核電用380V柴油發(fā)電機(jī)組功能及故障淺析

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(yàn)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(dòng)開啟，為安注水箱補(bǔ)水。在全廠失電時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)，要求啟動(dòng)120 s 內(nèi)為主泵一號(hào)軸封注水從而保證一回路完整，同時(shí)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(jī)組以提高水壓試驗(yàn)泵系統(tǒng)供電電源可靠性。目前，水壓試驗(yàn)泵系統(tǒng)采用汽輪發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源，機(jī)組老化，備件缺乏，可靠性不高。在全廠失電時(shí)，優(yōu)先啟動(dòng)新增柴油發(fā)電機(jī)組為核電站水壓試驗(yàn)泵供電，保證主泵一號(hào)軸封供水。如果柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)失敗，再啟動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組，雙重保障以實(shí)現(xiàn)提高核電站應(yīng)急電源可靠性的目的。

1 設(shè)計(jì)原則及安全準(zhǔn)則

在正常或設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下，水壓試驗(yàn)泵系統(tǒng)不執(zhí)行安全功能，柴油機(jī)組屬于RCC-P NC 級(jí)設(shè)備。在失去全部電源的情況下，水壓試驗(yàn)泵能確保一回路冷卻劑泵（主泵）1 號(hào)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(jì)工況），給機(jī)組運(yùn)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(hào)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(cè)到6.6kV 失電算起，在2min 內(nèi)水壓試驗(yàn)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(xiǎn)[1]。在此工況下，水壓試驗(yàn)泵系統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)組在10 s 的時(shí)間內(nèi)就能夠達(dá)到額定轉(zhuǎn)速和額定電壓，以保證水壓試驗(yàn)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(yùn)行工況下AB 列同時(shí)帶電，在6.6kV 配電盤AB 列都不能供電的情況下，水壓試驗(yàn)泵柴油發(fā)電機(jī)組正常工況時(shí)，不需要任何外部作用也能自動(dòng)啟動(dòng)。在此工況下，柴油發(fā)電機(jī)組投入的唯一保護(hù)是超速保護(hù)。如果在運(yùn)行期間達(dá)到超速保護(hù)的閾值，只要脫扣后在就地盤上進(jìn)行復(fù)位，柴油發(fā)電機(jī)組就可立即重新啟動(dòng)。柴油發(fā)電機(jī)組及其輔助系統(tǒng)應(yīng)有良好的啟動(dòng)和運(yùn)行可靠性。水壓試驗(yàn)泵的自動(dòng)啟動(dòng)過程分為3 種情況：

1）柴油發(fā)電機(jī)一次啟動(dòng)成功，為水壓試驗(yàn)泵供電。

2）柴油發(fā)電機(jī)第一次啟動(dòng)失敗后，第二次啟動(dòng)成功，為水壓試驗(yàn)泵供電。

3）柴油發(fā)電機(jī)連續(xù)兩次啟動(dòng)失敗，啟動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)為水壓試驗(yàn)泵供電。

每臺(tái)機(jī)組配備一臺(tái)水壓試驗(yàn)泵柴油發(fā)電機(jī)組，因此在一臺(tái)機(jī)組大修期間對(duì)這臺(tái)機(jī)組的水壓試驗(yàn)泵柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行預(yù)防性維修，不影響另外一臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行。

2 柴油機(jī)設(shè)計(jì)

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

發(fā)電機(jī)組應(yīng)具有承受以下故障的能力：

◇ 發(fā)生超速故障時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)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(jī)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(yùn)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(jī)端子處沒有外部動(dòng)作時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組能正常運(yùn)行72h。

設(shè)置自動(dòng)切換開關(guān)柜（ATS），實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)組或?qū)?yīng)汽輪發(fā)電機(jī)組供電的切換。

3 柴油發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)

3.1 柴油發(fā)電機(jī)組

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

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

柴油發(fā)電機(jī)組額定功率達(dá)216kW，水壓試驗(yàn)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(jī)組完全滿足實(shí)際需求。

3.2 控制器

柴油發(fā)電機(jī)組控制器由科邁控制器（下文簡(jiǎn)稱Com AP），以及柴油機(jī)自帶調(diào)速器（下文簡(jiǎn)稱ECU）構(gòu)成。科邁控制器負(fù)責(zé)人機(jī)接口及外部邏輯，ECU 完成柴油機(jī)本體控制。科邁控制器接收上游啟動(dòng)、停止、保護(hù)等信號(hào)并將信號(hào)傳輸至ECU，ECU 接收轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)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(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊。所有人機(jī)交互數(shù)據(jù)以及報(bào)警均由科邁控制器發(fā)出，主要包含如下：

低電壓保護(hù)、過電壓保護(hù)、低頻保護(hù)、過流保護(hù)、發(fā)電機(jī)繞組溫度高、發(fā)電機(jī)軸承溫度、啟動(dòng)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(jìn)機(jī)壓力低、油箱液位低、油箱液位低低。

如果柴油機(jī)是由緊急啟動(dòng)信號(hào)啟動(dòng)，則柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)僅投入超速保護(hù)，其它保護(hù)均被閉鎖，但發(fā)出報(bào)警。在就地手動(dòng)啟動(dòng)期間所有保護(hù)投入。

3.3 電氣系統(tǒng)

柴油機(jī)電氣部分由控制面板（EMS）、傳感器/執(zhí)行器、啟動(dòng)馬達(dá)、柴油機(jī)機(jī)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(hào)用于控制、保護(hù)柴油機(jī)。執(zhí)行器由噴油器組成，用于控制噴油量。

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

啟動(dòng)馬達(dá)用于在噴油前對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行盤車，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)180rpm 或供油壓力達(dá)3bar 時(shí)ECU 控制器發(fā)出噴油指令，啟動(dòng)馬達(dá)退出。機(jī)組啟動(dòng)過程中，會(huì)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(dòng)馬達(dá)長期處于高溫環(huán)境，會(huì)造成啟動(dòng)機(jī)壽命降低[3]。

4 柴油發(fā)電機(jī)組啟停時(shí)序

4.1 柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)時(shí)序

柴油發(fā)電機(jī)組手動(dòng)啟動(dòng)信號(hào)分為AB 列，單列信號(hào)觸發(fā)不會(huì)啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組，柴油發(fā)電機(jī)組同時(shí)接收上游AB列手動(dòng)啟動(dòng)命令時(shí)，柴油機(jī)啟動(dòng)。

首先，科邁控制器接收上游啟動(dòng)命令，當(dāng)AB 列啟動(dòng)信號(hào)同時(shí)存在時(shí)科邁控制器啟動(dòng)，隨后ECU 得電，4s 后ECU 收到科邁控制器發(fā)出的啟動(dòng)命令（4s 用于科邁控制器的預(yù)啟動(dòng)），啟動(dòng)開關(guān)閉合，啟動(dòng)馬達(dá)投入，柴油機(jī)開始盤車。同時(shí)，電路板激活（ECU 開始工作）。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)180rpm 時(shí)柴油機(jī)噴油點(diǎn)火，轉(zhuǎn)速480rpm 時(shí)盤車退出，柴油機(jī)在活塞運(yùn)動(dòng)下繼續(xù)升速，ECU 接收科邁控制器轉(zhuǎn)速命令。總時(shí)序邏輯圖如圖2 所示。

4.2 柴油發(fā)電機(jī)組停機(jī)時(shí)序

柴油發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)由保護(hù)或者手動(dòng)觸發(fā)停機(jī)信號(hào)，科邁控制器觸發(fā)停機(jī)信號(hào)使ECU 失電，噴油器停止噴油，電路板不工作。停機(jī)時(shí)序如圖2 所示。

圖2 柴油機(jī)啟停時(shí)序邏輯Fig.2 Diesel engine start-stop sequence logic

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

5 現(xiàn)場(chǎng)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(jī)組檢修后首次離線再鑒定啟動(dòng)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速上升至1500rpm，出現(xiàn)“停機(jī)失敗停機(jī)”報(bào)警，柴油發(fā)電機(jī)組停機(jī)。

調(diào)查故障原因，多次啟動(dòng)柴油機(jī)組均與上述故障現(xiàn)象一致，啟動(dòng)信號(hào)發(fā)出到出現(xiàn)“停機(jī)失敗停機(jī)”時(shí)間間隔均為14s。

2017 年11 月5 日，將盤車時(shí)間設(shè)置由5s 臨時(shí)修改為8s，再次啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速到達(dá)1500rpm，穩(wěn)定運(yùn)行，故障現(xiàn)象消失。將盤車時(shí)間再次恢復(fù)到5s，多次驗(yàn)證均啟動(dòng)成功。啟動(dòng)時(shí)間由14s 逐漸降低至9s。故障時(shí)序如圖3所示。

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

5.2 故障分析

因?yàn)椴裼蜋C(jī)由起動(dòng)機(jī)帶動(dòng)啟動(dòng)，起動(dòng)機(jī)又由ECU 控制[3]。以上故障是由ECU 設(shè)計(jì)原因?qū)е拢唧w分析如下：

啟動(dòng)信號(hào)發(fā)出后，且檢測(cè)到柴油機(jī)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(dá)700rpm，判斷繼續(xù)嘗試啟動(dòng)，進(jìn)入間歇時(shí)間。此時(shí)盤車退出，油閥應(yīng)關(guān)閉，但ECU 對(duì)于啟動(dòng)成功判斷條件為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速大于350rpm，5s 時(shí)ECU 檢測(cè)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(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升。

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

將盤車設(shè)置時(shí)間由5s 臨時(shí)修改為8s 故障消失，是由于首次啟動(dòng)時(shí)供油管道內(nèi)存在空氣，供油量低，在5s 內(nèi)柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速無法升至700rpm，多次啟動(dòng)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(dòng)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(jī)轉(zhuǎn)速無法達(dá)到700rpm，后續(xù)新機(jī)組第一次啟動(dòng)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(duì)于啟動(dòng)成功的定義不同，科邁控制器定義柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速大于700rpm 為啟動(dòng)成功，ECU 控制器定于轉(zhuǎn)速大于480rpm 為啟動(dòng)成功。科邁控制器參數(shù)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，需要修改成與ECU 一致。

6 總結(jié)

本文從水壓試驗(yàn)泵系統(tǒng)功能、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和原則出發(fā)，詳細(xì)介紹了水壓試驗(yàn)泵系統(tǒng)組成與功能，從設(shè)備組成角度簡(jiǎn)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(jī)組，將該發(fā)電機(jī)組的組成及控制邏輯做了簡(jiǎn)要分析。最后，對(duì)實(shí)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(jī)組在核電使用中提供參考經(jīng)驗(yàn)。