反應堆應急柴油發電機組啟動超時研究

高儉　雷超　陳慶旭　魏大明　周金昊　胡啟帥　曹宇　楊松

摘要：應急柴油發電機組是反應堆的重要組成部分，在正常電源全部失去的情況下，均有能力滿足應急配電系統的要求，以確保應急負荷的連續供電。啟動時間是評價應急柴油發電機組的重要指標，根據設計文件要求，為保障反應堆安全運行，機組在接到啟動信號后10秒內須完成啟動，但試驗期間發現機組啟動時間并不能滿足設計要求。本文基于應急柴油發電機組及其輔助系統的工作原理，通過對比分析啟動試驗數據，研究機組啟動超時原因，并提出優化方案對機組及其輔助系統進行改進，有效解決機組啟動超時的問題，保障反應堆安全運行。

關鍵詞：反應堆;應急柴油發電機組;啟動時間

0 ?引言

應急柴油發電機組是反應堆的重要組成部分，其作為應急電源，承擔著在出現全廠區正常電源喪失情況下接到啟動信號后立即啟動且能完成重要安全設備帶載，設備安全穩定運行的安全功能。啟動時間是評價應急柴油發電機組的重要指標，啟動時間的長短直接關系到反應堆的安全運行。因此，設計文件對啟動時間也做了嚴格的規定，機組接到啟動信號后啟動完成且具備帶載的時間必須≤10s，但試驗期間發現機組啟動時間并不能滿足設計要求。本文基于應急柴油發電機組及其輔助系統的工作原理，通過對比分析啟動試驗數據，研究機組啟動超時原因，并提出優化方案對機組及其輔助系統進行改進，有效解決機組啟動超時的問題。

1 ?應急柴油發電機組啟動簡介

1.1 啟動原理

應急柴油發電機組本身不具備自行啟動能力，機組啟動必須借助于外力，因此機組配置啟動系統。為保證柴油機啟動的可靠性，柴油機的啟動系統設計為冗余設置，每臺柴油發電裝置設置兩臺完全獨立的壓縮空氣啟動系統和電啟動系統。

壓縮空氣啟動系統是由壓縮儲氣罐供給高壓空氣，實現應急柴油發電機組的空氣啟動。

電啟動系統為應急柴油發電機組自帶的電馬達裝置，通過啟動蓄電池組供給電馬達24V直流電，實現啟動。單個啟動蓄電池組的容量能夠滿足連續啟動機組5次。

應急柴油發電機啟動設定為電啟動優先，當電馬達一次啟動失敗后，控制系統能夠自動切換到空氣啟動，如此循環3次，循環3次未啟動成功，機組則啟動失敗報警。

1.2 啟動時間

啟動時間是指應急柴油發電機組接到啟動信號后啟動完成且具備帶載的時間，它是評價應急柴油發電機組的重要指標[1]。為了驗證和保持應急柴油發電機組的安全功能，每月需對機組進行定期試驗。表1為試驗期間連續5個月應急柴油發電機組啟動數據。現場試驗啟動時間與設計啟動時間對比見圖1。

由圖1可以看出，應急柴油發電機組啟動時間超過設計值。試驗過程中機組采用的啟動方式為冷態電啟動，根據設計要求機組啟動時冷卻水溫度>40℃，滑油溫度>35℃，啟動蓄電池電壓24～28V之間。由表1可知，機組啟動準備條件滿足要求，試驗數據有效。

2 ?啟動超時分析

根據應急柴油發電機組出廠試驗報告，5次啟動數據如表2所示。出廠試驗啟動時間、現場試驗啟動時間與設計啟動時間對比見圖2。

由表2可知，機組出廠試驗啟動準備條件滿足要求，啟動試驗數據有效。出廠試驗時，啟動時間滿足設計要求。

應急柴油發電機組能夠順利啟動的主要依靠三個因素[2]：一是霧化良好的柴油能準時送達燃燒室，及保障啟動瞬間有充足的燃油和空氣;二是燃燒室里的壓縮空氣能有足夠的燃燒溫度使燃油著火;三是啟動時有足夠的外力作用于曲軸，使其轉動啟機。應急柴油發電機組本體、電動馬達、啟動蓄電池在現場試驗時未出現故障，未發生啟動系統起始扭矩不足問題。綜合以上分析，應急柴油發電機組啟動超時主要原因在機組配套的輔助系統。考慮到機組出廠前試驗外接燃油管路布置與反應堆現場不同，燃油管路布置也會導致啟動時燃油供給不足，因此分析重點考慮燃油系統。

2.1 燃油外管路分析

燃油系統的功能是通過主儲油罐、日用油箱等設備儲存機組所需燃油，再由燃油輸送泵、燃油增壓泵、過濾器及閥門等設備管道，為柴油機提供正常啟動運行所需的燃油量[3]。

應急柴油發電機組燃油系統流程簡圖如圖3所示。燃油由日用油箱通過混油箱閥門后進入機組，回油由機組排出，經過散熱器后回混油箱與新油混合再進入機組。燃油進入機組后由輸油泵送入燃油分配裝置，經分配后送入各氣缸做功，多余的燃油回到混油箱。

現場檢查機組外燃油管，日用油箱油中燃油由燃油泵從燃油儲油罐抽至日用油箱，日用油箱油位與燃油泵存在聯鎖，始終保持日用油位位于1/3～2/3之間，滿足啟動要求，外管路日用油箱至機組段未設置泵，機組燃油供給完全依靠機組自身燃油增壓泵。外燃油管路連接可靠。但通過分析外管路布置，發現回油管至混油箱管路布置不合理。

圖4為混油箱簡圖。通過分析其工作原理可知回油由N2進入混油箱與N1進入的新油混合后由N3進入機組，回油動力與新油動力都由輸油泵提供，在機組啟動瞬間，給油量為最大值，混油箱位于燃油主路線上，在輸油泵啟動瞬間N2口會產生負壓，將軟管內的回油吸入。機組長期停運時，回油管與輸油管內會存在一定空氣，輸油管進入機組處接有燃油手動泵，啟動前可通過燃油手動泵手動打壓排出輸油管內空氣。但回油管路并未設置排氣裝置，在機組啟動時空氣會經過回油管路進入混油箱，由混油箱進入機組，使得啟動瞬間燃油供油量不足，導致啟動時間延長。

2.2 機組燃油管路分析

檢查機組自帶的燃油管路發現燃油手動泵（圖3中2號泵）前止回閥（3號止回閥）處存在漏油現象，初步判斷止回閥故障。當機組啟動時1號泵燃油增壓泵啟動，由于輸油泵與燃油手動泵位于同一條管路上在壓力突然增加時會吸入周圍空氣進入燃油管路，使得瞬間供油不滿足要求，燃油不足，導致啟動時間延長。

3 ?啟動超時處理

3.1 處理方案

經排查分析，導致機組啟動超時有三點原因：

①手打燃油泵止回閥出現密封不嚴漏油問題;

②機組停運期間，輸油管線會進入空氣，導致啟動瞬間燃油供給不足，影響啟動時間;

③機組停運期間，回油管線會進入空氣，導致啟動瞬間燃油供給不足，影響啟動時間。

為徹底解決機組啟動超時的問題，從多角度出發，最終得出以下處理方案：

①對于第1點原因，機組手打泵止回閥故障導致的啟動時供油不足，導致的啟動超時問題通過更換此止回閥，保障該部件的可靠性、穩定性，來解決這一問題;

②對于第2點原因，通過升版應急柴油發電機組運行維護規程，增強對輸油管路排氣頻率，減少因機組長期處于備用且未運行狀態導致的燃油輸油管路進氣問題;

③針對第3點原因存在兩種處理方案：

1）在回油路線增加排氣裝置，定期排氣減少因機組長期處于備用且未運行狀時管路內的空氣。

2）改變回油管線，由于回油管路未設置排氣裝置，因此回油接口不能布置在輸油主路線位置，即回油口不能位于日用油箱至輸油泵的管線之間。

考慮到現場回油管路的布置，若按方案1）要在回油管路安裝排氣裝置，由機組散熱器至混油箱的回油管路總長大概為2m，機組至房間邊界寬約為2m，空間限制較大，且成本增加較多;而按方案2）結合現場實際情況可將回油管路由散熱器引至日用油箱，成本少，且施工難度低。綜合考慮兩種方案，以方案2）為最佳。

3.2 試驗結果

根據處理方案對反應堆應急柴油發電機組輔助系統進行改造。表3為改造后連續5個月應急柴油發電機組啟動試驗數據。對應改造后現場試驗啟動時間對比見圖5。

由圖5可以看出，應急柴油發電機組經過改造，啟動時間較改造前大大縮短，均滿足設計值。

4 ?結論

本文基于應急柴油發電機組及其輔助系統的工作原理，通過對比分析啟動試驗數據，分析機組啟動超時原因，并針對3點原因提出了改造方案，從運行方案及機組及其輔助系統改造等方面進行優化，應急柴油發電機組經改造后，徹底解決機組啟動超時的問題，保障反應堆安全運行。

參考文獻：

[1]魏杰，張京長.核電廠備用電源用柴油發電機組準則[S].2004.

[2]楊占峰.柴油機啟動性能主要影響因素分析[J].2019.

[3]汪建軍，馬水波，王存龍.核電廠應急柴油發電機組燃油系統的設計[J].2017.

作者簡介：高儉（1995-），男，四川雅安人，本科。