福清一期核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機組定期試驗改進研究

劉 飛

(中國核電工程有限公司，北京 100084)

福清一期核電廠每個核電機組有兩臺應(yīng)急柴油發(fā)電機組(EDG)，在發(fā)生廠外主電源和廠外備用電源全部喪失的情況下，應(yīng)急柴油發(fā)電機組可以保證核島內(nèi)應(yīng)急廠用設(shè)備的用電要求，為核電廠安全停堆所需的中低壓核輔助設(shè)備供電，還可以防止由于外部交流電源喪失而導(dǎo)致重要設(shè)備損壞，從而確保反應(yīng)堆安全停堆。

目前福清一期核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機組定期實驗參照法國標(biāo)準(zhǔn)，采用快啟動的方式，在低功率定期試驗時采用在主控制室手動啟動的方式，該方式在設(shè)計上屬于應(yīng)急啟動方式，在試驗期間相應(yīng)的非應(yīng)急保護均處于退出狀態(tài)，對于柴油發(fā)電機的保護不充分，存在嚴重損壞設(shè)備的風(fēng)險。因此福清一期核電廠需要對當(dāng)前的應(yīng)急柴油發(fā)電機組定期試驗進行改進，解決定期試驗時采用應(yīng)急啟動方式導(dǎo)致試驗期間非應(yīng)急保護未投入的問題。

1 福清核電當(dāng)前EDG的定期試驗要求

目前福清一期核電廠采用法國標(biāo)準(zhǔn)RCC-E 2005，標(biāo)準(zhǔn)第C2412-(c)條并網(wǎng)運行規(guī)定：當(dāng)應(yīng)急廠用電系統(tǒng)允許與電力系統(tǒng)相連時,柴油發(fā)電機組可以與電力系統(tǒng)同步運行。這種狀態(tài)只有在定期的滿負荷試驗時采用。在這些試驗期間，每次允許一臺柴油發(fā)電機組并網(wǎng)[1]。

福清一期核電廠在每次反應(yīng)堆停堆換料期間進行一次滿負荷試驗，將應(yīng)急柴油發(fā)電機組接入電網(wǎng)，并帶滿負荷(100%Pn)運行一定時間，其目的是檢測柴油發(fā)電機組的加載能力和滿負荷下的運行性能。在滿負荷試驗期間，多種保護措施投入運行。

同時福清一期核電廠每兩個月進行一次低功率試驗(每個月進行一列)，由主控制室進行手動啟動控制，發(fā)電機通過應(yīng)急配電盤帶40%額定功率(Pn)負荷運行一定時間，同時對在“失壓”“安注”及“安全殼高高壓”事故重新加載程序控制電路進行不帶負載試驗，目的是保證那些可能引起柴油發(fā)電機組安全風(fēng)險的設(shè)備可以正常運行。這種啟動方式在設(shè)計上屬于應(yīng)急啟動方式，相應(yīng)的非應(yīng)急保護均被屏蔽，僅使用超速保護和低電壓保護,試驗期間對柴油發(fā)電機的保護不充分，導(dǎo)致試驗過程中設(shè)備損壞的風(fēng)險增大[2]。

雖然應(yīng)急啟動方式能夠驗證機組的啟動性能，而低功率試驗因為其較為便利的安排，在電站運行中也體現(xiàn)了較為簡便靈活的特點，但是柴油發(fā)電機組運行在低功率負荷運行時，由于增壓器工作在低效率區(qū)，供氣量不足即過量空氣系數(shù)太小，各缸供油量又極不均勻，空氣與燃料的配合比例嚴重失調(diào)，因此氣缸內(nèi)燃燒狀況惡化，外在的表現(xiàn)就是各缸排氣溫度相差很大，排氣冒黑煙，如在此狀況下長時間運行，會造成氣缸內(nèi)積碳增加，污染渦輪機葉輪，堵塞噴油器的噴孔，影響排氣閥的正常工作，導(dǎo)致機組的性能變差，甚至還可能會導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)備與閥件的故障，最終影響到設(shè)備的使用壽命[3]。

2 IEEE 387 對EDG定期試驗的規(guī)定

關(guān)于應(yīng)急柴油發(fā)電機組定期試驗的國際標(biāo)準(zhǔn)主要有KTA 3702(核電廠應(yīng)急供電裝置用柴油發(fā)電機組)、RCC-E 1993(壓水堆核電廠核島電氣設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則)和IEEE 387(核電廠備用電源用柴油發(fā)電機組準(zhǔn)則),這些標(biāo)準(zhǔn)都推薦在具備條件的前提下進行并網(wǎng)滿負荷試驗。美國IEEE 387標(biāo)準(zhǔn)是目前執(zhí)行應(yīng)急柴油發(fā)電機組試驗最具參考意義的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，該標(biāo)準(zhǔn)提出了詳細的定期試驗要求[3]。

IEEE 387標(biāo)準(zhǔn)7.4節(jié)定期試驗規(guī)定在柴油發(fā)電機組投入使用后，應(yīng)對其進行定期試驗以證明機組持續(xù)執(zhí)行預(yù)定功能的能力和可用性是可接受的[4]。

關(guān)于EDG定期試驗的相關(guān)條文規(guī)定如下：

定期試驗包括可用性試驗、系統(tǒng)運行試驗和獨立性試驗。

(1)第7.4.1(c)條：在進行定期試驗過程中，EDG的所有保護和報警均應(yīng)投入工作。

(2)第7.4.1(d)條：所有這些試驗應(yīng)按照設(shè)備制造商的建議以減少EDG的磨損，包括在降低功率冷卻運行后的潤滑。

(3)第7.4.2.1條：可用性試驗。這些試驗證明柴油發(fā)電機具有啟動和接受負載的持續(xù)能力。每臺EDG應(yīng)每隔31日至少進行1次慢速啟動和帶載試驗。每臺EDG應(yīng)每6個月進行1次快啟動和帶負載運行試驗。另外，在7.5.2條中規(guī)定連續(xù)帶載90%～100%的時間不少于1 h，并且明確可以通過將EDG與廠外電源同期并列來完成此項試驗。

(4)第7.4.2.2條：系統(tǒng)運行試驗。這些試驗每2年1次，在停堆或換料檢修期間進行，用以證實EDG在模擬事故工況條件下執(zhí)行其預(yù)期功能的能力。

(5)第7.4.2.3條：獨立性驗證試驗。該試驗每10年1次，在任何有可能影響到EDG獨立性的修改后進行，或者在停堆或換料檢修期間進行。

IEEE 387也規(guī)定了應(yīng)急柴油發(fā)電機組定期試驗應(yīng)編制并使用書面試驗程序，且這些程序應(yīng)包括設(shè)備制造商的試驗建議，同時還應(yīng)指明為這些試驗而對正常系統(tǒng)配置作出的特殊設(shè)置或變更，以保證完成試驗后恢復(fù)系統(tǒng)的正常配置。IEEE 387中提出的定期試驗方法，綜合考慮了電廠系統(tǒng)運行方式和設(shè)備性能特點及維護的需要，對設(shè)備性能和壽命更為有利。除非有指定，這些試驗應(yīng)在功率因數(shù)盡可能接近電廠電壓條件允許的實際的設(shè)計負載功率因數(shù)工況下進行。

此外，EDG采用定期并網(wǎng)帶載試驗的方法更加經(jīng)濟和安全，運行操作也更簡單，所以福清一期核電廠適合采用IEEE 387規(guī)定的EDG試驗方法。

3 改進影響分析

福建福清一期核電廠的廠外電源由輸電網(wǎng)經(jīng)過輸電線向機組的主變壓器和輔助變壓器變供電。廠外電源的主電源和輔助電源均包括兩條線路，在電氣和實體上均分隔的兩條線路分別經(jīng)過相應(yīng)的變壓器給廠內(nèi)中壓正常配電系統(tǒng)供電。應(yīng)急所需要的廠用設(shè)備由兩組獨立的6.6 kV交流應(yīng)急配電系統(tǒng)(LHA、LHB)供電。正常工況下，經(jīng)6.6 kV廠用電源系統(tǒng)(LGB、LGC)配電裝置分別供電給LHA和LHB。

如果福清一期核電廠參照IEEE 387標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行應(yīng)急柴油發(fā)電機組定期試驗，6.6 kV柴油機在機組運行期間每月進行一次柴油機滿載并網(wǎng)試驗，需要復(fù)核福清一期核電廠1號、2號機組6.6 kV系統(tǒng)的三相短路電流，以確認電流參數(shù)是否在開關(guān)設(shè)備的開斷能力范圍之內(nèi)。

根據(jù)華東電力設(shè)計院出版的福建福清核電廠1號、2號機組工程《應(yīng)急柴油機定期試驗短路電流計算報告》計算結(jié)果可以確定在機組正常運行期間，LHA和LHB部分負荷不投運的情況下，無論是高壓廠變還是輔助變供電，柴油機滿負荷帶載試驗時，6.6 kV母線三相短路電流不超過斷路器的額定值(額定開斷電流：50 kA，峰值耐受電流：150 kA)，斷路器額定短路開斷電流的直流分量(%)為不小于50%。6.6 kV斷路器能夠可靠開斷柴油發(fā)電機并網(wǎng)時的短路電流[5]。因此福清一期核電廠1號、2號機組6.6 kV交流應(yīng)急電源系統(tǒng)相關(guān)定期試驗內(nèi)容可以進行修改。

采用IEEE 387標(biāo)準(zhǔn)后，福清一期核電廠6.6 kV交流應(yīng)急電源系統(tǒng)應(yīng)取消目前的低功率試驗，保留目前的系統(tǒng)運行試驗，補充慢啟動試驗、快啟動試驗、負載持續(xù)性試驗、甩負載試驗、獨立性試驗等。

4 改進后的部分試驗內(nèi)容

4.1 慢啟動試驗

參照IEEE 387標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)急柴油發(fā)電機組定期試驗的最小時間間隔是1個月，每月進行一次慢啟動試驗，目的是保證那些可能引起柴油發(fā)電機組安全風(fēng)險的設(shè)備可以正常運行。機組應(yīng)按預(yù)先選擇的，能使機組應(yīng)力和磨損降到最低程度的時序達到額定轉(zhuǎn)速。在每次試驗的初始階段，所有設(shè)備都應(yīng)根據(jù)規(guī)定依次啟動。每月試驗都要檢查柴油發(fā)電機組的啟動和在滿功率下的運行性能(100%額定功率)，同時柴油發(fā)電機組要進行連接電網(wǎng)試驗；振動試驗還可以檢查發(fā)動機、發(fā)電機與底座的振動水平以及長期運行可能帶來的設(shè)備性能變化。

4.2 快啟動試驗

參照IEEE 387標(biāo)準(zhǔn)，快啟動試驗每6個月執(zhí)行一次，柴油發(fā)電機啟動后連接到電網(wǎng)，并逐漸提升功率到額定功率，驗證柴油發(fā)電機組的電壓和頻率滿足要求。

每6個月進行的應(yīng)急柴油機滿功率試驗，都要檢查柴油發(fā)電機組的啟動和在滿功率下的運行性能(100%額定功率)，同時柴油發(fā)電機組要進行連接電網(wǎng)試驗和振動試驗。確認柴油機在快啟動的情況下，時間在10秒內(nèi)?？靻釉囼灴梢蕴娲龁釉囼?。

4.3 負載持續(xù)性試驗

參照IEEE 387標(biāo)準(zhǔn)，柴油發(fā)電機組應(yīng)具有保持發(fā)電機輸出端的電壓和頻率在限值范圍內(nèi)的能力，該限值不會使任何設(shè)計負載的性能降低到對它們的最低要求之下，負載持續(xù)性試驗可證明機組的帶負載運行能力。

負載持續(xù)性試驗每個換料周期執(zhí)行一次，目的是證明柴油發(fā)電機具有帶負載運轉(zhuǎn)不少于8 h的能力，其中2 h為相當(dāng)于短時額定功率的負載，6 h為相當(dāng)于90%～100%滿功率的負載。同時要驗證維持要求的電壓和頻率。該試驗可通過使發(fā)電機與廠外電源同步來完成。試驗期間對柴油發(fā)電機組的加載和卸載宜按預(yù)先選擇的能使機組應(yīng)力和磨損降到最低程度的時序逐步進行。

4.4 甩負荷試驗

參照IEEE 387標(biāo)準(zhǔn)，甩負載試驗是證明柴油發(fā)電機組具有甩掉短時額定負載而不會形成超速或過電壓而造成部件損壞的能力。甩負載試驗包括甩最大負載試驗和甩設(shè)計負載試驗。

甩最大負載試驗在每個換料周期執(zhí)行完負載持續(xù)性試驗后進行，證明柴油發(fā)電機具有甩掉最大單個負載的能力且電壓和頻率滿足要求而且柴油發(fā)電機組不會因超速而脫扣。

甩設(shè)計負載試驗隨之進行，驗證柴油發(fā)電機組具有甩掉相當(dāng)于設(shè)計負載90%～100%的負載的能力，甩負載后柴油發(fā)電機組不會因超速而脫扣。

4.5 獨立性試驗

參照IEEE 387標(biāo)準(zhǔn)，福清一期核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機組的啟動控制回路必須每個換料周期檢查一次，每10年進行一次獨立性試驗，在核電廠10年換料停堆期間進行試驗，驗證柴油發(fā)電機組的啟動獨立性沒有受到影響，證明沒有潛在的共因故障，也驗證柴油發(fā)電機組同時啟動時每臺發(fā)動機在規(guī)定的時間之內(nèi)可以達到適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速。

5 結(jié)束語

本文通過參考IEEE 387標(biāo)準(zhǔn)，并在6.6 kV斷路器能可靠開斷柴油發(fā)電機并網(wǎng)時的短路電流的基礎(chǔ)上，提出福清一期核電廠6.6 kV交流應(yīng)急電源系統(tǒng)取消目前的低功率試驗，同時增加慢啟動試驗、快啟動試驗、負載持續(xù)性試驗、甩負載試驗、獨立性試驗等內(nèi)容，采用在機組正常運行期間進行并網(wǎng)帶載試驗方法，從而解決了福清一期核電廠EDG低功率試驗的應(yīng)急啟動方式導(dǎo)致嚴重損壞設(shè)備風(fēng)險的問題，目前已得到了核安全監(jiān)管機構(gòu)的認可，為國內(nèi)其他采用M310堆型或其改進型的核電廠應(yīng)用該試驗方法提供了參考。