何孝園，朱鵬樹(shù)，李大偉，周 舟，吳 濤

(1. 大亞灣核電運(yùn)營(yíng)管理有限責(zé)任公司，廣東 深圳 518124；2. 中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518031)

核電廠(chǎng)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組修改試驗(yàn)啟動(dòng)方式的分析和討論

何孝園1，朱鵬樹(shù)1，李大偉1，周 舟2,*，吳 濤2

(1. 大亞灣核電運(yùn)營(yíng)管理有限責(zé)任公司，廣東 深圳 518124；2. 中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518031)

本文分析了國(guó)內(nèi)外關(guān)于核電廠(chǎng)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組(Emergency Diesel Generator Set，簡(jiǎn)稱(chēng)EDG)定期試驗(yàn)啟動(dòng)方式的相關(guān)研究以及最新的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。對(duì)國(guó)內(nèi)核電廠(chǎng)在EDG定期試驗(yàn)中使用慢啟動(dòng)的方式進(jìn)行了必要性分析。為EDG定期試驗(yàn)啟動(dòng)方式提供了一種改進(jìn)方案，并對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，為核電廠(chǎng)的相關(guān)改進(jìn)提供了參考。

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組；定期試驗(yàn)；啟動(dòng)方式

1 背景介紹

1.1 EDG介紹

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組是核電廠(chǎng)的重要后備電源設(shè)備，為核電廠(chǎng)安全停堆所需的中低壓核輔助設(shè)備供電；還可防止由于外部交流電源喪失而導(dǎo)致重要設(shè)備損壞[1]。為保證中低壓核輔助設(shè)備供電的可靠性，緊急情況下，EDG須在啟動(dòng)信號(hào)發(fā)出后極短的時(shí)間內(nèi)(一般為十秒至幾十秒)完成啟動(dòng)(快啟動(dòng))并達(dá)到額定轉(zhuǎn)速和額定電壓[2]。

1.2 柴油機(jī)啟動(dòng)方式介紹

依據(jù)啟動(dòng)所使用的能量來(lái)源劃分，柴油機(jī)有多種不同的啟動(dòng)方式，常見(jiàn)的有人力啟動(dòng)、電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、壓縮空氣啟動(dòng)和輔助發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。人力啟動(dòng)適用于小型柴油機(jī)，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、壓縮空氣啟動(dòng)適用于中型和大型柴油機(jī)，輔助發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)一般用于大型工程車(chē)。除秦山核電站外，國(guó)內(nèi)核電廠(chǎng)EDG的現(xiàn)有啟動(dòng)方式基本為壓縮空氣啟動(dòng)，核電廠(chǎng)內(nèi)的其他柴油機(jī)部分采用了電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式。

依據(jù)啟動(dòng)前的狀態(tài)不同，柴油機(jī)的啟動(dòng)方式可以分為“干啟動(dòng)”和“濕啟動(dòng)”兩種。

(1)“干啟動(dòng)”即為柴油機(jī)啟動(dòng)前，冷卻水和潤(rùn)滑油未經(jīng)預(yù)熱，軸承、連桿等轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備未經(jīng)潤(rùn)滑，柴油機(jī)即啟動(dòng)。這種啟動(dòng)方式會(huì)造成柴油機(jī)部件急劇摩擦，可能導(dǎo)致拉缸、燒瓦等故障，嚴(yán)重影響柴油發(fā)電機(jī)組的壽命和可靠性。

(2)“濕啟動(dòng)”即為柴油機(jī)啟動(dòng)前，冷卻水和潤(rùn)滑油都經(jīng)過(guò)了預(yù)熱，盤(pán)車(chē)電機(jī)(小柴油機(jī)為手動(dòng))帶動(dòng)柴油機(jī)的飛輪旋轉(zhuǎn)一段時(shí)間，軸承、連桿等所有轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備都經(jīng)過(guò)了充分的潤(rùn)滑，柴油機(jī)才啟動(dòng)。這種啟動(dòng)方式對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組壽命和可靠性的影響是最低的。

1.3 EDG定期試驗(yàn)介紹及現(xiàn)有啟動(dòng)方式

按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，為驗(yàn)證EDG的可用性和各項(xiàng)指標(biāo)性能，應(yīng)進(jìn)行定期試驗(yàn)[3]。

定期試驗(yàn)是指在核電廠(chǎng)的整個(gè)壽期內(nèi)按照確定的周期和方法進(jìn)行的定期檢驗(yàn)，其目的是確保在執(zhí)行安全功能中使用的設(shè)備的性能與其設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)定數(shù)值的一致性。

EDG定期試驗(yàn)包含低功率試驗(yàn)和滿(mǎn)功率試驗(yàn)兩種，低功率試驗(yàn)通過(guò)切斷正常電源帶廠(chǎng)用負(fù)荷進(jìn)行；滿(mǎn)功率試驗(yàn)通過(guò)與廠(chǎng)外電源并網(wǎng)后進(jìn)行。國(guó)內(nèi)壓水堆核電廠(chǎng)EDG定期試驗(yàn)的具體內(nèi)容略有差異，但主要試驗(yàn)項(xiàng)目基本一致。

核電廠(chǎng)的特殊性對(duì)EDG的柴油機(jī)提出了快速啟動(dòng)的要求，其試驗(yàn)也分為快啟動(dòng)試驗(yàn)和慢啟動(dòng)試驗(yàn)。

(1)慢啟動(dòng)試驗(yàn)：證明EDG從備用條件下正常啟動(dòng)的能力，并驗(yàn)證達(dá)到了要求的設(shè)計(jì)電壓和頻率。機(jī)組宜按預(yù)先選擇的，能使應(yīng)力和磨損降到最低程度的時(shí)序達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。

(2)快啟動(dòng)試驗(yàn)：證明每臺(tái)EDG從備用條件(如果核電廠(chǎng)有正常運(yùn)行預(yù)熱系統(tǒng)，這也是其備用條件)下啟動(dòng)，驗(yàn)證EDG的電壓和頻率能按核電廠(chǎng)技術(shù)規(guī)格書(shū)的要求在可接受的時(shí)間內(nèi)達(dá)到可接受的限值內(nèi)。

2 國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求

通過(guò)搜索IAEA、中國(guó)、美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)發(fā)布的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，共有8個(gè)與EDG定期試驗(yàn)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，見(jiàn)表1[4-8]：

表1 EDG定期試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范列表 Table 1 Related standards and criteria of EDG period experiment

注：HAD：中華人民共和國(guó)核安全導(dǎo)則；GB/T:推薦性中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)RCC-E:核島電氣設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則；KTA:德國(guó)核安全標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)；IEEE：美國(guó)電氣與電子工程師學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)；EJ/T:推薦性中國(guó)核工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；NS-G：核安全導(dǎo)則；NRC RG:美國(guó)核管理委員會(huì)管理導(dǎo)則

據(jù)表1內(nèi)容可見(jiàn)，EJ/T 625、IEEE-387、NS-G-1.8、NRC RG1.9共計(jì)4個(gè)對(duì)EDG定期試驗(yàn)啟動(dòng)方式有要求的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范均建議或要求EDG柴油機(jī)在定期試驗(yàn)中多采用慢啟動(dòng)試驗(yàn)。

3 柴油機(jī)快啟動(dòng)存在的問(wèn)題

EDG定期試驗(yàn)首先要啟動(dòng)柴油機(jī)。國(guó)內(nèi)核電廠(chǎng)EDG的柴油機(jī)現(xiàn)行均采用快啟動(dòng)。

二十世紀(jì)80年代，NRC及眾多核電廠(chǎng)已開(kāi)始對(duì)EDG的老化進(jìn)行研究。結(jié)果表明頻繁的快啟動(dòng)是導(dǎo)致EDG老化及可靠性下降的主要原因之一。為此，1984年NRC針對(duì)提升與保持核電廠(chǎng)EDG可靠性所發(fā)布的新規(guī)明確指出：鑒于EDG在喪失廠(chǎng)外電源時(shí)的作用，核電廠(chǎng)應(yīng)保證EDG的可靠性，NRC將在必要時(shí)評(píng)價(jià)核電廠(chǎng)在減少EDG的快啟動(dòng)定期試驗(yàn)、跟蹤EDG的可靠性數(shù)據(jù)及制定提高EDG可靠性的計(jì)劃等方面的工作。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例分析

2013年，國(guó)內(nèi)某核電站現(xiàn)場(chǎng)維修人員按計(jì)劃更換EDG中間小齒輪的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)B列凸輪軸推力瓦存在異常發(fā)黑情況，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)B列凸輪軸推力端軸承異常，軸承襯套無(wú)法正常拆卸。在將B列凸輪軸整體拆卸后，對(duì)推力軸承階梯檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，推力端徑向軸承已損壞。

該核電站在此次事件調(diào)查后發(fā)現(xiàn)：(1)同一批次的軸瓦安裝后未出現(xiàn)大量故障；(2)更換軸瓦安裝后潤(rùn)滑功能無(wú)異常；(3)此類(lèi)事件在國(guó)內(nèi)核電廠(chǎng)多次發(fā)生；(4)記錄顯示，受損軸瓦安裝前廠(chǎng)家和現(xiàn)場(chǎng)維修人員都進(jìn)行了檢測(cè)，未見(jiàn)異常。

初步分析認(rèn)為此次事件與工作環(huán)境有關(guān)。

3.2 美國(guó)核電廠(chǎng)的做法

NRC RG1.9要求EDG的月度啟動(dòng)試驗(yàn)應(yīng)按“預(yù)先所確定的產(chǎn)生最小磨損與沖擊的步驟慢速啟動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速的試驗(yàn)方式”進(jìn)行，即采用慢啟動(dòng)試驗(yàn)方式。隨后，通過(guò)對(duì)已修改了定期試驗(yàn)啟動(dòng)方式的EDG柴油機(jī)進(jìn)行跟蹤調(diào)查，性能數(shù)據(jù)表明這一改進(jìn)對(duì)柴油機(jī)的可靠性產(chǎn)生了積極影響。相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 美國(guó)核電廠(chǎng)EDG性能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Fig.1 Performance data of EDG in United States

3.3 法國(guó)核電廠(chǎng)的做法

目前法國(guó)國(guó)家電力公司(EDF)已將其EDG一月一次的快啟動(dòng)試驗(yàn)改為：交替進(jìn)行的兩月一次的快啟動(dòng)試驗(yàn)及兩月一次的啟動(dòng)打油膜試驗(yàn)。

3.4 IAEA的建議

2002年，IAEA對(duì)嶺澳Ⅰ期核電站進(jìn)行“預(yù)運(yùn)行安全評(píng)估”后，認(rèn)為EDG定期試驗(yàn)過(guò)于頻繁，一月一次的快啟動(dòng)試驗(yàn)將對(duì)EDG柴油機(jī)的可靠性造成負(fù)面影響，建議盡量減少EDG的快啟動(dòng)次數(shù)(認(rèn)為快啟動(dòng)應(yīng)該每個(gè)大修才做一次)，以降低定期試驗(yàn)對(duì)柴油機(jī)的老化效應(yīng)，延長(zhǎng)其使用壽命并提升其可靠性。

NS-G-1.8中明確建議核電廠(chǎng)EDG在試驗(yàn)中盡量采用慢啟動(dòng)的方式。

3.5 柴油機(jī)啟動(dòng)的時(shí)間要求

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，各國(guó)壓水堆核電廠(chǎng)對(duì)于柴油機(jī)啟動(dòng)時(shí)間的要求不完全一樣，見(jiàn)表2[9]。

表2 各國(guó)壓水堆核電廠(chǎng)要求啟動(dòng)時(shí)間列表

據(jù)經(jīng)驗(yàn)反饋，法國(guó)EDF核電廠(chǎng)EDG柴油機(jī)早期規(guī)定的啟動(dòng)時(shí)間為10s，試驗(yàn)期間經(jīng)常出現(xiàn)拉缸問(wèn)題，后來(lái)論證將規(guī)范的啟動(dòng)時(shí)間從10s延長(zhǎng)到了15s，拉缸問(wèn)題出現(xiàn)了明顯的改善。

4 快啟動(dòng)致柴油機(jī)加速老化的根本原因分析

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有EDG柴油機(jī)機(jī)型均由船用柴油機(jī)改進(jìn)而來(lái)，國(guó)外也基本如此。一般船用柴油機(jī)無(wú)預(yù)熱和預(yù)潤(rùn)滑系統(tǒng)，但柴油機(jī)啟動(dòng)前要求充分預(yù)熱和預(yù)潤(rùn)滑，所以一般船用柴油機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)。船用柴油機(jī)在啟動(dòng)前都會(huì)盤(pán)車(chē)。盤(pán)車(chē)的目的之一是為柴油機(jī)的各種運(yùn)動(dòng)部件建立油膜，防止由于柴油機(jī)啟動(dòng)前，軸承、連桿等轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備未經(jīng)潤(rùn)滑而造成急劇摩擦，導(dǎo)致拉缸、燒瓦等嚴(yán)重故障[10]。

核電廠(chǎng)EDG雖然有一整套預(yù)熱和預(yù)潤(rùn)滑系統(tǒng)，但預(yù)潤(rùn)滑是在柴油機(jī)未啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行的，此時(shí)柴油機(jī)的各種運(yùn)動(dòng)部件均處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，潤(rùn)滑油無(wú)法進(jìn)入軸承和連桿，不能建立油膜。同時(shí)，為滿(mǎn)足快啟動(dòng)的要求，啟動(dòng)空氣的壓力較大(國(guó)內(nèi)機(jī)組一般為40bar.g)，在柴油機(jī)啟動(dòng)瞬間，軸承和連桿會(huì)承受巨大的啟動(dòng)沖擊力。雖然EDG已經(jīng)預(yù)熱，但重要運(yùn)動(dòng)部件均未形成油膜，將造成重要運(yùn)動(dòng)部件急劇摩擦，易導(dǎo)致拉缸、燒瓦等故障。相關(guān)研究已經(jīng)證實(shí)，這種啟動(dòng)方式會(huì)對(duì)柴油機(jī)的壽命和可靠性造成嚴(yán)重影響[11]。

就以上分析結(jié)論與國(guó)內(nèi)的幾個(gè)大型柴油機(jī)廠(chǎng)家進(jìn)行溝通，對(duì)方均表示認(rèn)同。

美國(guó)核電運(yùn)營(yíng)學(xué)會(huì)(INPO)的相關(guān)文件也指出：在EDG柴油機(jī)快速加速和帶載期間，無(wú)法在機(jī)組內(nèi)部建立有效的熱力平衡，會(huì)導(dǎo)致在缸體或曲軸箱產(chǎn)生很高的機(jī)械和熱應(yīng)力，從而引起引擎結(jié)構(gòu)變形。這些變形會(huì)相應(yīng)地導(dǎo)致金屬與金屬間的接觸(刮擦)，加速部件的磨損。刮擦還有可能會(huì)帶來(lái)非常高的溫度，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致曲軸箱炸裂。

在此，建議國(guó)內(nèi)各核電廠(chǎng)盡快改進(jìn)EDG定期試驗(yàn)的啟動(dòng)方式[12]。以下將給出一種改進(jìn)方案供參考。

5 EDG慢啟動(dòng)改進(jìn)方案

5.1 盤(pán)車(chē)電機(jī)改進(jìn)方案

大型汽輪機(jī)一般都裝有盤(pán)車(chē)電機(jī)，其目的之一是在汽輪機(jī)啟機(jī)前在主軸和軸瓦之間建立油膜，避免主軸和軸瓦之間產(chǎn)生“干磨”的現(xiàn)象。這與船用柴油機(jī)啟動(dòng)前進(jìn)行盤(pán)車(chē)的目的基本相同。本改進(jìn)方案將在合適的位置為柴油機(jī)增加盤(pán)車(chē)電機(jī)，如圖2所示。

圖2 盤(pán)車(chē)電機(jī)安裝位置示意圖Fig.2 Installation position for turning motor

本方案中，盤(pán)車(chē)電機(jī)選用普通工業(yè)產(chǎn)品，其啟動(dòng)方式為手動(dòng)，出現(xiàn)EDG啟動(dòng)信號(hào)后自動(dòng)停機(jī)。盤(pán)車(chē)電機(jī)的傳動(dòng)齒輪為單向傳動(dòng)齒輪，防止柴油機(jī)帶動(dòng)盤(pán)車(chē)電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)的情況。盤(pán)車(chē)電機(jī)與齒輪間的傳動(dòng)使用電磁式離合器，失電時(shí)斷開(kāi)，地震情況下不會(huì)影響離合器機(jī)械機(jī)構(gòu)的分離。盤(pán)車(chē)電機(jī)和電磁離合器的控制信號(hào)為1E級(jí)[13]。

5.2 盤(pán)車(chē)電機(jī)改進(jìn)方案失效概率計(jì)算

本方案中，力的傳遞方式如圖3所示。

圖3 力的傳遞方式示意圖Fig.3 Transmission way of power

本方案的失效模式為：?jiǎn)蜗騻鲃?dòng)齒輪失效疊加電磁離合器失效后，柴油機(jī)帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。即單向傳動(dòng)齒輪和電磁離合器二者均失效。如下圖所示：

圖4 失效模式示意圖Fig.4 Failure mode

電磁離合器由繼電器控制，由于地震情況不會(huì)影響離合器機(jī)械機(jī)構(gòu)的解開(kāi)，失效模式為繼電器失效，其概率(參考文獻(xiàn)[14])取保守值10-5。單向傳動(dòng)齒輪的失效概率暫無(wú)數(shù)據(jù)，參考較高可靠度漸開(kāi)線(xiàn)圓柱齒輪的失效概率[15](文獻(xiàn)中給定高可靠度漸開(kāi)線(xiàn)圓柱的失效概率為0.01%，較高可靠度漸開(kāi)線(xiàn)圓柱齒輪的失效概率為0.1%)，取(保守值)0.1%。失效概率P=λ1·λ2,其中繼電器失效概率λ1=10-5，單向齒輪失效概率λ2=1×10-3。故本方案的失效概率為1×10-8。

5.3 數(shù)據(jù)對(duì)比

本方案的失效概率與核電廠(chǎng)堆熔概率和EDG失效概率的對(duì)比見(jiàn)表3[16]：

表3 失效概率對(duì)比表Table 3 Failure probability comparison

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本方案的失效概率遠(yuǎn)低于法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中要求的EDG失效概率，同時(shí)也低于核電廠(chǎng)的堆熔概率。

6 改進(jìn)方案安全分析

盤(pán)車(chē)電機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用單向齒輪，不會(huì)影響柴油機(jī)的出力，盤(pán)車(chē)電機(jī)的控制電源和信號(hào)均為1E級(jí)，在EDG柴油機(jī)啟動(dòng)后自動(dòng)退出運(yùn)行。因此改進(jìn)方案不會(huì)對(duì)EDG產(chǎn)生不利影響。

本方案的缺點(diǎn)是安裝需要的空間較大，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)改動(dòng)較大。

7 總結(jié)

EDG的設(shè)計(jì)讓柴油機(jī)具備了緊急啟動(dòng)的能力，但并不代表這種啟動(dòng)方式對(duì)柴油機(jī)就沒(méi)有損害。和其他發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，良好的潤(rùn)滑對(duì)維護(hù)和保持設(shè)備的良好狀態(tài)有至關(guān)重要的作用。廠(chǎng)家提供的說(shuō)明書(shū)強(qiáng)調(diào)：在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中如果柴油機(jī)失去潤(rùn)滑超過(guò)數(shù)秒后，柴油機(jī)將損壞。

EDG定期試驗(yàn)中采用慢啟動(dòng)的方式可以明顯降低其老化速率并提升其可靠性，該結(jié)論已被國(guó)內(nèi)外的多個(gè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)支持。本文從這一觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合核電廠(chǎng)EDG的特性，提出了改進(jìn)方案，并估算了方案的失效概率，經(jīng)計(jì)算低于核電廠(chǎng)的堆熔概率，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中要求的EDG失效概率0.01?？蔀楹穗姀S(chǎng)EDG定期試驗(yàn)柴油機(jī)啟動(dòng)方式的改進(jìn)提供參考。

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AnalysisandArgumentationaboutStart-upMeansforPeriodicTestofEDGinNPP

HE Xiaoyuan1，ZHU Pengshu1，LI Dawei1，ZHOU Zhou2,*，WU Tao2

(1. Daya Bay Nuclear Power Operations and Management Co. Ltd., Shen Zheng 518124, China；2. China Nuclear Power Technology Research Institute, Shen Zheng 518031, China)

The related investigations and the latest standard and criterion of start-up means for periodic test of EDG in nuclear power plant (NPP) were analyzed. The necessity for the adoption of slow start-up means during periodic test of EDG in domestic NPP was demonstrated. A modification method was brought forward, its venture was analyzed. This provided an important reference for the related modification in NPP.

Emergency Diesel Generator Set (EDG)；periodic test；start-up means

TL421+.1

：A

： 1672- 5360(2017)02- 0080-05

2016- 11- 01

2017- 04- 19

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：2011AA040201

何孝園(1986— )，男，江蘇淮安人，工程師，工程學(xué)士，儀表與控制專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)主要從事核電廠(chǎng)儀控系統(tǒng)改造工作

*通訊作者:周 舟，E-mai