核電應急柴油發電機組機外壓縮空氣系統設計及抗震計算研究

鄧賜邦 趙福建

（武漢海王新能源工程技術有限公司，湖北 武漢 430000）

核電應急柴油發電機組機外壓縮空氣系統設計及抗震計算研究

鄧賜邦 趙福建

（武漢海王新能源工程技術有限公司，湖北 武漢 430000）

為了提高核電站運行的安全性能，規定核電站的建設中必須設置相應的安全輔助保護系統，應急柴油發動機組作為應急電源的核心設備，當核電站的常規電源無法供電的時候，起到了及時為核電站的正常運行提供所需用電的作用，確保了核電站的運行安全。應急柴油發動機組的起動反應時間是由壓縮空氣系統決定的，機外壓縮空氣系統是為柴油發電機組提供壓縮所需空氣的裝置，做好機外壓縮空氣系統的設計，能夠有效縮短應急柴油發電機組的起動時間，及時為核電站提供應急電源，文章對核電應急柴油發電機組外壓縮空氣系統的設計及抗震計算進行了詳細地分析。

核電應急柴油發電機組；外壓縮空氣系統；抗震計算

科技的進步推動了核電站建設事業的發展，世界上多個國家相繼建立了核能發電站，但是核反應的失控會造成重大的人員傷亡和嚴重的經濟損失，做好核電站的設計工作，從核反應的各個環節出發，制定相應的防護措施，是核電站建設的基礎和前提。應急柴油發電機組是核電系統的必要設備，在保證核電站安全方面起到的作用是不可替代的，從柴油發電機組的系統設計和設備安裝出發，提高設備的使用性能、確保運行的平穩性，對促進核電事業的發展具有重要作用。

1.核電應急柴油發電機組起動的性能要求和起動裝置的組成

1.1核電應急柴油發電機組起動的性能要求

快速起動核電應急柴油發電機組的基本性能要求，通過對核電站常規電源失效現象做出快速反應，為核電站提供應急電能，保證了核電站運行所需電能的正常供應。按照相關規定，核電應急柴油發電機組在設計的時候，應該在柴油機輸出端支撐箱的左右兩邊各設置一套起動裝置，兩套起動裝置的起動原理是將空氣進行壓縮，來獲取足夠的動力，在不借助儲氣瓶的前提下，要保證起動裝置可以起動6次柴油機。起動裝置中空氣馬達的工作壓力有明確的規定，要求為0.8MPa，起動裝置起動時要有足夠量的空氣支持，一般都是以3000L為最低標準。

在應急柴油發電機組收到信號和命令時，將空氣進行壓縮獲取足夠的動力，轉換成設備加載啟動所需的能量，使相關設備能夠達到額定的電壓和轉速。在完成柴油機的6次起動之后，要求起動系統可以進行自行補氣，為后續工作提供保障，在之后的45min內，自行補氣的氣體壓力要能夠滿足再次起動6次的要求，如此循環往復，實現起動系統的自動運行。

起動系統在投入使用前需要經過多次試驗，確保起動系統能夠達到使用要求，提供系統的可靠性，相關規定顯示，應急柴油發電機組起動系統的試驗次數為100次，其中有10次需要在應急狀態下進行測試，如果每次都可以在規定的時間內正常起動，才可以正式投入使用，否則就要進行相應地改進。

1.2柴油機起動裝置的組成

柴油機起動裝置的組成有很多部分，主要包括空氣馬達、起動閥、電磁閥、安全閥、減壓閥、進出口自濾器等，工作的時候，通過各個部位之間相互作用，能夠完成起動裝置的運行。電磁閥在得到起動信號的時候會完成通電，利用空氣壓力，使空氣馬達與齒輪與柴油機轉軸的齒輪要咬合在一起，帶動轉軸的轉動，當轉速足夠快、達到點火要求時，電磁閥部位就會自動斷電，不會繼續壓縮空氣，空氣馬達齒輪將會與轉軸齒輪松開，完成起動裝置的起動。

2.機外壓縮空氣系統設計

機外壓縮空氣系統主要是對空氣進行壓縮，為柴油機起動系統提供動力，同時還需要對壓縮的空氣進行干燥處理、使其保持足夠的清潔，保證壓縮空氣的可靠性，系統的主要組成包括空壓機、儲氣瓶、冷干機、除油濾器、除塵濾器以及壓力開關。通過對系統進行起動性能試驗、補充氣試驗以及可靠性試驗，檢測系統設計是否滿足要求和標準，確保系統的正常運行。

在空壓機的選擇上，一般選用高壓往復式類型，這種空壓機的前后都設有冷卻器，具有良好的降溫性能，通過水氣分離器，能夠有效地將壓縮空氣產生的液態水進行排除，起到干燥作用。儲氣瓶的作用是為空氣馬達的轉動提供足夠的動力，至少可以使其起動6次。起動系統在運行的時候，空氣在壓縮作用下，溫度會變得比平常高，并且還會存在一定的水分，當這些空氣進入到儲氣瓶后，高溫會對瓶內環境造成一定的影響，瓶內空氣中的水分會逐漸凝聚成水珠，降低了儲氣瓶內的壓力，為了補充空氣壓力，空壓機便會經常起動，使用次數的增多會加快空壓機的磨損，降低了空壓機的使用性能、縮短了設備的使用年限，而空氣中的水分也會對系統的性能造成影響，不利于系統的正常運行，所以需要使用冷干機對壓縮空氣進行干燥，去除其中的水分。除油濾器、除塵濾器的作用是對壓縮空氣進行凈化，壓縮空氣經過空壓機的時候，會攜帶少量的潤滑油，再加上空氣中本就存在的雜質顆粒，壓縮空氣的質量比較差，空氣中的各種雜質長時間積累下去，會沉積在空氣馬達上，極不利于空氣馬達的正常運轉，容易發生故障現象，所以就需要做好對壓縮空氣的清潔工作。壓力開關的可以根據壓力的改變切換空壓機的運行狀態，因為系統的設計采用了自動化技術，當壓力比設定的下限值低的時候，空壓機便會自行啟動，下限值的設定數值為2.5MPa；當壓力比設定的上限值大的時候，空壓機便會停止運作，上限值的設定數值為3MPa，這樣可以有效減少空壓機的頻繁啟動，延長使用壽命。

3.抗震計算研究

3.1管路抗震計算

對管路抗震性能的研究，可以通過構建外壓縮空氣系統管路三維模型來實現。建立相應的模型，設計管卡位置，利用專業知識對響應譜的結果進行分析，經過科學、準確的計算，確定管路發生偏移的位置，得出地震激勵作用下管路的偏移數值，除此之外，還可以得出最大應力值的具體大小和位置，然后將計算結果與《核電廠抗震設計規范》中有關應力計算的標準進行比較，確保管路抗震性能達到規定要求。

3.2儲氣瓶抗震計算

儲氣瓶的抗震性能一般選用反應譜法來進行評估、計算，常用的分析軟件是ANSYS，應用該軟件的時候，需要先將儲氣瓶的實體模型導入到軟件系統中，建立有限元模型，依次完成預應力分析、模態分析、譜分析，然后在對模態進行擴展合并，對最后結果進行分析計算，完成儲氣瓶抗震計算。

通過模態分析，可以對系統的內部結構進行深入的了解，明確各種設備的振動特性，根據設備的振動特性，可以調整抗震設計。當儲氣瓶內裝有壓縮空氣的時候，瓶內就會存在一定的壓力，此時應該進行有預應力的模態分析，將壓縮空氣對振動特定的影響也計算在內，確保計算結果的科學性和準確性。模態分析的具體過程是，在儲氣瓶的表面施加于瓶內壓縮空氣的同等壓力，對儲氣瓶進行固定處理，提高儲氣瓶的穩定性，一般通過對支腳施加約束來實現。當一切準備就緒的時候，將預應力效果打開，對靜應力進行分析，得出詳細的分析結果，通過分析結果可以得出儲氣瓶的位移情況，判斷其發生最大位移的位置和具體數值。

譜分析是一種對模型的位移和應力進行計算的分析技術，進行譜分析的時候，需要以模態分析結果為基礎，與一個已知的譜相結合，通過兩者之間存在的關系來完成相關計算。通過普的曲線形式，可以知道譜值與頻率之間的關系，獲取載荷的強度和頻率在不同時間點的具體信息。譜分析結果中沒有對應力結果進行記錄，在用單點響應譜分析法進行計算的時候，為了確保計算結果的準確性，需要對模型進行擴展與合并。

模型擴展的目的是為了后期處理結果的觀察提供方便，具體過程是將設備的振動特性進行記錄，將記錄結果統一管理，保存至對應的文件中。模態合并規定方法是SRSS，激勵譜頻率不同會對結構產生不一樣的影響，將這些影響結果進行組合，就得到了最終的相應結果。最終的相應結果包括模型合并后的總位移、模型擴展后的總應力和總應變，得出模型發生位移的詳細位置和具體數據，

結語

應急柴油發電機組是核電站建設的重要組成部分，做好機外空氣壓縮系統設計，并對其性能進行測試，確保系統設計的合理性、可靠性；對系統進行準確的抗震計算，評估系統的抗震性能，對保證應急柴油發電機組的運行質量具有重要意義，隨著核電研究力度的不斷加強，相信有關工作會取得更大的進展。

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