新聞主題	核安全級(jí)柴油發(fā)電機(jī)組分級(jí)、性能與試驗(yàn)

 

摘要：核安全級(jí)柴油發(fā)電機(jī)組主要應(yīng)用于核電站應(yīng)急備用電力系統(tǒng)，在核電站應(yīng)急電力系統(tǒng)失去廠外電源后向安全系統(tǒng)設(shè)備以及其他指定的非安全系統(tǒng)設(shè)備提供電源，保證核安全級(jí)或安全相關(guān)級(jí)的設(shè)備執(zhí)行其功能。康明斯電力技術(shù)有限公司產(chǎn)品性能滿足核安全法規(guī)要求，于2003年批準(zhǔn)投入正式生產(chǎn)，產(chǎn)品能保證在地震發(fā)生時(shí)或地震后設(shè)備均能啟動(dòng)并滿足對(duì)核安全級(jí)柴油發(fā)電機(jī)組的基本性能要求。

 

一、項(xiàng)目概述及設(shè)備分級(jí)

 

      核安全級(jí)柴油發(fā)電機(jī)組基本的技術(shù)要求分為機(jī)械設(shè)備安全級(jí)；電氣1E級(jí)；抗震I類；質(zhì)保QA1級(jí)。

1、機(jī)械設(shè)備安全級(jí)

      機(jī)械設(shè)備安全級(jí)是在核電站應(yīng)急電力系統(tǒng)失去廠外電源后在任何設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件發(fā)生時(shí)和發(fā)生后都必須具有運(yùn)行能力，向安全系統(tǒng)設(shè)備以及其他指定的非安全系統(tǒng)設(shè)備提供電源，這些設(shè)備和系統(tǒng)是完成反應(yīng)堆緊急停堆、安全殼隔離、堆芯冷卻以及從安全殼和反應(yīng)堆排出熱量所必須的，或者是防止放射性物質(zhì)向環(huán)境大量排放所必須的。

2、電氣1E級(jí)

      電氣1E級(jí)是指核安全級(jí)柴油發(fā)電機(jī)組為1E級(jí)電力系統(tǒng)設(shè)備，主要作用是為反應(yīng)堆停堆系統(tǒng)、專設(shè)安全設(shè)施和輔助支持設(shè)施供電。

3、抗震I類

      抗震I類是設(shè)備應(yīng)能承受在廠區(qū)內(nèi)可能遭受的一次最大地面運(yùn)動(dòng)（OBE）和在廠區(qū)內(nèi)可能發(fā)生的最大地震（SSE）并保證在地震發(fā)生時(shí)或（和）地震后均能履行其安全功能。

4、質(zhì)保QA1級(jí)

      質(zhì)保QA1級(jí)是核安全級(jí)設(shè)備必須滿足的，包括管理性和技術(shù)性質(zhì)保。

      核安全級(jí)柴油發(fā)電機(jī)組除了必須滿足其使用性能要求外，其關(guān)鍵技術(shù)就是從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上必須保證在地震發(fā)生時(shí)或（和）地震后發(fā)電機(jī)組均能啟動(dòng)并滿足對(duì)它的基本性能要求。

 

二、技術(shù)方案

 

      核安全級(jí)柴油發(fā)電機(jī)組包括柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、抗震底座、冷卻水箱、啟動(dòng)蓄電池組、減震橡膠墊、安裝底板和系統(tǒng)集成的控制柜和開(kāi)關(guān)柜等。核安全級(jí)柴油發(fā)電機(jī)組的最大特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)上強(qiáng)大的抗地震功能。在地震發(fā)生時(shí)或（和）地震后發(fā)電機(jī)組均能啟動(dòng)并滿足對(duì)它的基本性能要求。

1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

      柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)通過(guò)飛輪殼和連接套對(duì)中定位方連接，柴油機(jī)的飛輪盤和發(fā)電機(jī)的連接盤用螺栓連接傳遞動(dòng)力。散熱水箱是發(fā)電機(jī)組的散熱器，由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇把冷風(fēng)吹進(jìn)散熱水箱的散熱片間隙，將冷卻水的熱量傳遞給大氣，降低冷卻水的溫度。抗震底座是發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的公共底座，其結(jié)構(gòu)是一個(gè)剛性的鋼結(jié)構(gòu)框架。柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)和散熱水箱直接安裝在公共底座上。安裝底板是安裝橡膠減震墊用的，其通過(guò)二次灌漿用錨定螺釘固定在基礎(chǔ)上，機(jī)組的抗震底座下面安裝橡膠減震墊并固定在安裝底板上。啟動(dòng)蓄電池組為柴油機(jī)的直流啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)提供電力，直流啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，使柴油機(jī)啟動(dòng)。啟動(dòng)蓄電池組布置在靠近發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上并給予固定。控制柜是發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)總成，包括啟動(dòng)，保護(hù)，通信等各種功能。開(kāi)關(guān)柜是發(fā)電機(jī)組電力輸出的總開(kāi)關(guān)，用于連接發(fā)電機(jī)組和負(fù)載。控制柜和開(kāi)關(guān)柜兩個(gè)柜拼在一起并固定在機(jī)房?jī)?nèi)適當(dāng)?shù)奈恢谩?/span>

2、部件組成

      如圖1所示是核安全級(jí)柴油發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示是三維演示圖，結(jié)合這兩幅圖對(duì)核安全級(jí)柴油發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)做進(jìn)一步說(shuō)明。

（1）整體結(jié)構(gòu)柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)通過(guò)飛輪殼和連接套對(duì)中定位連成一體，柴油機(jī)的飛輪盤和發(fā)電機(jī)的連接盤用螺栓連接傳遞動(dòng)力。由于柴油機(jī)的飛輪殼和發(fā)電機(jī)的連接套具有足夠的剛性和強(qiáng)度，其定位凸臺(tái)和止口與軸的同軸度精度很高，能保證柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)連接的同軸度和整體剛度。最大限度地減少發(fā)電機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)主軸上的扭振。

柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)和散熱水箱直接安裝在公共底座上，其相互位置定位準(zhǔn)確，連接強(qiáng)度高。

（2）抗震底座其結(jié)構(gòu)是一個(gè)剛性的鋼結(jié)構(gòu)箱型框架。在柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)支腳安裝部位都有相應(yīng)的橫梁補(bǔ)強(qiáng)，以確保底座的強(qiáng)度和剛度。

（3）橡膠減震墊布置在抗震底座和基礎(chǔ)安裝底板之間，有效地隔斷發(fā)電機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的震動(dòng)向基礎(chǔ)傳遞和緩沖地震時(shí)地震波對(duì)發(fā)電機(jī)組的沖擊。

（4）抗震底座上安裝的部件采用特別的加固措施，安裝重心較高的散熱水箱兩側(cè)面加裝水箱支架，以形成三角形支撐結(jié)構(gòu)，增加水箱的穩(wěn)定性。安裝位置較高的空濾器，其支架采用雙柱龍門架結(jié)構(gòu)，增加了抗震功能。

（5）系統(tǒng)集成的控制柜和開(kāi)關(guān)柜采用整體框架式結(jié)構(gòu)，梁與柱的結(jié)點(diǎn)都用三角支撐件緊固加強(qiáng)，所有側(cè)板、頂板、底板折邊嵌入框架并用螺釘緊固，門板折邊成型并適當(dāng)布置加強(qiáng)梁予以加強(qiáng)，這兩個(gè)柜上面安裝的電氣元器件也用夾板，卡夾和扎帶等予以限位，固定和扎緊。兩面柜子側(cè)面拼接在一起增加了系統(tǒng)的剛性，底架和底板通過(guò)預(yù)埋螺栓有效地鎖緊在基礎(chǔ)上，能有效抵抗振動(dòng)的沖擊。

      核安全級(jí)柴油發(fā)電機(jī)組相對(duì)普通發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)有更加嚴(yán)格的要求，如100次的啟動(dòng)加載不允許有一次失敗；在發(fā)電機(jī)組使用所在地最大烈度地震災(zāi)害中發(fā)電機(jī)組應(yīng)能順利啟動(dòng)并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)能分批帶載。所以必須經(jīng)過(guò)一系列檢查、試驗(yàn)和專家鑒定以證明發(fā)電機(jī)組達(dá)到了安全級(jí)的要求。同時(shí)發(fā)電機(jī)組必須通過(guò)電氣性能的常規(guī)試驗(yàn)、啟動(dòng)和加載試驗(yàn)、負(fù)載能力試驗(yàn)、裕度試驗(yàn)、抗震試驗(yàn)和震后功能試驗(yàn)。所有試驗(yàn)合格并經(jīng)專家委員會(huì)鑒定通過(guò)之后，這個(gè)柴油發(fā)電機(jī)組才能認(rèn)定為核安全級(jí)柴油發(fā)電機(jī)組。

 

圖1 核安全級(jí)柴油發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖

圖2  核安全級(jí)柴油發(fā)電機(jī)組三維演示圖

 

三、設(shè)備性能參數(shù)

 

      主要性能指標(biāo)包括：

（1）柴油發(fā)電機(jī)組額定輸出功率、電壓、電流、頻率、轉(zhuǎn)速。

（2）供貨設(shè)備壽命為30年，等效3000h可用（可更換磨損件）。

（3）每套啟動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)保證可以連續(xù)成功啟動(dòng)5次。

（4）柴油發(fā)電機(jī)組在收到啟動(dòng)信號(hào)10s內(nèi)應(yīng)能達(dá)到穩(wěn)定的額定頻率和額定電壓，并按規(guī)定程序帶載。

（5）發(fā)電機(jī)組及其輔助系統(tǒng)具有高度的啟動(dòng)和運(yùn)行的可靠性，發(fā)電機(jī)組在壽命期內(nèi)自啟動(dòng)的失效率不大于1％。

（6）發(fā)電機(jī)組應(yīng)能保證其30％額定功率的電動(dòng)機(jī)的直接啟動(dòng)，其中包括單臺(tái)最大功率電動(dòng)機(jī)（90kW），并能夠承受50％額定功率的突加負(fù)載。

（7）柴油發(fā)電機(jī)組在接到應(yīng)急啟動(dòng)信號(hào)后，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組同時(shí)啟動(dòng)，首先達(dá)到額定電壓、頻率的發(fā)電機(jī)組開(kāi)始帶載，如果該機(jī)運(yùn)行正常，另一臺(tái)發(fā)電機(jī)組空載半小時(shí)后停機(jī)（空載后發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行）；如果帶載的發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)故障報(bào)警，另一臺(tái)發(fā)電機(jī)組自動(dòng)啟動(dòng)，啟動(dòng)成功后自動(dòng)切換帶載。

（8）發(fā)電機(jī)組連續(xù)100次啟動(dòng)試驗(yàn)無(wú)失敗。

 

四、柴發(fā)抗震試驗(yàn)

 

      以某核電工程核安全級(jí)柴油發(fā)電機(jī)組在 地震模擬振動(dòng)臺(tái)上的抗震試驗(yàn)為例，試驗(yàn)內(nèi)容分為兩個(gè)部分。一是發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性試驗(yàn)，用自噪聲隨機(jī)波沿X（南北向）、Y（東西向）、Z三個(gè)方向分別進(jìn)行連續(xù)激振，測(cè)定發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)三個(gè)方向的自振頻率以及阻尼比。二是發(fā)電機(jī)組抗震性能考核試驗(yàn)，抗震性能考核試驗(yàn)由5次OBE（運(yùn)行基準(zhǔn)地震）和一次SSE（安全停堆地震）地震波激振組成。地震考核試驗(yàn)采用的反應(yīng)譜為柴油發(fā)電機(jī)組機(jī)房標(biāo)高為0.0m樓層的加速度反應(yīng)譜對(duì)X、Y和Z三方向輸入的波形適當(dāng)放大10％，以保證臺(tái)面實(shí)際波形包絡(luò)試驗(yàn)要求的反應(yīng)譜。OBE人工地震波采用的是阻尼比ξ=2%的反應(yīng)譜，加速度幅值為生成地震波的0.65倍的人工地震波。SSE人工地震波則直接采用阻尼比ξ=4%的反應(yīng)譜所生成的人工地震波。試驗(yàn)時(shí)向三根優(yōu)選軸同時(shí)輸入激勵(lì)波，人工地震波應(yīng)有6個(gè)強(qiáng)周期波。人造地震加速度時(shí)程應(yīng)在包括樓板反應(yīng)譜的整個(gè)頻段為0.5～34Hz，持續(xù)時(shí)間為3。如果5Hz以下沒(méi)有共振點(diǎn)，則要求響應(yīng)譜在3.5Hz以上被包絡(luò)。

1、試驗(yàn)步驟

（1）設(shè)備的安裝

      安全級(jí)應(yīng)急發(fā)電機(jī)組樣機(jī)的底座和配套集成的控制柜和開(kāi)關(guān)柜分別通過(guò)連接鋼板，用螺栓固定在模擬地震振動(dòng)臺(tái)上。安全級(jí)應(yīng)急發(fā)電機(jī)組樣機(jī)及控制安裝。

（2）傳感器測(cè)點(diǎn)布置

      安全級(jí)應(yīng)急發(fā)電機(jī)組樣機(jī)上布置有10個(gè)三方向的加速度測(cè)點(diǎn)，共30個(gè)加速度計(jì)和3個(gè)單向變測(cè)點(diǎn)，共3個(gè)應(yīng)變計(jì)。其中，對(duì)于加速度測(cè)點(diǎn)，水箱頂部的A1測(cè)點(diǎn)X、Y、Z向分別是1、1.3通道；柴油機(jī)飛輪上方的A2測(cè)點(diǎn)X、Y、Z向分別是4、5、6通道；柴油機(jī)機(jī)體上部的A3測(cè)點(diǎn)X、Y、Z向分別是7、8、9通道；控制屏拉器上部的A4測(cè)點(diǎn)X、Y、Z向分別是10、11、12通道；控制屏頂部的AS測(cè)點(diǎn)X、Y、Z別是13、14、15通道；發(fā)電機(jī)后端中部的A6測(cè)點(diǎn)X、Y、Z向分別是16、17、18通道；根部的A7測(cè)點(diǎn)X、Y、Z向分別是19、20、21通道；開(kāi)關(guān)柜頂部的A8測(cè)點(diǎn)X、Y、Z向分別是22、、23、24通道；開(kāi)關(guān)安裝板上面的A9測(cè)點(diǎn)X、Y、Z向分別是25、26、27通道；振上的A1到分別是28、29、30通道。對(duì)于應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，控制屏根部的S點(diǎn)是1通道；機(jī)組根部的S2測(cè)點(diǎn)是2通道；開(kāi)關(guān)安裝板上面的S3測(cè)點(diǎn)是3通道。

（3）臺(tái)面輸入波形

      用自噪聲隨機(jī)波激振測(cè)自振頻率。自噪聲激振輸入分別以X、Y、Z3個(gè)方向輸人，頻率范圍為0.5～50Hz，激振幅值為0.2gg。為得到較高精度的測(cè)量值，激振持續(xù)時(shí)間為180s。聲信號(hào)經(jīng)處理得到試件結(jié)構(gòu)的自振特性。

      對(duì)振動(dòng)合合面輸人的地震波是按照業(yè)主提供的抗震試驗(yàn)程序中的反應(yīng)譜生成的。按要求OBE和SSE的反應(yīng)譜應(yīng)取所給不同阻尼比值的反應(yīng)譜并乘以適當(dāng)?shù)南禂?shù)。其中，OBE為所給幅值x0.65，取阻尼比為2％的反應(yīng)譜來(lái)生成；SSE為所給譜幅值x1，取阻尼比4％的反譜來(lái)生成。人造地震加速度時(shí)程應(yīng)包括樓板反應(yīng)譜的整個(gè)頻段0.5～34Hz，持續(xù)時(shí)間為30s。

（4）試驗(yàn)順序

      Y、Z三個(gè)方向分別以0.1～50Hz自噪聲隨機(jī)波輸入，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間為180s，幅值為0.2g，測(cè)量被測(cè)設(shè)備的自振頻率及阻尼比。被測(cè)發(fā)電機(jī)組在空載啟動(dòng)時(shí)須檢測(cè)其電氣性能。

2、試驗(yàn)合格判斷

（1）所進(jìn)行試驗(yàn)的發(fā)電機(jī)組設(shè)備在人工地震振動(dòng)過(guò)程中應(yīng)處于良好的可運(yùn)行狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)連接件無(wú)松動(dòng)脫落，各焊接部位牢固無(wú)裂紋。試驗(yàn)樣機(jī)無(wú)漏油、漏水漏氣，電氣線路布線整齊，連接性能良好。

（2）在第五次OBE和第一次SSE地震考核試驗(yàn)時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行空載啟動(dòng)。發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)組的電壓、頻率等運(yùn)行參數(shù)，發(fā)電機(jī)組應(yīng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)建立穩(wěn)定的電壓和頻率。

（3）抗震試驗(yàn)結(jié)束后必須對(duì)機(jī)組進(jìn)行最終檢驗(yàn)，應(yīng)對(duì)設(shè)備的外型、結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行測(cè)試和檢查，并與試驗(yàn)前的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)相比，以證明設(shè)備在地震后的完整性、功能性和可運(yùn)行性，必要時(shí)可拆卸檢查。

（4）安全級(jí)柴油發(fā)電機(jī)組的抗震試驗(yàn)受到振動(dòng)臺(tái)設(shè)備能力的限制，目前只能做2000kW以下功率段機(jī)組的試驗(yàn)，2000kW以上功率段機(jī)組的抗震鑒定只能通過(guò)分析計(jì)算來(lái)進(jìn)行，但分析計(jì)算的軟件必須是可靠的，有足夠的精確度的，且得到有關(guān)核安全監(jiān)管部門的認(rèn)可。

      地震模擬振動(dòng)臺(tái)上的抗震試驗(yàn)為破壞性試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)抗震試驗(yàn)的設(shè)備一般不應(yīng)作為產(chǎn)品安裝于核電站，除非能證明由于抗震鑒定試驗(yàn)所帶來(lái)的累計(jì)的應(yīng)力循環(huán)所引起的疲勞不會(huì)使設(shè)備降級(jí)，影響其履行安全功能的能力。

 

總結(jié)：

      康明斯公司供應(yīng)核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組，機(jī)組功率范圍從500KW~2200KW。柴油機(jī)是核電站安保發(fā)電機(jī)組的重要組成部分。當(dāng)確保快速啟動(dòng)和高可靠性時(shí)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)一直是技術(shù)首選，在核電站，這沒(méi)有什么不同。現(xiàn)代應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組性能優(yōu)越、可靠性高，在同類產(chǎn)品中具有輸出功率大、效率高、低燃油消耗、加速和帶載啟動(dòng)快、易維護(hù)保養(yǎng)、環(huán)保、震動(dòng)小、低噪音等優(yōu)點(diǎn)。其卓越的品質(zhì)和出色的表現(xiàn)贏得了世界各地用戶的信任和認(rèn)可。作為具有豐富經(jīng)驗(yàn)的電站EPC承包商，康明斯公司可根據(jù)用戶的要求對(duì)電站的交鑰匙工程提供完美的服務(wù)。

 

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