核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)替代問題

邵家泉，董玉領(lǐng)，傅仁浦，李開盈，邱 磊

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)通常作為核電廠應(yīng)急電源的標(biāo)準(zhǔn)配置，是保證電廠應(yīng)急電源安全的核心設(shè)備，保證其備用能力是核電廠必須面對的問題。目前國內(nèi)核電廠以二代改進(jìn)型的M310 堆型為主，在對柴油機(jī)的配置設(shè)計(jì)時(shí)一般僅考慮到常規(guī)維修導(dǎo)致的短期停運(yùn)，并未考慮應(yīng)急柴油機(jī)可能發(fā)生長期缺失的問題。2017 年以來，國內(nèi)已經(jīng)發(fā)生過5 次柴油發(fā)電機(jī)重大機(jī)損事件。

盡管堆型不同，核安全的總體要求是一致的，任何核電廠均需要考慮設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故狀態(tài)下的孤島運(yùn)行情況。在這種情況下，核電廠需要確保自身的應(yīng)急電源能快速啟動(dòng)并提供持續(xù)穩(wěn)定的電源供給，確保核電機(jī)組安全停堆及停堆后的余熱導(dǎo)出。應(yīng)急電源可靠性是核電廠安全評價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。目前現(xiàn)有的核電廠中，其應(yīng)急電源基本為大型柴油發(fā)電機(jī)組。因此，保證應(yīng)急電源的可靠性就要求保證應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)的備用能力。

1 國內(nèi)商用核電機(jī)組的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)現(xiàn)狀

廣義上的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)應(yīng)包含所有提供應(yīng)急功能的柴油發(fā)電機(jī)，包括每臺核電機(jī)組配置的專設(shè)柴油發(fā)電機(jī)，也包括機(jī)組公用的附加柴油機(jī)及應(yīng)急柴油發(fā)電車等柴油發(fā)電裝置。狹義的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)指每臺核電機(jī)組單獨(dú)配置的柴油發(fā)電機(jī)，直接為本核電機(jī)組對應(yīng)的應(yīng)急母線供電。

實(shí)際上，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范的不同，核電機(jī)組的配置也有別的架構(gòu)，機(jī)組柴油機(jī)的配置也不盡相同。傳統(tǒng)意義上的應(yīng)急電源供給的柴油發(fā)電機(jī)（EDG），非安全級備用的柴油發(fā)電機(jī)（SDG）則不執(zhí)行安全功能。

目前，國內(nèi)的核電廠一般屬于瀕海場址，且多為多個(gè)反應(yīng)堆集中在很小地理范圍內(nèi)的群堆場址。在役電廠以M310 堆型為主。M310 堆型的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)一般為EDG，具體配置為：一臺核電機(jī)組配備兩組應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)（簡稱正常柴油機(jī)），分別連接在機(jī)組的兩條應(yīng)急母線上。電廠范圍內(nèi)設(shè)置附加柴油機(jī)，通過電氣切換，替代電廠中任意一臺應(yīng)急柴油機(jī)與其對應(yīng)的應(yīng)急母線進(jìn)行連接。附加柴油機(jī)的設(shè)計(jì)目的主要應(yīng)對SBO（全廠斷電）工況下，正常設(shè)置的安全電源不能在規(guī)定時(shí)限內(nèi)恢復(fù)，則需要通過附加柴油機(jī)來保證恢復(fù)對核輔助設(shè)施的供電。

因附加柴油機(jī)并不直接作為一列應(yīng)急電源，僅僅為正常應(yīng)急電源不能及時(shí)恢復(fù)情況下的臨時(shí)備份，其整體設(shè)計(jì)等級一般低于應(yīng)急柴油機(jī)。考慮到SBO 工況縱深防御需求，電廠也需要維持附加柴油機(jī)的備用功能?，F(xiàn)今附加柴油機(jī)還不能長期替代正常應(yīng)急柴油機(jī)，僅允許短時(shí)替代。根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范，任何一組正常柴油機(jī)發(fā)生故障導(dǎo)致不可用，允許恢復(fù)時(shí)限為3 d，若使用附加柴油機(jī)進(jìn)行替用，則時(shí)限為14 d。核電機(jī)組運(yùn)行期間一旦正常柴油機(jī)停運(yùn)時(shí)間超出上述時(shí)限，該核電機(jī)組必須進(jìn)行狀態(tài)后撤。

2 面臨的問題

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)作為核電廠事故情況下的應(yīng)急電源這一屬性，要求在核電機(jī)組功率運(yùn)行期間需一直維持在隨時(shí)可用啟動(dòng)的備用狀態(tài)。僅在定期試驗(yàn)等一些特殊條件下，允許短時(shí)間置于非完全備用的狀態(tài)，同時(shí)記錄電廠運(yùn)行限制，并納入WANO（World Association of Nuclear Operators，世界核電運(yùn)營者協(xié)會）考核指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)。

國內(nèi)核電廠選用的柴油機(jī)一般為世界上已成熟穩(wěn)定的機(jī)型，同時(shí)電廠一般也會嚴(yán)格要求按照柴油機(jī)制造商的要求進(jìn)行定期維護(hù)。因此，理論上核電廠的柴油機(jī)一般不會發(fā)生重大故障。設(shè)計(jì)院在對柴油機(jī)的配置設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮了短期故障不可用的情況。實(shí)際上國內(nèi)的核電廠從1991 年首臺機(jī)組開始運(yùn)行，至今應(yīng)急柴油機(jī)也確實(shí)并未出現(xiàn)嚴(yán)重故障。但是，自2017 年以來，先后出現(xiàn)了多起核電機(jī)組柴油機(jī)嚴(yán)重機(jī)損事件。幸運(yùn)的是，EDG發(fā)生機(jī)損的電廠正在進(jìn)行擴(kuò)建，通過拆借其擴(kuò)建項(xiàng)目還未發(fā)電的核電機(jī)組中的柴油機(jī)完成了在役機(jī)組柴油機(jī)功能的恢復(fù)。SDG 的柴油機(jī)則備用了整機(jī)備件或廠家恰好備有了完整的備件，故障后及時(shí)完成了替換。因此，幾起柴油機(jī)重大機(jī)損故障未對在役的核電機(jī)組產(chǎn)生長時(shí)間停運(yùn)的重大影響。

但是，在役電廠需要考慮應(yīng)急柴油機(jī)出現(xiàn)重大機(jī)損導(dǎo)致長期失去功能的情況，而現(xiàn)有配置并不滿足這種狀況。問題的核心在于應(yīng)急柴油機(jī)因某些原因需要較長時(shí)間退出的情況下，如何快速恢復(fù)設(shè)計(jì)所需的完整的應(yīng)急電源能力問題。

3 應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)的替代

應(yīng)急柴油機(jī)的退出本質(zhì)上是存在某些問題，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的局部或全體功能不能實(shí)現(xiàn)原設(shè)計(jì)要求。因此，恢復(fù)其功能的主要解決方式轉(zhuǎn)變?yōu)椤靶迯?fù)”缺陷和“替代”失效部分。單純從恢復(fù)時(shí)間角度考慮這兩種方式，從現(xiàn)有的工程實(shí)踐可以明確，當(dāng)設(shè)備或系統(tǒng)局部出現(xiàn)較大問題時(shí)“替代”的方式明顯要快于“修復(fù)”。在應(yīng)急柴油機(jī)系統(tǒng)中，柴油機(jī)是最為核心的一個(gè)設(shè)備，也是最復(fù)雜、價(jià)值最高的單一設(shè)備，其恢復(fù)時(shí)間基本上決定了整個(gè)系統(tǒng)的恢復(fù)時(shí)間。本文將針對柴油機(jī)，按“替代”的邏輯探討兩種可行方案。

3.1 整機(jī)替代

該方案主要內(nèi)容是備用同型號的柴油機(jī)整機(jī)備件，具體操作方式有：各電廠單獨(dú)購買整機(jī)，多電廠聯(lián)合購買整機(jī)或向租賃服務(wù)提供商租賃。目前國外的核電廠，特別是歐洲核電機(jī)組，電廠之間或電廠與柴油機(jī)廠家的距離相對較近，整機(jī)的調(diào)運(yùn)速度完全可以滿足電廠安全要求。因此，整機(jī)替代是其較為常用的方案。

國內(nèi)電廠由于核電機(jī)組堆型不同，設(shè)計(jì)功率也存在較大差異，對應(yīng)配置的柴油機(jī)功率也存在較大差異，即使是同型號柴油機(jī)也不能很好的實(shí)現(xiàn)互換。租賃服務(wù)提供方必須備用多種型號的柴油機(jī)，導(dǎo)致前期投資大，備用機(jī)周轉(zhuǎn)率低，非租賃期間的維護(hù)費(fèi)用高的問題，繼而必然導(dǎo)致租賃服務(wù)收費(fèi)較高。從國內(nèi)電廠角度看，采用租賃方式仍然是最經(jīng)濟(jì)的，但是經(jīng)濟(jì)性并不突出。該方式的替換活動(dòng)受限于租賃服務(wù)商提供備機(jī)的能力，缺乏靈活性。此時(shí)，電廠也就面臨著因該情況導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)組進(jìn)入技術(shù)規(guī)格書限制從而發(fā)生較大的發(fā)電損失的風(fēng)險(xiǎn)。即租賃方式較為經(jīng)濟(jì)，但是面臨無法及時(shí)獲得備用機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)國內(nèi)電廠實(shí)際情況，從電廠自身的角度，特別考慮緊急替代需求時(shí)，無疑由各電廠自備各自機(jī)組對應(yīng)整機(jī)的方式最有保障，這種方案同時(shí)還具備管理流程簡單的優(yōu)勢。但是缺點(diǎn)也很明顯，即經(jīng)濟(jì)性差。備用的柴油機(jī)需要占用較大的金額且整體利用率非常低，備用的整機(jī)倉儲要求較高并且需要定期維護(hù)，長期存放后的狀態(tài)是否能保持在較高水平也存在不確定性。

租賃方式和電廠自備作為備機(jī)替用方案的兩個(gè)極端，優(yōu)缺點(diǎn)都很突出。從管理的角度，在風(fēng)險(xiǎn)可接受的情況下選擇費(fèi)用最小的方案才是最優(yōu)方案。針對如何備用備機(jī)，可以從集團(tuán)層面或者電廠聯(lián)合體方式，根據(jù)合理的風(fēng)險(xiǎn)水平進(jìn)行評估，聯(lián)合按機(jī)型備用一定數(shù)量的整機(jī)備件，根據(jù)電廠的現(xiàn)場需求進(jìn)行相互調(diào)配。

采用備機(jī)策略的整體替換方式，整個(gè)替換過程仍然需要幾周的時(shí)間。對電廠而言，雖然消除了長期發(fā)電損失導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失的風(fēng)險(xiǎn)，但是仍然存在因替換過程導(dǎo)致的短時(shí)發(fā)電損失問題。實(shí)際上，替換過程中的發(fā)電損失仍然還是一個(gè)很大的金額。采用備機(jī)的策略可能并非為電廠期望的最佳選擇。

3.2 設(shè)置備用應(yīng)急柴油機(jī)

根據(jù)現(xiàn)有的電源設(shè)計(jì)，應(yīng)急柴油機(jī)的直接用戶是對應(yīng)的應(yīng)急母線，在進(jìn)行附加柴油機(jī)替代該列的應(yīng)急柴油機(jī)時(shí)，附加柴油機(jī)的直接用戶也是該應(yīng)急母線。那么，如果以該應(yīng)急母線這個(gè)用戶來說，接受的產(chǎn)品是提供符合應(yīng)急電源設(shè)計(jì)要求的穩(wěn)定供電，只要供方能滿足設(shè)計(jì)需求，由哪個(gè)供方實(shí)際提供則并不關(guān)注。根據(jù)該思路，正常的應(yīng)急柴油機(jī)系統(tǒng)（包括其支持系統(tǒng)）整體上是一電源組模塊，當(dāng)其功能失去后，如果能替換上一個(gè)同標(biāo)準(zhǔn)的電源組模塊，這樣的替代也是可接受的。即：在現(xiàn)有采用M310 堆型的電廠中，在配備正常附加柴油機(jī)基礎(chǔ)上，新增一套備用應(yīng)急柴油機(jī)系統(tǒng)，其主機(jī)及包括廠房、設(shè)備、管溝、電纜、連鎖鑰匙裝置、實(shí)體保衛(wèi)等在內(nèi)的各輔助單元均按應(yīng)急柴油機(jī)同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)及建造，使新增的備用應(yīng)急柴油機(jī)在配置上完全等效正常應(yīng)急柴油機(jī)。因其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)急柴油機(jī)完全相同，通過電氣連接方式切換接入任何一臺應(yīng)急柴油機(jī)對應(yīng)的應(yīng)急母線，實(shí)際上完成對該列應(yīng)急柴油機(jī)的完全替代。

該替代方式有明顯優(yōu)點(diǎn)，替代時(shí)間僅僅是電源的切換過程和替換完成后驗(yàn)證可用性的試驗(yàn)所需時(shí)間的總和，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于更換整臺柴油機(jī)的方式。在現(xiàn)有的規(guī)定時(shí)限內(nèi)就能夠?qū)崿F(xiàn)，從而不會影響對應(yīng)核電機(jī)組的運(yùn)行。同時(shí)，因在現(xiàn)有柴油機(jī)配置基礎(chǔ)上增加了一臺應(yīng)急電源組模塊，在該模塊未進(jìn)行替換時(shí)，對應(yīng)電廠的應(yīng)急電源整體而言，是增加了一列冗余，即增加了電廠的整體安全配置，提高了安全性。另外，只要電廠各正常應(yīng)急柴油機(jī)的檢修計(jì)劃排定合理，通過把新增的電源組模塊按計(jì)劃進(jìn)行替代正常應(yīng)急柴油機(jī)的操作，可以實(shí)現(xiàn)在核電機(jī)組正常功率運(yùn)行期間切出一列應(yīng)急柴油機(jī)進(jìn)行維護(hù)和維修工作，大大提高正常柴油機(jī)的可維護(hù)性。作為企業(yè)，追求效益是其根本的使命，在保證安全性的前提下，提高核電廠的效益最有效的方式就是提高機(jī)組的發(fā)電時(shí)間，其中的一個(gè)方向就是如何優(yōu)化機(jī)組大修管理來實(shí)現(xiàn)縮短機(jī)組停機(jī)時(shí)間?，F(xiàn)有的應(yīng)急柴油機(jī)因規(guī)范要求所限，目前只能安排在核電機(jī)組大修內(nèi)執(zhí)行。若通過新增備用應(yīng)急柴油機(jī)系統(tǒng)方式把正常應(yīng)急柴油機(jī)檢修窗口調(diào)整至平時(shí)的功率運(yùn)行期間，那么對機(jī)組大修活動(dòng)的優(yōu)化安排提供較大的支持，從而給電廠帶來實(shí)際的收益。對群堆廠址的電廠，收益尤為顯著。

該替代方式的缺點(diǎn)為一次性投資成本高，因涉及與在役設(shè)備的連接，施工復(fù)雜，施工及試驗(yàn)排期困難。同時(shí)由于引入了新的冗余柴油機(jī)，在新增備用應(yīng)急柴油機(jī)未替換至正常柴油機(jī)時(shí)的試驗(yàn)要求需要對現(xiàn)有技術(shù)規(guī)范進(jìn)行大范圍修改，周期較長。

綜合各種因素，采用備用應(yīng)急柴油機(jī)系統(tǒng)的方案較其他替代方案仍具有明顯優(yōu)勢，是現(xiàn)有法規(guī)及監(jiān)管要求下解決面臨問題的一個(gè)優(yōu)解。

4 總結(jié)

（1）在核電廠應(yīng)急柴油機(jī)的配置設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該考慮單臺柴油機(jī)可能出現(xiàn)較長期的缺失情況。現(xiàn)有M310 堆型的電廠中設(shè)計(jì)應(yīng)急備用柴油機(jī)是一種新的思路，可以很好地解決目前核電廠可能發(fā)生的正常柴油長期缺失的問題。

（2）新增的備用應(yīng)急柴油機(jī)作為現(xiàn)有應(yīng)急電源的冗余，在不進(jìn)行替換正常應(yīng)急柴油機(jī)時(shí)提高了整個(gè)電廠應(yīng)急電源的安全性。通過使用替換操作，可以把應(yīng)急柴油機(jī)的檢修工作安排至機(jī)組運(yùn)行期間執(zhí)行，為優(yōu)化大修工期提供幫助。這不僅對M310 堆型有利，對柴油機(jī)為EDG 功能的其他核電堆型同樣有所幫助。

（3）新建的核電機(jī)組，應(yīng)從全首期角度分析，在設(shè)計(jì)階段就考慮增設(shè)備用柴油機(jī)問題，能獲得最大收益，同時(shí)在群堆廠址中收益尤為顯著。