湯立宏，朱青連，牛 云

（中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

水壓試驗泵系統(tǒng)的功能是在全廠失電情況下，保證堆芯的完整性以及堆芯監(jiān)視功能的可靠性。正常情況下是由主控室手動開啟，為安注水箱補水。在全廠失電時自動啟動，要求啟動120 s 內(nèi)為主泵一號軸封注水從而保證一回路完整，同時為主控室重要儀表提供應(yīng)急電源。福島核事故后，為增加核電站應(yīng)急電源可靠性，中國某大型商用核電站新增380V 應(yīng)急柴油發(fā)電機組以提高水壓試驗泵系統(tǒng)供電電源可靠性。目前，水壓試驗泵系統(tǒng)采用汽輪發(fā)電機組作為應(yīng)急電源，機組老化，備件缺乏，可靠性不高。在全廠失電時，優(yōu)先啟動新增柴油發(fā)電機組為核電站水壓試驗泵供電，保證主泵一號軸封供水。如果柴油發(fā)電機組啟動失敗，再啟動汽輪發(fā)電機組，雙重保障以實現(xiàn)提高核電站應(yīng)急電源可靠性的目的。

1 設(shè)計原則及安全準則

在正?；蛟O(shè)計基準事故工況下，水壓試驗泵系統(tǒng)不執(zhí)行安全功能，柴油機組屬于RCC-P NC 級設(shè)備。在失去全部電源的情況下，水壓試驗泵能確保一回路冷卻劑泵（主泵）1 號密封的注入水流量，從而保證了反應(yīng)堆冷卻劑泵系統(tǒng)的完整性。該系統(tǒng)還必須在此工況下（超出設(shè)計工況），給機組運行所需的重要儀表供電。

核電站在失去全部6.6kV 電源情況下，熱屏冷卻和主泵軸封水注入功能失效，主泵1 號軸封可能發(fā)生泄漏，如果反應(yīng)堆仍處于額定功率下，從檢測到6.6kV 失電算起，在2min 內(nèi)水壓試驗泵系統(tǒng)就必須使軸封水注入功能重新建立起來，否則可能出現(xiàn)核電站安全屏障破裂風(fēng)險[1]。在此工況下，水壓試驗泵系統(tǒng)柴油發(fā)電機組在10 s 的時間內(nèi)就能夠達到額定轉(zhuǎn)速和額定電壓，以保證水壓試驗泵完成軸封水注入的功能，維持核電站安全屏障完整性。

核電站內(nèi)6.6kV 配電盤分AB 列，單列正常工作可滿足核電站不發(fā)生核安全事故的要求。核電站正常運行工況下AB 列同時帶電，在6.6kV 配電盤AB 列都不能供電的情況下，水壓試驗泵柴油發(fā)電機組正常工況時，不需要任何外部作用也能自動啟動。在此工況下，柴油發(fā)電機組投入的唯一保護是超速保護。如果在運行期間達到超速保護的閾值，只要脫扣后在就地盤上進行復(fù)位，柴油發(fā)電機組就可立即重新啟動。柴油發(fā)電機組及其輔助系統(tǒng)應(yīng)有良好的啟動和運行可靠性。水壓試驗泵的自動啟動過程分為3 種情況：

1）柴油發(fā)電機一次啟動成功，為水壓試驗泵供電。

2）柴油發(fā)電機第一次啟動失敗后，第二次啟動成功，為水壓試驗泵供電。

3）柴油發(fā)電機連續(xù)兩次啟動失敗，啟動汽輪發(fā)電機為水壓試驗泵供電。

每臺機組配備一臺水壓試驗泵柴油發(fā)電機組，因此在一臺機組大修期間對這臺機組的水壓試驗泵柴油發(fā)電機組進行預(yù)防性維修，不影響另外一臺機組的運行。

2 柴油機設(shè)計

為了保證良好的啟動和運行可靠性，每臺機組由獨立的燃油噴射泵提供燃油，并且柴油發(fā)電機組有3 組蓄電池系統(tǒng)（兩組電池互為備用，供盤車啟動，一組供控制使用）。

發(fā)電機組應(yīng)具有承受以下故障的能力：

◇ 發(fā)生超速故障時，柴油發(fā)電機的轉(zhuǎn)速不得超過額定轉(zhuǎn)速的115%。

◇ 由外部故障引起的發(fā)電機端子處，小于5 s 的三相或兩相短路。

◇ 在1.2 倍額定轉(zhuǎn)速下，超速運行5 s。

◇ 頻率約50Hz 的過電壓：1.4 倍額定電壓持續(xù)4 s；1.2 倍額定電壓持續(xù)3 min。

◇ 波形為1.2/50μs 和200/1500μs，其峰值為25kV 的電網(wǎng)過電壓。

◇ 相位差從120°～180°的非同期并網(wǎng)至少兩次。

在發(fā)電機端子處沒有外部動作時，柴油發(fā)電機組能正常運行72h。

設(shè)置自動切換開關(guān)柜（ATS），實現(xiàn)柴油發(fā)電機組或?qū)?yīng)汽輪發(fā)電機組供電的切換。

3 柴油發(fā)電機組結(jié)構(gòu)

3.1 柴油發(fā)電機組

新增柴油發(fā)電機組選用VOLVO AD734GE 型柴油機，以及STAMFORD UCDI274K 型發(fā)電機。

VOLVO TAD734GE 柴油機屬于工程機械類型，主要提供機械動力，將柴油轉(zhuǎn)化為機械能，具有較高的應(yīng)用價值和實踐意義[2]。柴油機采用完全電子噴油控制技術(shù)，具有啟動性能優(yōu)良、電壓穩(wěn)定、運行可靠、低排放、低噪音等優(yōu)點。

柴油發(fā)電機組額定功率達216kW，水壓試驗泵系統(tǒng)以及主控室重要儀表功率不足50kW，該柴油發(fā)電機組完全滿足實際需求。

3.2 控制器

柴油發(fā)電機組控制器由科邁控制器（下文簡稱Com AP），以及柴油機自帶調(diào)速器（下文簡稱ECU）構(gòu)成?？七~控制器負責(zé)人機接口及外部邏輯，ECU 完成柴油機本體控制。科邁控制器接收上游啟動、停止、保護等信號并將信號傳輸至ECU，ECU 接收轉(zhuǎn)速信號進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。科邁控制器與ECU 連接如圖1 所示。

圖1 科邁控制器與ECU連接示意圖Fig.1 Schematic diagram of the connection between Com AP and ECU

科邁控制器為ECU 提供電源，ECU 電源接通上電后與科邁控制器進行實時數(shù)據(jù)通訊。所有人機交互數(shù)據(jù)以及報警均由科邁控制器發(fā)出，主要包含如下：

低電壓保護、過電壓保護、低頻保護、過流保護、發(fā)電機繞組溫度高、發(fā)電機軸承溫度、啟動或控制蓄電池電壓低、出口開關(guān)故障、超速、潤滑油壓力低、潤滑油溫度高、冷卻水溫度高、冷卻水進機壓力低、油箱液位低、油箱液位低低。

如果柴油機是由緊急啟動信號啟動，則柴油機運行時僅投入超速保護，其它保護均被閉鎖，但發(fā)出報警。在就地手動啟動期間所有保護投入。

3.3 電氣系統(tǒng)

柴油機電氣部分由控制面板（EMS）、傳感器/執(zhí)行器、啟動馬達、柴油機機界面接頭構(gòu)成。

傳感器由轉(zhuǎn)速傳感器、冷卻水溫度傳感器、油溫油壓傳感器等組成，采集信號用于控制、保護柴油機。執(zhí)行器由噴油器組成，用于控制噴油量。

柴油機電源系統(tǒng)有啟動電源和控制電源兩套電源，啟動電源用于驅(qū)動盤車電機，控制電源提供控制電。為保證啟動電源在啟動瞬間產(chǎn)生的大電流不會損壞控制電源，在啟動瞬間有斷開控制電源與系統(tǒng)連接的設(shè)計。

啟動馬達用于在噴油前對柴油發(fā)電機組進行盤車，柴油機轉(zhuǎn)速達180rpm 或供油壓力達3bar 時ECU 控制器發(fā)出噴油指令，啟動馬達退出。機組啟動過程中，會有大電流、熱量產(chǎn)生，并且線圈處于密封殼內(nèi)阻礙熱量散失，如啟動馬達長期處于高溫環(huán)境，會造成啟動機壽命降低[3]。

4 柴油發(fā)電機組啟停時序

4.1 柴油發(fā)電機組啟動時序

柴油發(fā)電機組手動啟動信號分為AB 列，單列信號觸發(fā)不會啟動柴油發(fā)電機組，柴油發(fā)電機組同時接收上游AB列手動啟動命令時，柴油機啟動。

首先，科邁控制器接收上游啟動命令，當AB 列啟動信號同時存在時科邁控制器啟動，隨后ECU 得電，4s 后ECU 收到科邁控制器發(fā)出的啟動命令（4s 用于科邁控制器的預(yù)啟動），啟動開關(guān)閉合，啟動馬達投入，柴油機開始盤車。同時，電路板激活（ECU 開始工作）。柴油機轉(zhuǎn)速達180rpm 時柴油機噴油點火，轉(zhuǎn)速480rpm 時盤車退出，柴油機在活塞運動下繼續(xù)升速，ECU 接收科邁控制器轉(zhuǎn)速命令?？倳r序邏輯圖如圖2 所示。

4.2 柴油發(fā)電機組停機時序

柴油發(fā)電機組正常運行時由保護或者手動觸發(fā)停機信號，科邁控制器觸發(fā)停機信號使ECU 失電，噴油器停止噴油，電路板不工作。停機時序如圖2 所示。

圖2 柴油機啟停時序邏輯Fig.2 Diesel engine start-stop sequence logic

為保證ECU 數(shù)據(jù)存儲，在Com AP 觸發(fā)停機信號時需要延時20s 后觸發(fā)失電。緊急停機時，按下外接緊急停機按鈕，ECU 即刻斷電，噴油器停止，電路板不工作。

5 現(xiàn)場故障分析

5.1 故障描述

2017 年11 月3 日，某核電站柴油發(fā)電機組檢修后首次離線再鑒定啟動，柴油機轉(zhuǎn)速上升至1500rpm，出現(xiàn)“停機失敗停機”報警，柴油發(fā)電機組停機。

調(diào)查故障原因，多次啟動柴油機組均與上述故障現(xiàn)象一致，啟動信號發(fā)出到出現(xiàn)“停機失敗停機”時間間隔均為14s。

2017 年11 月5 日，將盤車時間設(shè)置由5s 臨時修改為8s，再次啟動柴油發(fā)電機組轉(zhuǎn)速到達1500rpm，穩(wěn)定運行，故障現(xiàn)象消失。將盤車時間再次恢復(fù)到5s，多次驗證均啟動成功。啟動時間由14s 逐漸降低至9s。故障時序如圖3所示。

圖3 柴油發(fā)電機組啟動故障時序圖Fig.3 Timing diagram of start-up failure of diesel generator set

5.2 故障分析

因為柴油機由起動機帶動啟動，起動機又由ECU 控制[3]。以上故障是由ECU 設(shè)計原因?qū)е?，具體分析如下：

啟動信號發(fā)出后，且檢測到柴油機轉(zhuǎn)速為0 rpm，則投入盤車并打開油閥。科邁控制器檢查5s 內(nèi)轉(zhuǎn)速未到達700rpm，判斷繼續(xù)嘗試啟動，進入間歇時間。此時盤車退出，油閥應(yīng)關(guān)閉，但ECU 對于啟動成功判斷條件為柴油機轉(zhuǎn)速大于350rpm，5s 時ECU 檢測轉(zhuǎn)速已超過480rpm，油閥無需關(guān)閉，油閥繼續(xù)保持打開，柴油機轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升。

繼科邁控制器判斷上次啟動失敗后，間歇5s 后，科邁控制器繼續(xù)發(fā)出啟動盤車信號，但檢測到柴油機現(xiàn)有轉(zhuǎn)速已大于0rpm，隨即產(chǎn)生“停機失敗停機”并停機。

將盤車設(shè)置時間由5s 臨時修改為8s 故障消失，是由于首次啟動時供油管道內(nèi)存在空氣，供油量低，在5s 內(nèi)柴油發(fā)電機組轉(zhuǎn)速無法升至700rpm，多次啟動后供油管內(nèi)空氣消失，在5s 內(nèi)轉(zhuǎn)速可升至700rpm，因此故障消失。

5.3 故障原因以及解決方案

1）根本原因是第一次啟動期間供油管道內(nèi)存在空氣，供油不足。最終導(dǎo)致5s 內(nèi)柴油機轉(zhuǎn)速無法達到700rpm，后續(xù)新機組第一次啟動前應(yīng)盡可能排出管道內(nèi)空氣。

2）科邁控制器與ECU 控制器對于啟動成功的定義不同，科邁控制器定義柴油發(fā)電機組轉(zhuǎn)速大于700rpm 為啟動成功，ECU 控制器定于轉(zhuǎn)速大于480rpm 為啟動成功?？七~控制器參數(shù)設(shè)計錯誤，需要修改成與ECU 一致。

6 總結(jié)

本文從水壓試驗泵系統(tǒng)功能、設(shè)計基準和原則出發(fā)，詳細介紹了水壓試驗泵系統(tǒng)組成與功能，從設(shè)備組成角度簡單分析了設(shè)備的參數(shù)及功能。以某大型商用核電站為例，介紹了VOLVO AD734GE+UCDI274K 型柴油發(fā)電機組，將該發(fā)電機組的組成及控制邏輯做了簡要分析。最后，對實際應(yīng)用中出現(xiàn)的故障做分析，為后續(xù)使用該柴油發(fā)電機組在核電使用中提供參考經(jīng)驗。