楊發(fā)慧,張玉興,劉 榮,周莉娜,楊 浩

(陜西柴油機(jī)重工有限公司,陜西 西安 710077)

近年來伴隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,全社會(huì)用電總量不斷攀升,用電高峰季節(jié)電量短缺的情況時(shí)有發(fā)生,同時(shí)由于多種原因的影響,國內(nèi)大氣污染現(xiàn)象嚴(yán)重,嚴(yán)重影響國民身體健康,因此,大量發(fā)展清潔核電能源是保障我國能源供給,維護(hù)社會(huì)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。2014年,公司簽訂了福清核電站 “華龍一號(hào)”全球首堆示范工程的EDG供貨合同,機(jī)組功率8 000 k W,公司選用12PC2-6B型柴油機(jī)作為原動(dòng)機(jī)開展EDG研制工作。

1 柴油機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 柴油機(jī)選型

“華龍一號(hào)”反應(yīng)堆型要求EDG持續(xù)電功率為8 000 k W,結(jié)合項(xiàng)目現(xiàn)場的環(huán)境條件,初步選用12PC2-6B柴油機(jī)作為原動(dòng)機(jī),根據(jù)技術(shù)文件對(duì)該機(jī)型進(jìn)行功率修正[1],現(xiàn)場環(huán)境條件下的柴油機(jī)機(jī)械功率修正公式為:

式中:P現(xiàn)場——現(xiàn)場條件下的柴油機(jī)機(jī)械功率,k W;

PISO——標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的柴油機(jī)機(jī)械功率,k W,PISO＝720(單缸功率)×12＝8 640 k W;

式 中:T1——現(xiàn) 場 最 大 環(huán) 境 溫 度,℃,T1＝42℃;

Teau——空冷器冷 卻水進(jìn) 口 溫 度,℃,Teau＝48℃。

式中:h——海拔高度,m。

其中,如果P0＞95 k Pa,則取P0＝95 k Pa。

故α＝1－0.38×10－2(42－45)－0.33×10－2(48－32)－0.74×10－2(95－95)＝0.958 6;

式中:∑ΔP＝|ΔP1|＋|ΔP5|/1.5

ΔP1＜1.5 k Pa(進(jìn)氣背壓),ΔP5＜2.5 k Pa(排氣背壓)

可知∑ΔP＜4 k Pa,則β取值為1。

綜上,P現(xiàn)場＝8 640×0.958 6×1＝8 282 k W

則現(xiàn)場條件下的柴油發(fā)電機(jī)組電功率為:

式中:η——發(fā)電機(jī)效率,η＝0.973

故P＝8 282 k W×0.973＝8 058 k W＞8 000 k W

從計(jì)算結(jié)果看,選用12PC2-6B型柴油機(jī)作為應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組原動(dòng)機(jī)可滿足功率要求 (見圖1)。

圖1 12PC2-6B型柴油機(jī)剖視圖Fig.1 The cutaway view of 12PC2-6B diesel engine

1.2 機(jī)身研制

12PC2-6B柴油機(jī)機(jī)身外型尺寸:長×寬×高＝5 487 mm×2 947 mm×1 845 mm。如圖2所示。

圖2 12PC2-6B柴油機(jī)機(jī)身Fig.2 12PC2-6B diesel engine casing

缸孔中心距740 mm,缸孔V型夾角為45°,A、B排缸孔中心距125 mm;缸孔外側(cè)為凸輪軸腔,最小壁厚25 mm;底腳板部位寬度1 694 mm,厚度為200 mm;整個(gè)鑄件輪廓尺寸大,壁厚相差懸殊,內(nèi)外結(jié)構(gòu)復(fù)雜,毛坯重量為35 t。

技術(shù)要求如下:

1)材質(zhì):QT400-15 A(GB/T 1348-2009)或EN-GJS-400-15 U(EN1563-2011);

2)機(jī)械性能:抗拉強(qiáng)度≥390 MPa,屈服強(qiáng)度≥250 MPa,延伸率≥14%,布氏硬度:130～185 HBW;

3)基體組織結(jié)構(gòu):鐵素體≥90%,石墨形態(tài):Ⅴ＋Ⅵ≥90%;

4)尺寸:4～6級(jí);

5)化學(xué)成分:P≤0.1%,S≤0.02%,Ti≤0.02%。

從機(jī)身的技術(shù)要求、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來看,機(jī)身鑄造主要難點(diǎn)在于:

1)尺寸超差:機(jī)身外型尺寸大,內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,尺寸精度要求高,對(duì)工裝、模具的保障系數(shù)要求高;

2)質(zhì)量要求高:容易產(chǎn)生縮孔、縮松、夾渣、夾砂、氧化夾渣等缺陷;

3)機(jī)身澆注重量大,需兩包鐵水,澆注過程時(shí)間長,易出現(xiàn)球化和孕育衰退,按傳統(tǒng)工藝方法生產(chǎn),很難達(dá)到文件要求的球化率。

通過采用缸孔面朝下的工藝方案,設(shè)計(jì)合理可行的澆注方案、采用底注式開放性澆注系統(tǒng),內(nèi)澆道分散注入,減小金屬液對(duì)鑄型沖擊力;充型平穩(wěn),機(jī)身的缸孔、凸輪軸、主軸承等重要部位的補(bǔ)縮和整個(gè)型腔的排氣通暢,有利于保證澆注質(zhì)量;機(jī)身底腳板、主體坭芯之間設(shè)計(jì)冒口,提供機(jī)身液態(tài)補(bǔ)縮和部分凝固補(bǔ)縮,并配合適當(dāng)?shù)墓に嚴(yán)滂F,有效消除了縮孔、縮松缺陷,保證了整個(gè)機(jī)身的內(nèi)部質(zhì)量。

通過采用優(yōu)質(zhì)生鐵,合理確定生鐵、各種原材料配料及原鐵水化學(xué)成分。選用高質(zhì)量球化劑及孕育劑,設(shè)計(jì)延長球化及孕育反應(yīng)時(shí)間的裝置,制定有效的球化和孕育工藝,延長球化及孕育反應(yīng)的時(shí)間,多包澆注并合理分配鐵水重量及把握最佳孕育時(shí)機(jī),防止球化和孕育衰退,保證了球化及孕育效果,從而達(dá)到了技術(shù)文件對(duì)機(jī)身球化率的要求。

2 發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

EDG是為核電廠提供應(yīng)急電源的設(shè)備,發(fā)電機(jī)在規(guī)定的環(huán)境條件和地震載荷下,在規(guī)定的事故期間和事故后都能安全、可靠地啟動(dòng)和運(yùn)行。發(fā)電機(jī)選用無刷交流同步發(fā)電機(jī),遵循IEC60034標(biāo)準(zhǔn),RCC-E標(biāo)準(zhǔn)及ISO標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)電機(jī)采用自帶風(fēng)扇的風(fēng)冷式冷卻,內(nèi)部裝有防冷凝電加熱器,發(fā)電機(jī)安裝一套軸承,軸承采用自潤滑方式,軸承上裝有鉑電阻溫度傳感器。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)采用無刷勵(lì)磁方式,由一個(gè)旋轉(zhuǎn)主勵(lì)磁機(jī)和一個(gè)安裝在主發(fā)電機(jī)軸上的永磁式發(fā)電機(jī) (PMG)組成。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)在自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器 (AVR)的控制下運(yùn)行,AVR系統(tǒng)在孤島模式和并網(wǎng)模式下均可使用。

3 機(jī)組軸系設(shè)計(jì)

機(jī)組軸系設(shè)計(jì)是保證機(jī)組正常運(yùn)行的關(guān)鍵步驟,因軸系設(shè)計(jì)不合理而導(dǎo)致軸系扭轉(zhuǎn)應(yīng)力過大損壞軸系的事例已屢見不鮮。柴油機(jī)是一種往復(fù)式機(jī)械設(shè)備,曲軸承受一個(gè)周期性激振力矩,該力矩是軸系發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的能量來源。軸系按激振的頻率進(jìn)行強(qiáng)制振動(dòng),當(dāng)強(qiáng)制振動(dòng)的頻率與軸系固有頻率相同時(shí)就會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象,當(dāng)軸系的應(yīng)力超過曲軸許用應(yīng)力時(shí)可能會(huì)發(fā)生曲軸斷裂事故。而應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組要求在短時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)并迅速加載,對(duì)軸系的沖擊更大。

12PC2-6B機(jī)組的柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)采用剛性連接,無聯(lián)軸器,對(duì)整個(gè)軸系進(jìn)行扭振應(yīng)力計(jì)算,結(jié)果見表1。

表1 自由振動(dòng)計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results of rree vibration

機(jī)組軸系強(qiáng)迫振動(dòng)的計(jì)算是在頻域下采用解析法進(jìn)行,分為正常發(fā)火和單缸熄火兩種情況(見表2)。

表2 強(qiáng)迫振動(dòng)計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of forced vibration

通過計(jì)算得知,該機(jī)組在正常發(fā)火和單缸熄火的狀態(tài)下,曲軸的應(yīng)力都低于規(guī)定的許用應(yīng)力。

4 機(jī)組隔振設(shè)計(jì)

根據(jù)技術(shù)要求,機(jī)組需要進(jìn)行隔振,機(jī)組振幅小于0.5 mm[2]。因此,對(duì)該機(jī)組進(jìn)行隔振設(shè)計(jì),機(jī)組使用彈簧阻尼隔振器安裝在基礎(chǔ)上。通過分析機(jī)組隔振系統(tǒng)的固有特性,計(jì)算固有頻率及振型,避免激勵(lì)力頻率達(dá)到固有頻率而產(chǎn)生共振。計(jì)算各階模態(tài)下的阻尼比,進(jìn)一步校對(duì)各階模態(tài)對(duì)于機(jī)組振動(dòng)的貢獻(xiàn)量以及隔振系統(tǒng)的隔振效率。計(jì)算各個(gè)轉(zhuǎn)速下機(jī)組質(zhì)心的振動(dòng)響應(yīng)情況以及減震器安裝點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)情況[3]。EDG隔振計(jì)算坐標(biāo)系的選擇如圖3所示。

圖3 12PC2-6B EDG隔震計(jì)算坐標(biāo)系Fig.3 12PC2-6B EDGisolators coor dinates

把柴油機(jī)與發(fā)電機(jī)看成整體質(zhì)量,剛性安裝在筏架上,筏架與基礎(chǔ)之間有24個(gè)減震器,6個(gè)阻尼器,以xoz平面呈對(duì)稱分布。質(zhì)量質(zhì)心以及各減震器、阻尼器參數(shù)如表3所示。

表3 質(zhì)量參數(shù)Table 3 Quality par ameters

表4 隔震參數(shù)Table 4 Isolation parameters

(1)模態(tài)分析

該隔振系統(tǒng)有6個(gè)自由度,即沿3個(gè)坐標(biāo)軸的平動(dòng)x、y、z,繞3個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)α、β、γ。如表5所示。

表5 模態(tài)分析結(jié)果Table 5 Modal analysis results

續(xù)表

(2)機(jī)組響應(yīng)

柴油機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為600 r/min,額定功率為8 640 k W。在額定轉(zhuǎn)速下的激勵(lì)力分別為:

在各個(gè)轉(zhuǎn)速下的力和力矩為:F＝ (N/Nn)/Fn,式中F為各轉(zhuǎn)速下的力與力矩;N為轉(zhuǎn)速,Nn為額定轉(zhuǎn)速;Fn為額定轉(zhuǎn)速下的力與力矩。

(3)機(jī)組總體質(zhì)心響應(yīng)

不同轉(zhuǎn)速下機(jī)組質(zhì)心響應(yīng)如圖4、圖5所示。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下機(jī)組質(zhì)心沿坐標(biāo)軸三個(gè)方向的位移Fig.4 Forced vibrations-Genset COG-displacements

圖5 不同轉(zhuǎn)速下機(jī)組質(zhì)心繞坐標(biāo)軸三個(gè)方向的角位移Fig.5 Forced vibrations-Genset COG-angular displace ment

(4)2號(hào)、23號(hào)減震器響應(yīng)

根據(jù)隔振計(jì)算結(jié)果,機(jī)組在300～600 r/min過程中,機(jī)組的振動(dòng)遠(yuǎn)小于技術(shù)規(guī)范要求。如圖6、圖7所示。

圖6 2號(hào)減震器安裝點(diǎn)沿坐標(biāo)軸三個(gè)方向的位移Fig.6 Forced vibrations-mount No．2-displace ments

圖7 23號(hào)減震器安裝點(diǎn)沿坐標(biāo)軸三個(gè)方向的位移Fig.7 Forced vibrations-mount No．23-displacements

5 公共底座設(shè)計(jì)

該應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組公共底座外形尺寸 (L×W×H)為11 883 mm×4 050 mm×1 390 mm,總重量42.3 t。

公共底座整體采用雙層框架式結(jié)構(gòu)。該底座支承部分由4個(gè)大型工字鋼組成,同時(shí)在其底部及兩邊輔以同樣型號(hào)的三種短型型鋼 (見圖8部件3)和鋼板 (見圖8部件2)予以結(jié)構(gòu)加強(qiáng),構(gòu)成整個(gè)底座最重要的承壓部分。設(shè)計(jì)完成后,需要按照ASME III NF分卷要求校核承壓部件在最大載荷組合下的力學(xué)性能。

柴油機(jī)安裝在兩塊95 mm厚的鋼板 (見圖9部件12)上,柴油機(jī)的安裝平面與工字鋼平面之間采用兩塊立板連接,在其兩邊和內(nèi)部各有筋板 (見圖9部件11)對(duì)其進(jìn)行加固,以工字鋼上平面為基準(zhǔn)使用鋼板焊接,使其與四周形成一個(gè)封閉的空間,則為柴油機(jī)的油底殼。

圖8 公共底座側(cè)視圖Fig.8 Side elevation of the pedestal

圖9 公共底座軸視圖Fig.9 Axial view of the pedestal

油底殼外側(cè)分別有兩塊立板,支撐兩塊厚70 mm厚的平板,這兩塊平板同自由端的平板用于安裝阻尼器、隔振器、滑油自凈式濾器、燃油自凈式濾器以及管道支架,簡化外部管道設(shè)計(jì),其與下底板之間均有筋板加強(qiáng)。

6 機(jī)組抗地震計(jì)算

按IEEE387-1995規(guī)范,應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組需進(jìn)行抗地震計(jì)算,以保證在地震事件過程中,機(jī)組性能不降低,機(jī)組抗地震計(jì)算按以下步驟進(jìn)行:

1)將機(jī)組作為一個(gè)整體,根據(jù)當(dāng)?shù)氐卣痦憫?yīng)譜計(jì)算地震通過隔振器對(duì)機(jī)組的響應(yīng);

2)建立柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、公共底座數(shù)學(xué)模型;

3)根據(jù)已計(jì)算的機(jī)組響應(yīng),利用有限元對(duì)柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)進(jìn)行受力分析。

機(jī)組抗地震分析主要分為3部分,第一部分將柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、公共底座作為一個(gè)整體,分析機(jī)組在地震發(fā)生時(shí),機(jī)組對(duì)地震反應(yīng)波的響應(yīng)情況,同時(shí)計(jì)算機(jī)組在彈性安裝時(shí),機(jī)組的自由震動(dòng)頻率,根據(jù)機(jī)組對(duì)地震波的反應(yīng)以及機(jī)器運(yùn)行時(shí)狀態(tài),計(jì)算柴油機(jī)上一些懸掛部件的應(yīng)力,如增壓器支架,空冷器支架等;第二部分主要是對(duì)柴油機(jī)的管系進(jìn)行自振頻率分析以及在地震響應(yīng)及機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下的受力分析;第三部分是對(duì)柴油機(jī)一些零部件進(jìn)行等效應(yīng)力分析[4]。

7 機(jī)械輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

7.1 燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)

燃油系統(tǒng)主要是通過燃油主儲(chǔ)油罐、燃油日用油箱、燃油輸送泵等設(shè)備保障燃油的正常補(bǔ)給和儲(chǔ)存;通過機(jī)帶燃油泵、燃油增壓泵、壓力調(diào)節(jié)閥等設(shè)備提供機(jī)組正常運(yùn)行所需的燃油流量和壓力。

在機(jī)組運(yùn)行時(shí),主儲(chǔ)油罐中的燃油通過燃油輸送泵輸送至日用油箱。燃油機(jī)帶泵從日用油箱吸油向柴油機(jī)供油,當(dāng)機(jī)帶泵故障,燃油壓力降低時(shí),燃油增壓泵自動(dòng)投運(yùn),以保證機(jī)組燃油的正常供應(yīng)。燃油系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)如下:

(1)冗余設(shè)計(jì)

為了提高機(jī)組可靠性,對(duì)機(jī)組燃油回路進(jìn)行冗余設(shè)計(jì),正常情況下有機(jī)帶燃油泵對(duì)機(jī)組進(jìn)行燃油供給,當(dāng)燃油監(jiān)測壓力低于設(shè)定值時(shí),燃油電動(dòng)泵回路自動(dòng)投入工作,提高機(jī)組的可靠性。

(2)防火設(shè)計(jì)

燃油油氣具有較強(qiáng)的可燃性,設(shè)計(jì)燃油系統(tǒng)時(shí),燃油主油灌以及日用油箱的通氣口不允許直接排至機(jī)房內(nèi),必須通過管道引至機(jī)房外,同時(shí)在通氣管路上安裝阻燃器;在燃油日用油箱底部安裝快速放泄閥,在機(jī)房發(fā)生火災(zāi)時(shí),可以通過放泄閥迅速將燃油放泄至主油罐。

(3)控制設(shè)計(jì)

燃油輸送泵設(shè)置手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式,當(dāng)設(shè)置為手動(dòng)時(shí),需要人工操作泵的起停;當(dāng)設(shè)置為自動(dòng)時(shí),日用燃油箱液位控制燃油輸送泵的起動(dòng)。燃油增壓泵設(shè)置手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式,當(dāng)設(shè)置為手動(dòng)時(shí),需要人工操作泵的起停;當(dāng)設(shè)置為自動(dòng)時(shí),燃油進(jìn)機(jī)壓力控制燃油增壓泵的起停,當(dāng)燃油進(jìn)機(jī)壓力低于設(shè)定值時(shí),燃油增壓泵自動(dòng)起動(dòng)。

7.2 滑油系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保證機(jī)組的快速啟動(dòng)性能,在柴油機(jī)處于備用狀態(tài)時(shí),須設(shè)計(jì)一套連續(xù)預(yù)潤滑回路,該回路流量大約為機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)滑油流量的10%左右。由于預(yù)供滑油系統(tǒng)為非核級(jí)系統(tǒng),在滑油主回路與預(yù)供油回路利用核級(jí)單向閥隔開。

在設(shè)計(jì)滑油油量時(shí),須保證機(jī)組連續(xù)滿功率運(yùn)行7 d,在油底殼上需要設(shè)計(jì)三個(gè)報(bào)警點(diǎn),一個(gè)高液位報(bào)警點(diǎn),兩個(gè)低液位報(bào)警點(diǎn)。其中一級(jí)低液位報(bào)警作為提示油底殼內(nèi)油位已不能滿足7 d運(yùn)行的要求,提醒操作人員及時(shí)補(bǔ)充油位;二級(jí)低液位報(bào)警為停機(jī)報(bào)警,告知機(jī)組油位已到警戒油位,繼續(xù)運(yùn)行機(jī)組會(huì)發(fā)生故障。

滑油進(jìn)機(jī)壓力監(jiān)測信號(hào)對(duì)于柴油機(jī)運(yùn)行至關(guān)重要,滑油壓力低會(huì)導(dǎo)致機(jī)組故障,為此在滑油壓力監(jiān)測設(shè)計(jì)時(shí)采取3取2邏輯設(shè)計(jì),防止由于壓力傳感器誤動(dòng)作而發(fā)出錯(cuò)誤的指令。

7.3 冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水質(zhì)的要求,冷卻水的水質(zhì)將會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)組的壽命,水質(zhì)較硬時(shí)將會(huì)在柴油機(jī)的缸套外表面結(jié)垢,導(dǎo)致散熱性能降低。在寒冷地區(qū)還必須考慮在水中添加適量的防凍液。

換熱量設(shè)計(jì),根據(jù)現(xiàn)場的條件,以及機(jī)組的特性計(jì)算機(jī)組換熱量,在計(jì)算時(shí)需考慮由于防凍液的添加導(dǎo)致冷卻水比熱的變化,在計(jì)算換熱量后一般留15%的設(shè)計(jì)余量。

7.4 啟動(dòng)空氣系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

(1)冗余設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí),必須考慮系統(tǒng)的冗余性,從而提高機(jī)組的可靠性,采用兩套獨(dú)立的啟動(dòng)系統(tǒng)來起動(dòng)機(jī)組,即使在某一路系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),機(jī)組仍能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)。

(2)安全性設(shè)

壓縮空氣系統(tǒng)的壓力較高,一旦發(fā)生過壓將會(huì)導(dǎo)致較為嚴(yán)重的后果,所以在氣瓶以及減壓閥后需要設(shè)計(jì)安全釋放閥,來保證系統(tǒng)的安全性。

(3)系統(tǒng)隔離設(shè)計(jì)

由于壓縮空氣系統(tǒng)中同時(shí)有核級(jí)和非核級(jí)設(shè)備,所以用單向閥對(duì)這兩類設(shè)備進(jìn)行隔離,另外為了既要保證兩套啟動(dòng)系統(tǒng)相互獨(dú)立,又要保證同時(shí)給超速保護(hù)氣瓶和控制空氣供應(yīng)氣源,所以在超?？諝馄俊⒖刂瓶諝馀c兩個(gè)空氣瓶之間加單向閥。

(4)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

空壓機(jī)單元起停設(shè)計(jì):空壓機(jī)單元設(shè)置自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式。手動(dòng)位置,人工控制空壓機(jī)的起停,為了安全起見,當(dāng)空氣瓶壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí),空壓機(jī)自動(dòng)停止工作;自動(dòng)位置,空壓機(jī)的起停受空氣瓶內(nèi)壓力控制,當(dāng)壓力低于低設(shè)計(jì)值時(shí),空壓機(jī)自動(dòng)啟動(dòng),但壓力達(dá)到高設(shè)計(jì)值時(shí),空壓機(jī)自動(dòng)停止工作。

超速 (緊急停車)保護(hù)設(shè)計(jì):該系統(tǒng)是用于在柴油機(jī)在緊急情況下快速停車從而保護(hù)柴油機(jī),超速保護(hù)設(shè)計(jì)分為110%和112%兩次保護(hù)。

8 電氣輔助系統(tǒng)

電氣輔助系統(tǒng)作為整個(gè)機(jī)組的核心執(zhí)行著啟動(dòng)、停車、控制、調(diào)速及保護(hù)的關(guān)鍵功能。這個(gè)“指揮中心”設(shè)計(jì)的合理性和可靠性是機(jī)組安全運(yùn)行的有效保障。

在電氣輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)成套開發(fā)過程中,無論是方案、原理設(shè)計(jì)還是設(shè)備選型都嚴(yán)格遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),并以適用條款和工程通用技術(shù)規(guī)范作為指導(dǎo)依據(jù)。電氣原理設(shè)計(jì)遵循RCCE-2005、IEEE 384-2008、IEEE387-1995等標(biāo)準(zhǔn),確保了1E/N1E回路間的隔離;涉及機(jī)組安全運(yùn)行的回路采取了冗余設(shè)計(jì),提高了系統(tǒng)的可靠性。

8.1 系統(tǒng)組成

根據(jù)IEEE387-1995《核電站柴油發(fā)電機(jī)組用柴油發(fā)電機(jī)組準(zhǔn)則》的規(guī)定,應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的系統(tǒng)組成如圖10所示[5]。

圖10 應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)組成圖Fig.10 Co mposition of the EDGsystem

(1)就地控制監(jiān)測系統(tǒng)

由于核電廠對(duì)安全的特殊需求,其對(duì)于技術(shù)成熟性和器件可靠性的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了先進(jìn)性,因此在本次 “華龍一號(hào)”12PC2-6B應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的研制過程中,對(duì)于啟動(dòng)、停車等安全級(jí)控制回路采用獨(dú)立、可靠的繼電器進(jìn)行邏輯搭建,非安全級(jí)的控制 (如預(yù)加熱單元的控制、非優(yōu)先級(jí)的啟動(dòng)連鎖控制、高溫水溫度高保護(hù)輸出控制、所有報(bào)警信號(hào)的輸出等)采用PLC的控制模式。而且,所有模擬量的信號(hào)均可輸入PLC并通過通訊接口將該信息送入H MI,通過可視化的界面將應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)中油、水、氣的溫度、壓力、液位等信息展示給操作人員,并記錄機(jī)組啟/停、斷路器的開/合、各種泵、空壓機(jī)等的啟、停狀態(tài);記錄當(dāng)前及歷史發(fā)生故障的內(nèi)容、時(shí)間等。

(2)速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

采用兩路轉(zhuǎn)速信號(hào)輸入作為閉環(huán)速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì),有效避免了一路轉(zhuǎn)速信號(hào)失效而造成的系統(tǒng)失控。

(3)勵(lì)磁調(diào)壓系統(tǒng)

該系統(tǒng)配置了雙通道自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器 (AVR),一用一備。

具有手動(dòng)和自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)功能,且手動(dòng)和自動(dòng)間切換不會(huì)引起調(diào)節(jié)器的故障。同時(shí)配置有電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)必須的保護(hù),如旋轉(zhuǎn)二極管故障、勵(lì)磁機(jī)磁場電流過流和欠流故障保護(hù)。

勵(lì)磁回路中設(shè)置了機(jī)械聯(lián)鎖裝置 (帶鑰匙),防止機(jī)組維修時(shí)由于意外啟動(dòng)對(duì)人員造成傷害。

(4)機(jī)械電氣保護(hù)系統(tǒng)

安全級(jí)和非安全級(jí)的機(jī)械保護(hù)通過繼電器的搭建和PLC的程序控制分別實(shí)現(xiàn)。

電氣保護(hù)中非安全級(jí)的保護(hù)采用綜保裝置來完成發(fā)電機(jī)過壓、過/欠頻、差動(dòng)等的保護(hù)輸出,而僅對(duì)安全級(jí)的欠壓保護(hù)回路采用獨(dú)立的電壓繼電器來實(shí)現(xiàn)。

在應(yīng)急運(yùn)行工況下,只有欠壓 (三取二邏輯)、115%超速 (三取二邏輯)和滑油低壓 (三取二邏輯)保護(hù)停機(jī)會(huì)起效,其余保護(hù)均只報(bào)警。

(5)中壓系統(tǒng)

中壓系統(tǒng)主要配置了電壓互感器、電流互感器 (安裝在發(fā)電機(jī)上)用于給測量、保護(hù)、勵(lì)磁控制及同期并網(wǎng)提供電壓及電流信號(hào)。

8.2 設(shè)備組成

根據(jù)各系統(tǒng)特點(diǎn)、工程需求和功能關(guān)系,確定電氣輔助系統(tǒng)由以下設(shè)備實(shí)現(xiàn)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的控制、保護(hù)及監(jiān)測功能。如表6所示。

表6 電氣輔助系統(tǒng)設(shè)備組成Table 6 Auxiliar y electrical system

9 鑒定試驗(yàn)

EDG設(shè)備在成套設(shè)計(jì)完成后按照GB/T 2820—2008要求完成常規(guī)試驗(yàn),同時(shí)需按照IEEE387-1995標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)采購技術(shù)要求完成鑒定試驗(yàn),已驗(yàn)證其性能滿足核電廠需要,下面例舉兩個(gè)具有代表性的試驗(yàn)。

9.1 機(jī)組啟動(dòng)性能試驗(yàn)

機(jī)組在兩套獨(dú)立的啟動(dòng)系統(tǒng)分別作用下能夠連續(xù)啟動(dòng)5次,并在12 s內(nèi)達(dá)到額定電壓和額定頻率,技術(shù)要求在15 s內(nèi)達(dá)到額定電壓和額定頻率。如表7所示。

表7 機(jī)組啟動(dòng)性能試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Results of the EDGstartup perfor mance test

9.2 起動(dòng)及帶載可靠性試驗(yàn)

機(jī)組在接到啟動(dòng)命令之后,15 s內(nèi)達(dá)到額定電壓和額定頻率,并突加50%額定負(fù)載,試驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行100次,中間沒有出現(xiàn)一次失敗。

10 結(jié)論

12PC2-6B應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)理念和性能指標(biāo)均能滿足目標(biāo)產(chǎn)品的技術(shù)要求,符合 “華龍一號(hào)”全球首堆示范工程1E級(jí)應(yīng)急電源的要求。

[1]孫培廷,李斌,杜榮銘,等．船舶柴油機(jī) [M]．大連:大連海事大學(xué)出版社,2008:24-29．

[2]往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)組 第9部分:機(jī)械振動(dòng)的測量和評(píng)價(jià):GB/T 2820.9-2002[S]．2002．

[3]王臣臣．某柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J]．柴油機(jī),2016,38(5):33-38．

[4]李黎明．ANSYS有限元分析實(shí)用教程 [M]．北京:清華大學(xué)出版社,2005．

[5]用作核能發(fā)電站備用電源的柴油發(fā)電機(jī)組的IEEE標(biāo)準(zhǔn):IEEE387-1995[S]．1995:1-2．