殷 勇，吳 騰，艾華寧，于 江

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核電站應急柴油發(fā)電機組潤滑油系統(tǒng)設計

殷 勇，吳 騰，艾華寧，于 江

（中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518031）

應急柴油發(fā)電機組是保障核電站安全運行的重要安保電源設施。潤滑油系統(tǒng)是核電站應急柴油發(fā)電機組重要輔助系統(tǒng)之一，在機組備用狀態(tài)下即投入運行，并在機組起動后持續(xù)運行，必須具有很好的安全性能和可靠性。通過分析潤滑油系統(tǒng)的設計功能與性能要求，將潤滑油系統(tǒng)總體劃分為三個子系統(tǒng)，并對系統(tǒng)設備的安全等級進行劃分，完成了系統(tǒng)的設計方案。結合現(xiàn)役核電站的經(jīng)驗反饋，在潤滑油系統(tǒng)設計方案中增加了預潤滑油泵雙泵冗余設計和PCOT監(jiān)測技術，保障了核電站應急柴油發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行。

核電站；應急柴油發(fā)電機組；潤滑油系統(tǒng)；雙泵冗余；PCOT

0 前言

應急柴油發(fā)電機組是核電站在失去所有外部電源事故模式下，確保核反應堆余熱導出，防止堆芯熔毀的應急安保電源設施[1,2]。機組應在接到起動指令10s內(nèi)起動并達到額定轉(zhuǎn)速和額定電壓，按照自動加載程序陸續(xù)將應急母線上的負荷重新投入運行。因此，應急柴油發(fā)電機組及其輔助系統(tǒng)必須具有極好的起動和運行可靠性[3-5]。

核電站應急柴油發(fā)電機組包括潤滑油、燃油、冷卻水、空氣起動、進排氣等五大輔助系統(tǒng)[6]。潤滑油系統(tǒng)作為機組重要的輔助系統(tǒng)之一，在機組備用狀態(tài)就必須投入運行，以保證機組可以在短時間內(nèi)完成正常起動。同時潤滑油系統(tǒng)在機組起動后持續(xù)運行，保證柴油零部件能夠得到良好的潤滑、清洗和冷卻。潤滑油系統(tǒng)的合理設計對保障應急柴油發(fā)電機組的可靠性和機動性至關重要[7,8]。

1 設計要求

1.1 設備分級

核電站設備安全分級的目的主要是為了在核電站的設計、建造及運行過程中為設備應遵守的嚴格要求程度建立理論依據(jù)。參與執(zhí)行下列安全功能的設備均屬于核電站的安全相關設備[9]。

（1）反應堆緊急停堆以及維持反應堆在安全停堆狀態(tài)；

（2）堆芯和安全殼廠房的冷卻（包括中期和長期冷卻）；

（3）放射性物質(zhì)的封存以及限制向環(huán)境的排放并控制在規(guī)定限制之內(nèi)。

應急柴油發(fā)電機組屬于執(zhí)行上述安全功能的設備，其整體作為電氣設備，安全等級應劃分為1E級（即安全級），抗震等級相對應為抗震Ⅰ類。潤滑油系統(tǒng)作為應急柴油發(fā)電機組的重要組成部分，其主要的電氣設備應按1E級、機械設備應按安全三級要求，抗震等級應按抗震Ⅰ類要求[10-12]。

1.2 設計功能

在核電站應急柴油發(fā)電機組的運行期間，潤滑油系統(tǒng)需要把具有一定壓力和溫度范圍的清潔潤滑油連續(xù)不斷地輸送到柴油機的各摩擦面和需要冷卻的部位，以減少機體摩擦損失的功，緩和機件之間的摩擦，同時把機件因摩擦而產(chǎn)生的熱量帶走，并清洗摩擦表面的磨屑和雜質(zhì)，保證機體的正常運行[13]。

而在機組的備用期間，潤滑油系統(tǒng)需要實現(xiàn)潤滑油的循環(huán)流動并維持在一定的油溫范圍內(nèi)，以確保機組在接到起動指令后能在短時間內(nèi)完成正常起動。

1.3 性能要求

結合核電站安全運行規(guī)定以及應急柴油發(fā)電機組的技術要求，潤滑油系統(tǒng)需要具備以下性能要求：

（1）潤滑油系統(tǒng)應能在核電站事故后為應急柴油發(fā)電機組提供充足且清潔的潤滑油；

（2）為保證機組運行的可靠性，柴油機的油底殼最小容量需要滿足柴油機在額定功率下運行7d的消耗量。如果油底殼容量不能滿足該要求，則需要再單獨設置一個潤滑油箱；

（3）需配備潤滑油自動加熱裝置，包括循環(huán)泵和換熱器，以滿足機組在備用狀態(tài)下的潤滑油溫度要求；

（4）需配備自潔型或帶旁路互為備用的過濾器裝置，保證過濾器在機組運行7d內(nèi)無需進行清洗，或在不影響機組運行的情況下可進行清洗和更換；

（5）為保證在機組排油時，柴油機油底殼內(nèi)潤滑油可以及時有效地排出，需設置獨立的電動排油泵。

2 系統(tǒng)設計方案

為實現(xiàn)潤滑油系統(tǒng)的功能和性能要求，可以將潤滑油系統(tǒng)總體劃分為三個主要的子系統(tǒng)進行設計：預潤滑和預加熱系統(tǒng)，潤滑系統(tǒng)，潤滑油加注、貯存與排放系統(tǒng)。三個子系統(tǒng)通過柴油機本體相互連接，共同構建完整的潤滑油系統(tǒng)。潤滑油系統(tǒng)總體示意圖如圖1所示。

圖1 潤滑油系統(tǒng)總體示意圖

2.1 預潤滑和預加熱系統(tǒng)

為保證核電站應急柴油發(fā)電機組在接到起動指令后便可盡快達到滿功率，當機組處于備用狀態(tài)時，必須保持潤滑油的連續(xù)循環(huán)流動，而且潤滑油的溫度也需要維持在一定范圍內(nèi)。因此，潤滑油系統(tǒng)需要設置獨立的預潤滑油泵實現(xiàn)潤滑油在機組備用狀態(tài)下的連續(xù)循環(huán)流動，并利用潤滑油/高溫水熱交換器維持潤滑油的溫度。被潤滑油冷卻后的高溫水則是通過機組冷卻水系統(tǒng)的高溫水預熱器裝置來實現(xiàn)加熱，冷卻水系統(tǒng)在機組備用期間一并投入運行。

表1列出了預潤滑和預加熱系統(tǒng)的主要機械設備的分級信息和數(shù)量。該子系統(tǒng)同時還包括用于控制預潤滑油泵的壓力開關和用于監(jiān)測管道各狀態(tài)點潤滑油參數(shù)的油壓、油溫儀表，以及輸送潤滑油的管道。

表1 預潤滑和預加熱系統(tǒng)機械設備

2.2 潤滑系統(tǒng)

核電站應急柴油發(fā)電機組在運行時需要充足且清潔的潤滑油緩解柴油機零部件之間的摩擦，并冷卻柴油機零部件的表面。因此，需要通過較大流量的機帶潤滑油泵將柴油機油底殼中的潤滑油抽入閉式循環(huán)系統(tǒng)，經(jīng)潤滑油/低溫水熱交換器、自凈式過濾器輸送至柴油機各相應部位，并通過溫控閥實時調(diào)節(jié)和維持潤滑油的溫度。部分清潔度低的潤滑油經(jīng)旁通管路上的離心過濾器過濾，重新流回油底殼。被潤滑油加熱后的低溫水則是通過機組冷卻水系統(tǒng)的風冷器裝置來實現(xiàn)冷卻，冷卻水系統(tǒng)在機組運行期間一并投入運行。

表2列出了潤滑系統(tǒng)的主要機械設備的分級信息和數(shù)量。該子系統(tǒng)同時還包括用于檢測潤滑油過濾器壓差和柴油機進油管油壓的儀表，以及用于監(jiān)測曲軸箱油溫的儀控裝置。

表2 潤滑系統(tǒng)機械設備

2.3 潤滑油加注、貯存與排放系統(tǒng)

潤滑油貯存在柴油機的油底殼內(nèi)，其總量應不少于核電站應急柴油發(fā)電機組在額定功率下7d的消耗量。油底殼的日常補油需要通過采用移動補油泵聯(lián)接現(xiàn)場的潤滑油桶來加注。油底殼的排油則需要通過電動排油泵進行排放。在機組運行期間，為防止柴油機曲軸箱內(nèi)油氣積聚，需要配備一個油氣分離裝置來分離并排放油氣。該設備配有排污管線和排氣管線。

表3列出了潤滑油加注、貯存與排放系統(tǒng)的主要機械設備的分級信息和數(shù)量。

表3 潤滑油加注、貯存與排放系統(tǒng)系統(tǒng)機械設備

3 系統(tǒng)設計輔助技術

為提高應急柴油機發(fā)電機組長期運行的可靠性并加強對柴油機本體的運行狀態(tài)監(jiān)測，結合現(xiàn)役核電站的經(jīng)驗反饋，在潤滑油系統(tǒng)設計方案中增加了“預潤滑油泵雙泵冗余設計”以及“PCOT監(jiān)測技術”兩項輔助技術。

3.1 預潤滑油泵雙泵冗余設計

預潤滑油泵的可靠性一直是影響柴油機正常起動的重要因素之一。預潤滑油泵雙泵冗余設計通過為每臺應急柴油發(fā)電機組設置兩臺100%容量互為備用的預潤滑油泵，并建立雙泵起停與切換控制邏輯，從而保證機組在備用狀態(tài)下潤滑油的連續(xù)循環(huán)。

兩臺預潤滑油泵中的一臺被標記為主泵，另一臺則標記為備用泵。根據(jù)機組定期的檢修計劃安排，適時進行主次順序切換。外部停運泵的信號復位后，主泵會優(yōu)先恢復運轉(zhuǎn)，另一臺泵隨機恢復備用狀態(tài)。通過在潤滑油系統(tǒng)中及柴油機本體上多處設置了監(jiān)測點并連接自動控制裝置，建立了雙泵自動起停與切換控制邏輯，并設置就地手動切換開關，實現(xiàn)對兩臺預潤滑油泵的有效控制，同時避免了泵的頻繁起停與切換問題。該設計符合核電站“單一故障準則”[14,15]，有效提高了潤滑油系統(tǒng)在機組備用狀態(tài)下連續(xù)24h運行的可靠性。

3.2 PCOT監(jiān)測技術

在潤滑油系統(tǒng)的設計方案中加入了PCOT（Pielstick Crankpin Oil Temperature）監(jiān)測技術，可實現(xiàn)對柴油機本體曲軸箱內(nèi)油溫的監(jiān)測、顯示、報警和信號輸出，確保應急柴油機發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行。

曲軸和連桿是柴油機本體的重要部件，加強對該部件的監(jiān)測能降低柴油機本體的故障率，有利于提高機組的運行可靠性。柴油機在發(fā)生曲軸和連桿磨損事故時，通常會導致潤滑油溫度異常上升。PCOT技術利用在柴油機內(nèi)部安裝特殊結構的收集槽，通過收集柴油機曲軸箱內(nèi)飛濺的潤滑油，并安裝高靈敏度的溫度傳感器，從而將收集槽中潤滑油的溫度實時反饋到PCOT監(jiān)測裝置，如圖2所示。該技術能夠及時有效地監(jiān)測到曲軸箱內(nèi)油溫的變化，并提供報警和停機信號，防止柴油機本體發(fā)生重大故障，為核電站應急柴油發(fā)電機組的安全運行提供了重要保護措施。

圖2 PCOT監(jiān)測裝置

4 結論

應急柴油發(fā)電機組是執(zhí)行核電站安全功能的重要應急安保電源設施，其整體劃分為安全級電氣設備，并按抗震Ⅰ類要求。潤滑油作為機組重要的輔助系統(tǒng)之一，其主要的電氣設備應按1E級、機械設備應按安全三級要求，抗震等級應按抗震Ⅰ類要求。

潤滑油系統(tǒng)在機組備用狀態(tài)下即投入運行，并在機組起動后持續(xù)運行，必須具有很好的安全性和可靠性。根據(jù)潤滑油系統(tǒng)的設計功能與性能要求，將系統(tǒng)總體劃分為：預潤滑和預加熱系統(tǒng)，潤滑系統(tǒng)，潤滑油加注、貯存與排放系統(tǒng)三個主要的子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)根據(jù)其執(zhí)行的功能來配備相應的關鍵機械設備，并通過與柴油機本體連接構成完整的潤滑油系統(tǒng)。鑒于潤滑油系統(tǒng)的重要性，結合現(xiàn)役核電站的經(jīng)驗反饋，在系統(tǒng)設計方案中增加了預潤滑油泵雙泵冗余設計以及PCOT監(jiān)測技術，以保障核電站應急柴油發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行。

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Design of Lubricating Oil System for Emergency Diesel Generator Set in Nuclear Power Station

YIN Yong, WU Teng, AI Huaning, YU Jiang

(China Nuclear Power Technology Research Institute, Shenzhen 518031, China)

Emergency diesel generator set is an important security power supply to ensure the safe operation of nuclear power station. As one of the important auxiliary system for emergency diesel generator set in nuclear power station, the lubricating oil system which must be durable and reliable is put into operation in the standby state, and it will continue to run after the unit is started. By analyzing the design function and performance requirements of the lubricating oil system and the division of safety grade, the main design requirements are defined. According to the function and performance requirements, the lubricating oil system is divided into three subsystems, and the design scheme is completed. Combined with the experience and feedback from nuclear power plants in active service, the redundant design of pre-lubricating oil pump and PCOT monitoring technology are added to the design scheme, which ensure the safe and stable operation of emergency diesel generator set in nuclear power station.

nuclear power station; emergency diesel generator set; lubricating oil system; double pump redundancy; PCOT

TM623.3

A

國家能源局應用技術研究及工程示范項目(NY20140203)

1000-3983(2018)03-0071-04

2017-07-16

殷勇（1970-），1991年畢業(yè)于四川輕化工學院材料專業(yè)。目前主要從事核電站設備研發(fā)與設備鑒定工作，高級工程師。