核電保障用中壓電源車的選型設(shè)計

摘要：通過對柴油發(fā)電機組、中壓開關(guān)柜、電纜、散熱器、牽引車底盤等電源車關(guān)鍵部件進(jìn)行選型設(shè)計和整車優(yōu)化布局設(shè)計，設(shè)計出滿足相關(guān)法律法規(guī)要求和核電應(yīng)急保障用高可靠性的中壓電源車。

關(guān)鍵詞：中壓電源車；柴油發(fā)電機組；功率；選型

中圖分類號：U462 收稿日期：2023-05-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.015

1 前言

核電作為一種安全、清潔和高效的能源，是我國能源供給體系的重要分支。發(fā)展核能是優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)、建設(shè)美麗中國、應(yīng)對全球氣候變化的戰(zhàn)略選擇。目前，我國已經(jīng)成為全球核電發(fā)展最快的國家，核能產(chǎn)業(yè)進(jìn)人一個新的發(fā)展時期。安全高效推進(jìn)核能產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，是當(dāng)前及今后我國核能界的重要職責(zé)和使命［1］。

2019年是我國核電項目正常審批的重啟年，國家“十四五”規(guī)劃綱要表明，至2025年在運核電裝機容量達(dá)到7 000萬kW［2］。國家能源局正在以“十四五”規(guī)劃綱要為指導(dǎo)，研究制定新一輪核電發(fā)展中長期規(guī)劃。“福島核電站事故”后，核電的安全性捫發(fā)了社會的廣泛關(guān)注，為了提高核電廠的安全水平，移動電源車被選入核電廠建設(shè)所需的后備電源［3］。本文主要以某核電廠1、2號機組中的630 kW電動輔助給水泵進(jìn)行全壓起動和支持它運行的操作電源和控制電源所需的10 kV移動中壓電源車進(jìn)行選型和設(shè)計。以確保電源車滿足GB 1589-2016［4］、DLT5153-2002［5］等相關(guān)法規(guī)要求和產(chǎn)品的可靠性。

2 柴油發(fā)電機組容量的選型計算

2.1 技術(shù)規(guī)格

柴油發(fā)電機組的主要性能參數(shù)如表1所示，自然環(huán)境條件如表2所示。

加載的負(fù)荷及加載順序如下：

第1步加載200 kW（110VDC和 UPS蓄電池充電器）。

第2步加載直接全電壓啟動一臺10 kV、630 kW輔助電動給水泵，參數(shù)見表3。

對于每一步負(fù)荷的加載，頻率不應(yīng)下降到額定值的 95%以下，電壓不應(yīng)下降到額定值的75%以下。

2.2 柴油發(fā)電機組的功率和容量計算

2.2.1 機組長時最小穩(wěn)態(tài)功率計算

已知條件：機組允許電壓降為25%；負(fù)荷Sc=200 kW；功率因數(shù)cosθ=0.8；效率η=0.98；水泵功率Sc1=630 kW；電動機功率因數(shù)cosθ=0.86；電機效率η=0.93。

則運行功率合計為：

代入上面的數(shù)據(jù)，則有

Se=200/0.8/0.98 kV·A+630/0.86/0.93 kV·A=1 043 kV·A

故起動電源柴油機組容量最小穩(wěn)態(tài)功率應(yīng)大于1 043 kV·A。

2.2.2 短時尖峰負(fù)載能力校驗

電動機數(shù)據(jù)表直接啟動，故柴油發(fā)電機組直接啟動的短時過負(fù)荷發(fā)電機容量計算如下：

式中，Sc為外接負(fù)荷功率，255 kV·A；Kq為電動機啟動倍數(shù)，根據(jù)啟動負(fù)荷要求可知啟動倍數(shù)為6.6倍；K為換算系數(shù)，此處為0.8；PDM為電動機的額定功率，630 kW；KOL為發(fā)電機在熱狀態(tài)下，能承受150%Se，時間60 s。

代入上面的數(shù)據(jù)，則有

Se≥[255+（1.25×6.6-0.8）×630]/1.5 kV·A=3 299 kV·A

故得出結(jié)論：啟動水泵，應(yīng)需要3 299 kV·A的發(fā)電機。

2.2.3 啟動電動機母線允許電壓降水平的校驗計算

電動機啟動時，配電母線和電動機的電壓降均要滿足要求，發(fā)電機容量計算公式：

式中，Sst?為導(dǎo)致發(fā)電機最大壓降的電動機視在容量，kV·A；X[′]d為發(fā)電機的暫態(tài)電抗，根據(jù)發(fā)電機參數(shù)，取0.2；?E為母線及其電動機允許的瞬間電壓降，取25%。

代入上面的數(shù)據(jù)，則有

Se=630/0.86×6.6×0.2×（1/25%-1）kV·A=2 901 kV·A

故得出結(jié)論：當(dāng)允許母線電壓降25%，發(fā)電機的容量必須大于2 901 kV·A。

結(jié)合上述計算，初步選擇電機容量大于3 299 kV·A。

考慮核電廠對發(fā)電機的要求高，選用無錫斯坦福一線品牌的發(fā)電機，根據(jù)斯坦福電機的資料查得HVSI804X2這款發(fā)電機F級溫升時的額定容量為3 555 kV·A。

再根據(jù)選擇的HVSI804X2發(fā)電機的參數(shù)進(jìn)行校驗。

電壓降的計算公式如下：

式中，?U為電壓降，%；X[′]d為發(fā)電機的暫態(tài)電抗，根據(jù)發(fā)電機參數(shù)，取0.195。XL表達(dá)式如下：

式中，SG為發(fā)電機額定容量，kV·A，根據(jù)HVSI804X2的數(shù)據(jù)單，F(xiàn)級溫升時的額定容量為3 555 kV·A；Sst為最大啟動容量，最大啟動容量發(fā)生在630 kW輔助電動給水泵的電動機上，根據(jù)電動機數(shù)據(jù)表，則啟動容量為

S=[（P2+Q2）]=[（1 170.32+3 705.92）]=3 886.3 kV·A

?U=0.195/[（3 555/3 886.3）+0.195]×100%=17.6%

由此滿足電壓降小于25%的電壓降要求。

根據(jù)圖1，發(fā)電機在25%電壓降的時候，可啟動電機4 500 kV·A，滿足啟動要求。

2.3 啟動最大電動機校驗容量時的柴油發(fā)動機一次突加功率復(fù)核

啟動最大電動機組容量校驗，柴油發(fā)動機容量計算公式：

式中，Pc為啟動最大發(fā)動機前的柴油發(fā)電機所帶的負(fù)載，200 kW；PDM為最大發(fā)動機功率，630 kW；cosθPD為最大發(fā)動機運行功率因數(shù)，0.86；η為最大發(fā)動機效率，0.93；cosθst?為最大發(fā)動機啟動功率因數(shù)，0.3；Kst?為柴油機一次突加負(fù)載能力，一般取50%～80%（根據(jù)查詢發(fā)動機的突加負(fù)載能力，康明斯柴油發(fā)動機突加負(fù)載能力達(dá)到80%）。

代入數(shù)值得：

Pe=200+6.6×630/0.86/0.93×0.3/0.8 kW=2 150 kW

根據(jù)康明期柴油發(fā)動機選型表查得選用QSK60-G23，最大輸出功率可達(dá)2 389 kW，大于一次突加功率2 150 kW的要求。

綜上所述，柴油發(fā)動機選擇康明斯QSK60-G23，發(fā)電機選擇斯坦福HVSI804X2組成的柴油發(fā)電機組。該款機組能以標(biāo)定功率正常連續(xù)運行12 h（其中包括以備用功率即超過標(biāo)定功率10%運行1 h），大修時間達(dá)30 000 h，滿足核電廠要求的容量和連續(xù)運行的要求。

3 主要設(shè)備選型

3.1 開關(guān)柜選型

選用ABB品牌Safe系列的Safe Plus-DVF中壓開關(guān)柜。這主要考慮到核電廠主要建在沿海地區(qū)，而ABB Safe系列的中壓開關(guān)柜所有高壓帶電部分位于不銹鋼箱體內(nèi)，箱殼為不銹鋼密封焊接，充入工作壓力140 kPa的SF6氣體，防護(hù)等級為IP67；適用于潮濕、多沙多塵、鹽污、礦山、箱式變電站和任何由于空氣污染易引發(fā)表面污閃的場所而不必采取特別的預(yù)防措施；高可靠的人身安全保障，同時集成了工業(yè)自動化技術(shù)的智能開關(guān)，在品質(zhì)上也有保障；避免因中壓開關(guān)柜操作電源的不穩(wěn)定燒分合閘線圈，單獨配了一套40 A·h的直流屏。

3.2 電纜及電纜收放裝置選型

電纜作為動力的輸出，根據(jù)柴油發(fā)電機組電壓的等級和電流的大小選用低煙無鹵阻燃電纜，電纜型號為WDZ-DC-EY8.7/15 kV 1×50 mm2，長度100 m/根，共三根，并帶有黃、綠、紅三種色標(biāo)。

接地電纜選用PE用黃/綠雙色導(dǎo)線1×150 mm2，長度50 m/根。為了收納電纜，設(shè)計了具有手動和電動一體功能的電纜收放裝置。

3.3 散熱器選型

散熱器是發(fā)動機本體散熱的重要組成部份，傳統(tǒng)的型式是將發(fā)電機、發(fā)動機、散熱器安裝在同一底座上，利用發(fā)動機的傳動皮帶帶動風(fēng)扇給散熱器降溫。這種型式主要是機組總體的高度和寬度比較大，不能滿足電源車的局限外形尺寸，同時也不利于機組的散熱，并且噪音大。

為了解決這一問題，通過散熱器廠家設(shè)計一款適用于電源車上的50 ℃臥式分體的散熱器，水箱散熱芯選用銅材質(zhì)。采用這種型式主要是散熱器和機組室是分開的，機組產(chǎn)生的熱量不會傳導(dǎo)到散熱器影響散熱器的降溫效果。散熱器的進(jìn)風(fēng)主要從下端兩側(cè)的百葉窗通過散熱器頂部的排風(fēng)機將兩側(cè)的環(huán)境風(fēng)抽進(jìn)來，經(jīng)過散熱器后從頂部將熱風(fēng)排出去。由于發(fā)動機和發(fā)電機會產(chǎn)生熱量，需要設(shè)計強排風(fēng)機對機組室內(nèi)的柴油發(fā)電機組進(jìn)行排風(fēng)，保證機組室內(nèi)的溫度維持在合理的范圍內(nèi)。

3.4 車輛的選型計算

查詢柴油發(fā)電機組的重量為22 070 kg，四軸車的最大總質(zhì)量為32 000 kg，四軸車的底盤的整備質(zhì)量為10 600 kg。柴油發(fā)電機組和底盤的重量已超過32 000 kg，因此選用承載最大可達(dá)40 000 kg的半掛車才能滿足。

電源半掛車主要由牽引車、半掛車、廂體、柴油發(fā)電機組、散熱器、干式變壓器、燃油箱、中壓開關(guān)柜、進(jìn)排風(fēng)系統(tǒng)、排煙消音裝置、電纜存放裝置、支撐系統(tǒng)、輸配電及操控系統(tǒng)、燃油水套加熱器、照明系統(tǒng)、倒車系統(tǒng)、消防設(shè)備、防雷裝置、接地裝置等組成。

主要設(shè)備重量列表見表4。

根據(jù)上述理論計算車輛理論總質(zhì)量39 615 kg，選用承載40 000 kg的半掛車。半掛車主要參數(shù)如表5所示。

對牽引車的選擇，則采用國內(nèi)成熟的、通用性強、可靠性高的牽引車。牽引車參數(shù)如表6所示。

式中，Pemax為發(fā)動機最大功率；ηT為傳動效率（貨車），取0.9；ma為總質(zhì)量，49 000 kg；g為重力加速度，取9.8 m/s2；fr為滾動阻力系數(shù)（貨車），取0.02；[vamax]為最高車速，取89 km/h；CD為空氣阻力系數(shù)，取0.8；A為迎風(fēng)面積（前輪距×總高），2.01×4 m2=8.04 m2。

將上述數(shù)據(jù)代入公式，則

由上可知，選取的半掛車牽引車的發(fā)動機功率為343 kW＞329.98 kW，滿足要求。

根據(jù)GB 7258-2017《機動車運行安全技術(shù)條件》［6］標(biāo)準(zhǔn)4.5條，比功率中的低速汽車及拖拉機運輸機組的比功率應(yīng)大于或等于4.0 kW/t，除無軌電車、純電動汽車外的其他機動車的比功率應(yīng)大于或等于5.0 kW/t。

比功率為發(fā)動機最大凈功率（或0.9倍的發(fā)動機額定功率或0.9倍的發(fā)動機標(biāo)定功率）與機動車最大允許總質(zhì)量之比。

因此，牽引車發(fā)動機功率為343 kW，發(fā)動機最大凈功率為308.7 kW，則

[比功率=發(fā)動機最大凈功率機動車最大允許總質(zhì)量=6.3 kW/t]

由上可知，所計算的比功率滿足機動車的比功率應(yīng)大于或等于5.0 kW/t要求。

4 電源車的整車布置

中壓電源車整車布置說明：如圖2所示，從車尾向前整車分別由電纜收放裝置和中壓開關(guān)柜操作室、機組室、水箱和獨立油箱室等組成。

根據(jù)整車的布局方案，對整車進(jìn)行軸荷、重心的計算，以確保不產(chǎn)生明顯偏重和軸荷超重的現(xiàn)象，整車安全性能滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

下面將進(jìn)行中壓電源車改造質(zhì)心的計算。

以車前軸中心點在地面上的投影點為坐標(biāo)原點，車長向后方向為X坐標(biāo)正方向，橫向從左向右為Y坐標(biāo)正方向，車高向上方向為Z坐標(biāo)正方向。

各部件質(zhì)量及質(zhì)心位置見表7。

整車質(zhì)量：M=39 615 kg

車輛軸距：L=9.090 m

后軸負(fù)荷：M2=[∑（M×L1）L]=23 861.93 kg

前軸負(fù)荷M1=M-M2=15 753.07 kg

質(zhì)心距前軸距離：a=[∑（M×L1）M]=5 475 mm

質(zhì)心距后軸距離：b=L-a=3 615 mm

質(zhì)心距地高度：hg滿=[∑（M×H）M]=1 828 mm

下面進(jìn)行橫向穩(wěn)定性計算。

已知條件：輪距B=2 200 mm；滿載質(zhì)心高度hg滿=1 828 mm；行駛路面附著系數(shù)φ=0.6。

保證滿載行駛不發(fā)生側(cè)翻的條件為：

[B2hg>]φ

[B2hg滿=2 2002×1 828]=0.601>0.6

結(jié)果表明，橫向穩(wěn)定性滿足要求。

下面進(jìn)行縱向穩(wěn)定性計算。

已知條件：專用汽車質(zhì)心到后軸中心距離b=3 615 mm；專用汽車質(zhì)心高度hg滿=1 828 mm；專用汽車行駛路面附著系數(shù)φ=0.6。

保證滿載行駛不發(fā)生縱翻的條件：

將數(shù)據(jù)代入上式，則

[bhg滿=3 6152×1 828]=0.98>0.6

結(jié)果表明，縱向穩(wěn)定性滿足要求。

根據(jù)整車軸荷計算結(jié)果，整車軸荷分配平衡合理，側(cè)傾穩(wěn)定性符合GB 7258-2017《機動車運行安全技術(shù)條件》［6］提出的“整車最大總質(zhì)量小于整備質(zhì)量的1.2倍時，左右側(cè)傾穩(wěn)定角不小于28°”的要求。由此說明，整車軸荷分配滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)語

中壓電源車通過設(shè)備的選型、整車布置、柴油機組容量的計算驗證、整車的質(zhì)心和穩(wěn)定計算，均滿足核電廠為一臺630 kW電動輔助給水泵及其運行所需要的控制電源恢復(fù)供電的要求和整車符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。整車通過各項試驗，試驗結(jié)果達(dá)到使用要求。同時該車已交付某核電廠使用，為核電廠提供可靠的后備電源。

參考文獻(xiàn)：

[1]房建成.移動電源車在核電廠的應(yīng)用探討[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2015（16）：230.

[2]吳珂.“十四五”中國核電產(chǎn)業(yè)發(fā)展展望[R].國際清潔能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告，2019：104-119.

[3]湯明星，葉雄偉，張華東，等.核電站云智能電源車的設(shè)計[J].移動電源與車輛，2020（3）：1-7.

[4]GB 1589-2016 汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值[S].

[5]DLT5153-2002 火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計技術(shù)規(guī)定[S].

[6]GB 7258-2017 機動車運行安全技術(shù)條件[S].

作者簡介：

鄧國成，男，1984年生，工程師，研究方向為移動電源車輛技術(shù)。