黃 超，胡雙進(jìn)，張 力，丁伯才，劉宙鋒

海洋核動力平臺柴油發(fā)電機(jī)應(yīng)用概要

黃 超，胡雙進(jìn)，張 力，丁伯才，劉宙鋒

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430064）

本文介紹了柴油發(fā)電機(jī)在核電及船舶行業(yè)的應(yīng)用，結(jié)合海洋核動力平臺的特點(diǎn)，簡要分析了海洋核動力平臺柴油發(fā)電機(jī)的配置、技術(shù)要求、控制與保護(hù)要求，對海洋核動力平臺的工程設(shè)計(jì)有一定的參考價值。

海洋核動力平臺 柴油發(fā)電機(jī) 配置

0 引言

柴油發(fā)電機(jī)組具備熱效率高、經(jīng)濟(jì)性好、起動容易、布置靈活等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。在陸上核電站，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組是核電站內(nèi)部應(yīng)急電源，提供在正?；蚴鹿蕳l件下停閉電站所必需的電能[1]。一座雙堆核電站一般包括4~5臺應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組，在日本福島核泄漏事故后，新建的核電站還增配有一臺可移動式柴油發(fā)電機(jī)，以應(yīng)對極端事故下的全廠失電。在能動核電站中，柴油發(fā)電機(jī)作為全廠失電時進(jìn)行反應(yīng)堆余熱導(dǎo)出系統(tǒng)的動力來源，直接關(guān)系到核安全，屬于安全級設(shè)備。在非能動核電站中，柴油發(fā)電機(jī)屬于非安全級設(shè)備[2]。

在船舶領(lǐng)域，《鋼制海船入級規(guī)范》對主電源和應(yīng)急電源都有明確要求。船用電源裝置一般包括兩臺或多臺柴油發(fā)電機(jī)組作為主電源，主要為推進(jìn)、正常照明、空調(diào)等正常負(fù)荷供電。另外一臺柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源，主要為應(yīng)急照明、消防、應(yīng)急逃生等設(shè)備供電。

1 海洋核動力平臺柴油發(fā)電機(jī)配置要求

由于海洋核動力平臺是船舶與反應(yīng)堆的結(jié)合，與陸上核電站相比，海上核電站沒有廠外電源，設(shè)備布置空間也相對較小；與民用船舶相比，海上核電站多了一套（或多套）核反應(yīng)堆發(fā)電裝置，因此對柴油發(fā)電機(jī)的配置和使用工況與陸上核電及民用船舶均有較大區(qū)別。

核安全導(dǎo)則要求，多堆核電廠的每一座反應(yīng)堆應(yīng)有隔離和獨(dú)立的應(yīng)急動力系統(tǒng)[3]。因此海洋核動力平臺應(yīng)考慮為每一座反應(yīng)堆至少配置兩臺核應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)，作為兩個應(yīng)急動力系統(tǒng)的電源設(shè)備。兩臺柴油發(fā)電機(jī)組安裝在相互分隔的廠房里[4]，保證發(fā)生單一系統(tǒng)或部件不能執(zhí)行其預(yù)定功能的故障不會導(dǎo)致兩臺柴油發(fā)電機(jī)同時無法工作，單臺柴油發(fā)電機(jī)的輸出功率至少應(yīng)能滿足以下兩種工況下最大需求功率的110%：

1）在失去汽輪發(fā)電機(jī)電源的情況，即正常停堆時，向應(yīng)急設(shè)備供電，使機(jī)組安全停運(yùn)而不損壞設(shè)備。

2）在失去汽輪發(fā)電機(jī)電源的同時發(fā)生反應(yīng)堆冷卻劑事故（例如失去反應(yīng)堆冷卻劑）的情況，即事故停堆時，向保障堆芯應(yīng)急冷卻及盡量減少放射性對環(huán)境的釋放所必需的安全級設(shè)備供電。

由于海洋核動力平臺孤島電網(wǎng)運(yùn)行的特點(diǎn)，在核動力裝置正常運(yùn)行時，全船用電均由平臺上的汽輪發(fā)電機(jī)提供，當(dāng)核動力裝置不運(yùn)行或者在啟堆過程中時，全船用電需由柴油發(fā)電機(jī)提供。陸上核電站配置的柴油發(fā)電機(jī)主要是在失去外部電源時能夠快速啟動供電，保證反應(yīng)堆及重要設(shè)備安全，啟堆及反應(yīng)堆不運(yùn)行時的全廠用電均是廠外電源。核安全導(dǎo)則要求，如果將應(yīng)急電力系統(tǒng)用于其他目的，不得使應(yīng)急電力系統(tǒng)功能獨(dú)立性、系統(tǒng)可靠性或能力降低到低于為執(zhí)行其安全功能可接受的水平[3]。為應(yīng)對核動力裝置不運(yùn)行或者在啟堆過程中這兩種工況，柴油發(fā)電機(jī)有兩種配置方案，方案一：由于啟堆時的負(fù)荷遠(yuǎn)大于正常停堆和事故停堆的負(fù)荷，加大兩臺核應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)的容量，啟堆和核動力裝置不工作時由兩臺核應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)供電，但此方案還需驗(yàn)證在啟堆及反應(yīng)堆不運(yùn)行時使用核應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)，對應(yīng)急電力系統(tǒng)的安全性和可靠性是否存在影響；方案二：核應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)功能與陸上核電站類似，應(yīng)急工況下用來保證反應(yīng)堆及重要設(shè)備安全，正常工況下，除了進(jìn)行啟動帶載試驗(yàn)（緊急情況下也能投入使用）外，均處于備用狀態(tài)，另外新增加一臺或多臺備用柴油發(fā)電機(jī)，為啟堆及核動力裝置不工作時的船用負(fù)荷供電，同時該備用柴油發(fā)電機(jī)還能充當(dāng)船上的主電源或備用電源，新增加的柴油發(fā)電機(jī)是普通的船用柴油發(fā)電機(jī)。

海上核電站作為特種海洋船舶，還需設(shè)置獨(dú)立的船用應(yīng)急電源，因此設(shè)置一臺船用應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)，且該柴油發(fā)電機(jī)具有獨(dú)立的冷卻裝置和燃料供給，布置在破損水線以上，屬于普通的船用柴油發(fā)電機(jī)。

2 柴油發(fā)電機(jī)主要技術(shù)要求

海洋核動力平臺作為一種特殊海洋船舶，船上所有柴油發(fā)電機(jī)首先均應(yīng)滿足船用條件（沖擊、振動、搖擺、溫濕度、鹽霧、凝露、霉菌等），建造、使用過程中應(yīng)滿足CCS等船級社要求。

為反應(yīng)堆配置的核應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)還應(yīng)同時滿足核級柴油發(fā)電機(jī)的一些特殊要求，主要有：

1）啟動可靠性高。為了保證柴油機(jī)啟動可靠性，一般設(shè)置兩種獨(dú)立啟動方式，調(diào)速系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)，要求進(jìn)行100次連續(xù)成功啟動可靠性考核；同時燃油系統(tǒng)也進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，保證供油安全性。

2）運(yùn)行可靠性高。一般要求具備每年8760 h持續(xù)額定功率工作能力，并每24 h內(nèi)具備2 h短時110％額定功率工作能力。

3）短時啟動能力強(qiáng)。一般要求接收到啟動信號后10~20 s內(nèi)啟動，達(dá)到額定頻率和電壓，具備按程序加載能力。

4）抗老化設(shè)計(jì)。一般要求根據(jù)安全功能相關(guān)部件進(jìn)行老化分析、試驗(yàn)，并進(jìn)行老化鑒定。

5）質(zhì)保體系。一般要求制定嚴(yán)格的質(zhì)保監(jiān)管體系，注重全過程控制，保留全過程各種記錄、資料，實(shí)施H、W、R點(diǎn)分級監(jiān)造，監(jiān)造成本、資料記錄成本昂貴，要求設(shè)備生產(chǎn)廠家取得核級設(shè)備生產(chǎn)資格許可證。

3 柴油發(fā)電機(jī)控制和保護(hù)

船用柴油發(fā)電機(jī)設(shè)置機(jī)旁控制箱，主要具備柴油發(fā)電機(jī)的操作、保護(hù)、顯示、報警、信號延伸等功能。

核應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)應(yīng)設(shè)置有柴油發(fā)電機(jī)組的啟停機(jī)控制、保護(hù)、機(jī)組參數(shù)監(jiān)測和報警、柴油發(fā)電機(jī)組輔助系統(tǒng)主要設(shè)備的監(jiān)測與控制等一系列功能的電氣監(jiān)控系統(tǒng)。啟?？刂浦饕ň偷夭僮髋c遠(yuǎn)方操作兩種方式，實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)組啟動、停機(jī)，并具有手動、自動電壓調(diào)節(jié)功能。不論柴油發(fā)電機(jī)以何種方式啟動，手動停機(jī)只能就地進(jìn)行，在發(fā)出正常停機(jī)信號的同時出現(xiàn)應(yīng)急啟動信號，則應(yīng)急啟動信號具有優(yōu)先權(quán)[5]。保護(hù)主要實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)供電工況及定期試驗(yàn)期間短路故障及異常狀態(tài)保護(hù)（差動保護(hù)、過流保護(hù)、過載保護(hù)、逆功率保護(hù)、電壓異常保護(hù)、頻率異常保護(hù)等），以及能實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)超速、潤滑油異常、冷卻水異常等保護(hù)，關(guān)系到柴油發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行的保護(hù)（如超速），應(yīng)設(shè)置3個傳感器，當(dāng)其中2個傳感器發(fā)出停機(jī)信號時，柴油發(fā)電機(jī)才執(zhí)行動作。當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)急供電運(yùn)行時，只投入發(fā)電機(jī)差動保護(hù)，其它均被閉鎖，只發(fā)出報警[6]。監(jiān)測和報警主要實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)各電氣和機(jī)械參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測，并提供異常報警。

由于核應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)使用的頻率很低，因此還需要定期試驗(yàn)證明柴油發(fā)電機(jī)具有啟動和帶載能力，在定期試驗(yàn)狀態(tài)下，柴油發(fā)電機(jī)在發(fā)生滑油壓力低、超速、過電流、過電壓、冷卻水溫度過高、電壓低時，需自動停機(jī)。

4 結(jié)論

海上核能發(fā)電船舶沒有現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)可遵循。柴油發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急工況下的電能來源，是直接關(guān)系到反應(yīng)堆安全和人員安全的重要設(shè)備。在柴油發(fā)電機(jī)應(yīng)用的設(shè)計(jì)上首先應(yīng)保證安全性，同時作為一項(xiàng)民用工程，在保證安全性的前提下盡量體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性。本文主要針對海洋核動力平臺相較于陸上核電站及常規(guī)船舶的獨(dú)特性，介紹了柴油發(fā)電機(jī)配置的基本要求、運(yùn)行工況、技術(shù)要求、保護(hù)設(shè)置，為海洋核動力平臺的設(shè)計(jì)提供了參考。

[1] 核工業(yè)第二研究設(shè)計(jì)院. Design and construction Rules Electrical equipment(壓水堆核電站核島電氣設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則) , 1993.

[2] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化委員會. 壓水堆核電站物項(xiàng)分級: GB-T 17569-2013[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2013.

[3] 中國國家核安全局. 核電廠應(yīng)急動力系統(tǒng): HAD102-13-1996 [S]. 北京: 中國國家核安全局, 1996.

[4] 秦山核電二期工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)匯編設(shè)計(jì)卷Ⅰ[M]. 北京: 原子能出版社, 2004.

[5] 李德佳. 核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)和調(diào)試[J]. 電力設(shè)備, 2006, (8).

[6] 張言濱, 劉云峰, 張益林. 新型的核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組電氣保護(hù)方案[J]. 電工技術(shù), 2017, (8): 121.

Application of Diesel Generators for Marine Nuclear Power Platform

Huang Chao, Hu Shuangjin, Zhang Li, Ding Bocai, Liu Zhoufeng

(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China)

U664.121

A

1003-4862（2018）10-0051-02

2018-05-14

黃超（1978-），男，高級工程師。研究方向：艦船電力系統(tǒng)。E-mail:542679604@qq.com