的重要組成部分，其主要的電氣設(shè)備應(yīng)按1E級(jí)、機(jī)械設(shè)備應(yīng)按安全三級(jí)要求，抗震等級(jí)應(yīng)按抗震Ⅰ類要求[10-12]。

1.2 設(shè)計(jì)功能

在核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行期間，潤滑油系統(tǒng)需要把具有一定壓力和溫度范圍的清潔潤滑油連續(xù)不斷地輸送到柴油機(jī)的各摩擦面和需要冷卻的部位，以減少機(jī)體摩擦損失的功，緩和機(jī)件之間的摩擦，同時(shí)把機(jī)件因摩擦而產(chǎn)生的熱量帶走，并清洗摩擦表面的磨屑和雜質(zhì)，保證機(jī)體的正常運(yùn)行[13]。

而在機(jī)組的備用期間，潤滑油系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)潤滑油的循環(huán)流動(dòng)并維持在一定的油溫范圍內(nèi)，以確保機(jī)組在接到起動(dòng)指令后能在短時(shí)間內(nèi)完成正常起動(dòng)。

1.3 性能要求

結(jié)合核電站安全運(yùn)行規(guī)定以及應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的技術(shù)要求，潤滑油系統(tǒng)需要具備以下性能要求：

（1）潤滑油系統(tǒng)應(yīng)能在核電站事故后為應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組提供充足且清潔的潤滑油；

（2）為保證機(jī)組運(yùn)行的可靠性，柴油機(jī)的油底殼最小容量需要滿足柴油機(jī)在額定功率下運(yùn)行7d的消耗量。如果油底殼容量不能滿足該要求，則需要再單獨(dú)設(shè)置一個(gè)潤滑油箱；

（3）需配備潤滑油自動(dòng)加熱裝置，包括循環(huán)泵和換熱器，以滿足機(jī)組在備用狀態(tài)下的潤滑油溫度要求；

（4）需配備自潔型或帶旁路互為備用的過濾器裝置，保證過濾器在機(jī)組運(yùn)行7d內(nèi)無需進(jìn)行清洗，或在不影響機(jī)組運(yùn)行的情況下可進(jìn)行清洗和更換；

（5）為保證在機(jī)組排油時(shí)，柴油機(jī)油底殼內(nèi)潤滑油可以及時(shí)有效地排出，需設(shè)置獨(dú)立的電動(dòng)排油泵。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

為實(shí)現(xiàn)潤滑油系統(tǒng)的功能和性能要求，可以將潤滑油系統(tǒng)總體劃分為三個(gè)主要的子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)：預(yù)潤滑和預(yù)加熱系統(tǒng)，潤滑系統(tǒng)，潤滑油加注、貯存與排放系統(tǒng)。三個(gè)子系統(tǒng)通過柴油機(jī)本體相互連接，共同構(gòu)建完整的潤滑油系統(tǒng)。潤滑油系統(tǒng)總體示意圖如圖1所示。

圖1 潤滑油系統(tǒng)總體示意圖

2.1 預(yù)潤滑和預(yù)加熱系統(tǒng)

為保證核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組在接到起動(dòng)指令后便可盡快達(dá)到滿功率，當(dāng)機(jī)組處于備用狀態(tài)時(shí)，必須保持潤滑油的連續(xù)循環(huán)流動(dòng)，而且潤滑油的溫度也需要維持在一定范圍內(nèi)。因此，潤滑油系統(tǒng)需要設(shè)置獨(dú)立的預(yù)潤滑油泵實(shí)現(xiàn)潤滑油在機(jī)組備用狀態(tài)下的連續(xù)循環(huán)流動(dòng)，并利用潤滑油/高溫水熱交換器維持潤滑油的溫度。被潤滑油冷卻后的高溫水則是通過機(jī)組冷卻水系統(tǒng)的高溫水預(yù)熱器裝置來實(shí)現(xiàn)加熱，冷卻水系統(tǒng)在機(jī)組備用期間一并投入運(yùn)行。

表1列出了預(yù)潤滑和預(yù)加熱系統(tǒng)的主要機(jī)械設(shè)備的分級(jí)信息和數(shù)量。該子系統(tǒng)同時(shí)還包括用于控制預(yù)潤滑油泵的壓力開關(guān)和用于監(jiān)測管道各狀態(tài)點(diǎn)潤滑油參數(shù)的油壓、油溫儀表，以及輸送潤滑油的管道。

表1 預(yù)潤滑和預(yù)加熱系統(tǒng)機(jī)械設(shè)備

2.2 潤滑系統(tǒng)

核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行時(shí)需要充足且清潔的潤滑油緩解柴油機(jī)零部件之間的摩擦，并冷卻柴油機(jī)零部件的表面。因此，需要通過較大流量的機(jī)帶潤滑油泵將柴油機(jī)油底殼中的潤滑油抽入閉式循環(huán)系統(tǒng)，經(jīng)潤滑油/低溫水熱交換器、自凈式過濾器輸送至柴油機(jī)各相應(yīng)部位，并通過溫控閥實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和維持潤滑油的溫度。部分清潔度低的潤滑油經(jīng)旁通管路上的離心過濾器過濾，重新流回油底殼。被潤滑油加熱后的低溫水則是通過機(jī)組冷卻水系統(tǒng)的風(fēng)冷器裝置來實(shí)現(xiàn)冷卻，冷卻水系統(tǒng)在機(jī)組運(yùn)行期間一并投入運(yùn)行。

表2列出了潤滑系統(tǒng)的主要機(jī)械設(shè)備的分級(jí)信息和數(shù)量。該子系統(tǒng)同時(shí)還包括用于檢測潤滑油過濾器壓差和柴油機(jī)進(jìn)油管油壓的儀表，以及用于監(jiān)測曲軸箱油溫的儀控裝置。

表2 潤滑系統(tǒng)機(jī)械設(shè)備

2.3 潤滑油加注、貯存與排放系統(tǒng)

潤滑油貯存在柴油機(jī)的油底殼內(nèi)，其總量應(yīng)不少于核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組在額定功率下7d的消耗量。油底殼的日常補(bǔ)油需要通過采用移動(dòng)補(bǔ)油泵聯(lián)接現(xiàn)場的潤滑油桶來加注。油底殼的排油則需要通過電動(dòng)排油泵進(jìn)行排放。在機(jī)組運(yùn)行期間，為防止柴油機(jī)曲軸箱內(nèi)油氣積聚，需要配備一個(gè)油氣分離裝置來分離并排放油氣。該設(shè)備配有排污管線和排氣管線。

表3列出了潤滑油加注、貯存與排放系統(tǒng)的主要機(jī)械設(shè)備的分級(jí)信息和數(shù)量。

表3 潤滑油加注、貯存與排放系統(tǒng)系統(tǒng)機(jī)械設(shè)備

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)輔助技術(shù)

為提高應(yīng)急柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組長期運(yùn)行的可靠性并加強(qiáng)對(duì)柴油機(jī)本體的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測，結(jié)合現(xiàn)役核電站的經(jīng)驗(yàn)反饋，在潤滑油系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中增加了“預(yù)潤滑油泵雙泵冗余設(shè)計(jì)”以及“PCOT監(jiān)測技術(shù)”兩項(xiàng)輔助技術(shù)。

3.1 預(yù)潤滑油泵雙泵冗余設(shè)計(jì)

預(yù)潤滑油泵的可靠性一直是影響柴油機(jī)正常起動(dòng)的重要因素之一。預(yù)潤滑油泵雙泵冗余設(shè)計(jì)通過為每臺(tái)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)置兩臺(tái)100%容量互為備用的預(yù)潤滑油泵，并建立雙泵起停與切換控制邏輯，從而保證機(jī)組在備用狀態(tài)下潤滑油的連續(xù)循環(huán)。

兩臺(tái)預(yù)潤滑油泵中的一臺(tái)被標(biāo)記為主泵，另一臺(tái)則標(biāo)記為備用泵。根據(jù)機(jī)組定期的檢修計(jì)劃安排，適時(shí)進(jìn)行主次順序切換。外部停運(yùn)泵的信號(hào)復(fù)位后，主泵會(huì)優(yōu)先恢復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)，另一臺(tái)泵隨機(jī)恢復(fù)備用狀態(tài)。通過在潤滑油系統(tǒng)中及柴油機(jī)本體上多處設(shè)置了監(jiān)測點(diǎn)并連接自動(dòng)控制裝置，建立了雙泵自動(dòng)起停與切換控制邏輯，并設(shè)置就地手動(dòng)切換開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩臺(tái)預(yù)潤滑油泵的有效控制，同時(shí)避免了泵的頻繁起停與切換問題。該設(shè)計(jì)符合核電站“單一故障準(zhǔn)則”[14,15]，有效提高了潤滑油系統(tǒng)在機(jī)組備用狀態(tài)下連續(xù)24h運(yùn)行的可靠性。

3.2 PCOT監(jiān)測技術(shù)

在潤滑油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案中加入了PCOT（Pielstick Crankpin Oil Temperature）監(jiān)測技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)本體曲軸箱內(nèi)油溫的監(jiān)測、顯示、報(bào)警和信號(hào)輸出，確保應(yīng)急柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

曲軸和連桿是柴油機(jī)本體的重要部件，加強(qiáng)對(duì)該部件的監(jiān)測能降低柴油機(jī)本體的故障率，有利于提高機(jī)組的運(yùn)行可靠性。柴油機(jī)在發(fā)生曲軸和連桿磨損事故時(shí)，通常會(huì)導(dǎo)致潤滑油溫度異常上升。PCOT技術(shù)利用在柴油機(jī)內(nèi)部安裝特殊結(jié)構(gòu)的收集槽，通過收集柴油機(jī)曲軸箱內(nèi)飛濺的潤滑油，并安裝高靈敏度的溫度傳感器，從而將收集槽中潤滑油的溫度實(shí)時(shí)反饋到PCOT監(jiān)測裝置，如圖2所示。該技術(shù)能夠及時(shí)有效地監(jiān)測到曲軸箱內(nèi)油溫的變化，并提供報(bào)警和停機(jī)信號(hào)，防止柴油機(jī)本體發(fā)生重大故障，為核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行提供了重要保護(hù)措施。

圖2 PCOT監(jiān)測裝置

4 結(jié)論

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組是執(zhí)行核電站安全功能的重要應(yīng)急安保電源設(shè)施，其整體劃分為安全級(jí)電氣設(shè)備，并按抗震Ⅰ類要求。潤滑油作為機(jī)組重要的輔助系統(tǒng)之一，其主要的電氣設(shè)備應(yīng)按1E級(jí)、機(jī)械設(shè)備應(yīng)按安全三級(jí)要求，抗震等級(jí)應(yīng)按抗震Ⅰ類要求。

潤滑油系統(tǒng)在機(jī)組備用狀態(tài)下即投入運(yùn)行，并在機(jī)組起動(dòng)后持續(xù)運(yùn)行，必須具有很好的安全性和可靠性。根據(jù)潤滑油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能與性能要求，將系統(tǒng)總體劃分為：預(yù)潤滑和預(yù)加熱系統(tǒng)，潤滑系統(tǒng)，潤滑油加注、貯存與排放系統(tǒng)三個(gè)主要的子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)根據(jù)其執(zhí)行的功能來配備相應(yīng)的關(guān)鍵機(jī)械設(shè)備，并通過與柴油機(jī)本體連接構(gòu)成完整的潤滑油系統(tǒng)。鑒于潤滑油系統(tǒng)的重要性，結(jié)合現(xiàn)役核電站的經(jīng)驗(yàn)反饋，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中增加了預(yù)潤滑油泵雙泵冗余設(shè)計(jì)以及PCOT監(jiān)測技術(shù)，以保障核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

[1] 臧希年, 申世飛. 核電廠系統(tǒng)及設(shè)備[M]. 清華大學(xué)出版社, 2003.

[2] 楊小清, 高維成, 郭蘇粵. 核電站應(yīng)急柴電機(jī)組技術(shù)方案及市場前景[J]. 柴油機(jī), 2006, 28(4):7-9.

[3] 張志偉, 宋兵, 馬雁軍,等. 應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組總體設(shè)計(jì)與成套應(yīng)用[J]. 移動(dòng)電源與車輛, 2016(2):16-19.

[4] 陸秀生, 鐘質(zhì)飛, 楊勇. CPR1000核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)方法研究[J]. 核動(dòng)力工程, 2011, 32(1):25-28.

[5] 陳仁锠, 姚偉達(dá). 核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組抗震分析和試驗(yàn)研究[J]. 中國核科技報(bào)告, 1994(S1):74.

[6] 呂良, 周莉娜, 張國興,等. 核應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)[J]. 內(nèi)燃機(jī), 2011(4):12-15.

[7] 趙天翔, 曹新玉. 柴油機(jī)潤滑油系統(tǒng)常見故障分析[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào), 2012(26):111-111.

[8] 錢文. 柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)管理及故障探討[J]. 企業(yè)技術(shù)開發(fā), 2008, 27(1):36-38.

[9] 廣東核電培訓(xùn)中心. 900 MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備[M]. 原子能出版社, 2005.

[10] 郭朝輝, 吳帆. 核電電氣設(shè)備安全分級(jí)簡介[J]. 電力安全技術(shù), 2008, 10(6):72-73.

[11] 沈偉. 淺述核安全機(jī)械設(shè)備安全分級(jí)[J]. 核安全, 2010(1):42-45.

[12] 郭滿華, 趙月?lián)P, 黃文有. 核電站核級(jí)設(shè)備鑒定過程[J]. 電力設(shè)備, 2008, 9(7):127-128.

[13] 楊貴恒, 等. 柴油發(fā)電機(jī)組實(shí)用技術(shù)技能[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社, 2013.

[14] 朱繼洲. 核反應(yīng)堆安全分析[M]. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2004.

[15] GB-T 13626-2008 單一故障準(zhǔn)則應(yīng)用于核電廠安全系統(tǒng)[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2008．

Design of Lubricating Oil System for Emergency Diesel Generator Set in Nuclear Power Station

YIN Yong, WU Teng, AI Huaning, YU Jiang

(China Nuclear Power Technology Research Institute, Shenzhen 518031, China)

Emergency diesel generator set is an important security power supply to ensure the safe operation of nuclear power station. As one of the important auxiliary system for emergency diesel generator set in nuclear power station, the lubricating oil system which must be durable and reliable is put into operation in the standby state, and it will continue to run after the unit is started. By analyzing the design function and performance requirements of the lubricating oil system and the division of safety grade, the main design requirements are defined. According to the function and performance requirements, the lubricating oil system is divided into three subsystems, and the design scheme is completed. Combined with the experience and feedback from nuclear power plants in active service, the redundant design of pre-lubricating oil pump and PCOT monitoring technology are added to the design scheme, which ensure the safe and stable operation of emergency diesel generator set in nuclear power station.

nuclear power station; emergency diesel generator set; lubricating oil system; double pump redundancy; PCOT

TM623.3

A

國家能源局應(yīng)用技術(shù)研究及工程示范項(xiàng)目(NY20140203)

1000-3983(2018)03-0071-04

2017-07-16

殷勇（1970-），1991年畢業(yè)于四川輕化工學(xué)院材料專業(yè)。目前主要從事核電站設(shè)備研發(fā)與設(shè)備鑒定工作，高級(jí)工程師。