核电站应急柴油发电机组自动控制系统

刘晓宇

摘 要：为确保核电站的安全运行，要求核电站具备非常可靠的供电系统。在国内核电站中，除了500kv和220kv开关站作为核电站应急状态下的外部主备用电源外，应急柴油发电机组作为后备应急电源得到广泛应用。作为核安全应急系统供电的最后一道屏障，核电厂应急柴油发电机组发挥着巨大的作用。为实现核电站应急柴油发电机组启动和运行的高可靠性，对其自动控制系统提出了非常高的要求。为此文章针对核电站应急柴油发电机组自动控制系统相关知识、特点和改进方向进行分析研究。

关键词：核电站；应急柴油发电机组；自动控制系统

引言

在核电站工作中，设置的应急柴油发电机组可以快速完成启动，对核电站的设备、工作等起到保护的作用。应急柴油发电机组在核电站工作中发挥着重要的作用，为核反应堆有稳定、可靠、安全、足够的电源，在正常电源出现故障时，可以保证核反应堆安全地关闭，不释放放射性的物质。针对应用柴油发电机组自身的特点，在核电站使用中的要求等方面的内容进行分析，认识应急柴油发电机组在核电站中应用的改进方向，为核电站的工作提供安全稳定的电源保障。

1 核电站对应急发电机组的技术、质量要求

在核电站核反应堆运行过程中，利用核裂变产生的能量，将其堆芯成为一个具有强烈作用的放射源，当这个反应堆停止时，就将自动释放大量的热量，产生堆芯余热。此时形成的堆芯余热，会随着时间不断减少，但是如果没有对堆芯余热进行及时有效的冷却，堆芯的温度将会持续的升高，直到将堆芯熔化，自动将核反应堆设计中的多重实体屏蔽，将大量具有放射性的物质释放到环境中，造成严重的后果[1]。针对以上核电厂的工作需求，应急柴油发电机组成为厂外电源全部失效后堆芯余热释放的最后动力源。

基于核电站应急柴油发电机组的重要性，对机组设备的技术质量提出了较高的要求。机组设备的核安全等级一般为1E级，质保等级为Q1。机组的持续输出功率一般在5000kW～8000kW之间，一般要求机组可连续7天运行。在机组设计和设备选择上，遵循安全可靠的原则。每台核电机组对应两列或更多柴油发电机组作为应急电源，每列机组均具备安全停堆应急电源的功能。除每台核电机组设置了两列应急柴油发电机组外，还设置了全厂附加柴油机组以及后备柴油发电机组，以应对不同应急情况的发生。机组的启动装置有两套，一般为两套互相独立的压缩空气启动系统，每套压缩空气启动系统均能单独完成5次应急启动。每台柴油机一般配备两套调速器，在其中一套调速器出现故障时另一套调速器可自动投入。转速控制和超速保护方面，使用三选二逻辑，且调速器和控制柜分别配备独立的三选二信号源，进一步降低错误信号触发停机的可能性。总之，在机组设计方面采用了大量的冗余设计，可有效降低故障发生概率，确保机组安全可靠运行。

在应急启动方面，要求机组在收到应急启动信号后10S内完成启动，建立额定频率和电压。

除了以上这些要求外，核电厂应急柴油发电机组还需要具有一定的事故承受能力，在运行的过程中，可以承受一定程度上的故障。

2 核电站应急柴油发电机组自动控制系统的特点

核电站应急柴油发电机组的自动控制系统除了一般要求外，具有其自身的特点，主要包括以下两个方面：

（1）高可靠性

高可靠性主要体现在：可实现自动化操作和无人值守；启动装置冗余配置；关键信号冗余设计；恶劣条件下（例如地震）保持功能性。

启动可靠性直接影响机组整体可靠性，根据IEEE387标准要求，核电站应急柴油发电机组100次启动试验中启动成功次数不得低于99次。

另外，在自动控制系统应用的可编程软件方面，要求安全级设备/部件的可编程软件必须通过严苛的鉴定（IEC60880）。

（2）应急运行时的低敏感性

核电站应急柴油发电机组具备试验和应急两个模式的控制系统。在试验模式下，所有故障报警信号均投入运作。在应急模式下，收到应急启动信号后即进入应急启动和运行模式，除了超速保护和短路保护两个停机信号会起作用外，其他信号在遇到故障时只报警不停机（例如水温高、油压低、排气温度高等），必要时以牺牲柴油机寿命或性能为代价，确保机组在应急状态下能够连续运行。也就是说，核电站应急模式下的柴油机组对除恶劣故障外的信号均不敏感。

3 核电厂应急柴油发电机组自动控制系统的工作状态

随着科学技术的发展，应急柴油发电机组自动控制系统在核电厂工作得到应用，应急柴油发电机组自动控制系统，在核电厂工作中的运行状态主要有：

（1）供电

应急柴油发电机组的供电时，在机组正常运行下，检测到应急柴油发电机组的频率或者电压超过设定的限制时，需要让发电机组处于空载的状态，如果在空载的状态下，检测到的发电机组的频率或者电压，还是超过设定的限制，此时就可以认为柴油机发生故障，需要停机报错。在核电站工作中，应急柴油发电机组的其重要的安全保障，所以在正常电源良好的状态下，也需要加强柴油机组的检测和保护[2]。

（2）启动

在应急柴油机启动的过程中，需要对柴油机的电压、电流等参数进行检测，并对应急柴油机的启动状态进行判断，在10s内可以建立额定电压和额定频率，是当前核电站应急柴油发电机组成功启动的判断标准。在安全级供电丧失时，DCS会发送20s长延时启动信号至柴油机启动回路，有的核电站柴油机在1次启动不成功后会自动闭锁回路，有的核电站柴油机组会在20s内不断尝试启动，约可尝试3次启动，3次仍无法启动则不再尝试启动，宣布此列柴油机失效；所以对应急柴油发电机组的电量参数等进行测量和判断是应急柴油发电机组自动控制系统核心工作。

（3）操作

在应急柴油发电机组自动控制系统中，设置有试验、参数显示、错误显示等按钮，在应急柴油机没有进入应急工作时，可以对应急柴油发电机组的正常运行进行试验，按下试验按钮，应急柴油发电机组就会立即启动，对柴油发电机组的正常工作进行自动的检测，在柴油发电机组启动后，柴油发电机组的相关参数就会显示出来，此时按下参数显示按钮，可以清楚的对柴油发电机组的各项参数进行查看，将错误显示按钮按下，可以对柴油发电机组在近期的工作状态、故障状况等进行显示[3]。如果在柴油发电机组启动后，长时间没有按下相关的按钮，柴油发电机组就会自动的切换显示状态，依次显示发电机组的相关参数。

4 核电厂应急柴油发电机组自动控制系统的工作

在核电厂工作中，应急柴油发电机组具有一定的功能和特殊性，是核电厂的故障发电机，所以在应急柴油发电机组中有非常多的控制和保护设置。应急柴油发电机组自动控制系统的工作有两种模式，一种是应急模式，一种是试验模式。应急模式是对核电厂工作电源和辅助电源发生故障时的核反应堆进行保护，保护、安全压力、应急母线压力等信号的产生，触动柴油发电机组启动，进入工作状态，对反应堆进行连续的冷却，并保证工作质量，不发生错误的启动，这个过程中对应急柴油发电机组的安全性、稳定性、可靠性要求非常高，除了严重故障，其他任何工作状态都不能发生跳闸。试验模式是对应急柴油发电机组的运行状态、灵敏性等进行检测。

核电厂正常电源和辅助电源发生故障之后，应急柴油发电机组进入应急工作状态，自动控制系统开始工作。在应急状态下，对柴油发电自己的自动控制系统工作的要求非常高，对继电保护的可靠性也有较高的要求。

应急柴油发电机组工作状态的判断，并不是是否发生了故障，而是将应急柴油发电机组产生的电能质量作为判断的标准，其产生的电能质量是否满足要求。因为在应急柴油发电机组启动的过程中频率较低，输出电压也相对的较低，因此不会发生错误启动。在应急工作状态下，柴油发电机组会进行跳闸保护，也就是在核电厂工作的过程中，发生紧急事故时，柴油发电机组会通过相关的动作，将其运行的稳定性和可靠性提升[4]。在检测完相关的参数以后，柴油发电机组进入应急工作状态，并对自身的工作状态进行保护。核电厂应急柴油发电机组自动控制系统的应急启动程序流程图如下：

5 核电站应急柴油发电机组自动控制系统的几个改进方向

5.1 自动控制系统控制柜由传统的继电保护装置向可编程控制器（PLC）控制系统转变

目前国内核电站应急柴油发电机组控制柜部分采用传统的继电保护装置，部分采用PLC控制系统；传统的继电保护装置采用继电器和接触器构成自动控制系统，由于其所需元器件数量很多，控制电路复杂，导致工作可靠性较差，故障率较高，且后期维护非常不便；控制系统采用PLC时，柴油发电机组的工作由软件控制，可大大简化控制电路，控制系统的可靠性较高；1E级控制系统采用可编程控制器时要求通过IEC 60880标准的鉴定，其软件的高可靠性也可以得到确保。

5.2 由提高单一系统或设备的可靠性向提高系统整体可靠性方向发展

应急柴油发电机组自动控制系统由信号搜集装置、信号传输线路、信号处理装置以及执行机构组成。目前，在国内核电站应急柴油发电机组的建设和运行中，关注的重点是在信号处理装置上，在信号处理装置上的设备制造、安装、调试管理都非常严格，然而对于传感器安装调试、线路敷设、执行机构验证等方面做得还不够。事实上，上述自动控制系统的组成部分无论哪一部分出问题都会导致自动控制失效，从而降低系统的整体可靠性。例如：某核电站应急柴油发电机组控制系统经常出现闪报警或误报警，后经调查发现，直接原因是由于信号线路施工不规范导致线路受到干扰；某核电站调试和运行期间某温控开关故障，直接导致应急柴油机组不可用；某核电站因励磁线路接线错误导致机组输出电压始终无法达到额定值；等等。在柴油机组控制系统调试问题统计中，尤其在应用了PLC的柴油机组控制系统上，控制系统其他方面的故障大大超出信号处理装置本身的故障。所以，为提高核电站应急柴油发电机组自动控制系统的整体可靠性，需要提高控制系统各组成部分的技术和管理要求。

5.3 柴油机调速器向电子调速器和机械调速器互为备用发展

为确保核电站应急柴油发电机组的可靠运行，机组基本配备了两套调速器互为备用。目前国内有部分核电站应急柴油发电机组调速器采用了双电子调速器互为备用模式，尽管电子调速器具有灵敏度高、响应快的特点，但其可靠性不如机械调速器，国内某核电站曾经因电子调速器存储器写满而产生故障的问题、某固定功率段频率抖动问题等等，且由于电子调速器故障成因复杂，故障排查困难，进一步影响了机组的可用时间。而机械调速器可靠性较高，将机械调速器作为电子调速器的备用，可有效避免使用两套电子调速器时的共模故障问题，以进一步提高机组运行的可靠性。

5.4 自动控制系统中增加冷却水自动补充功能

在国内核电站应急柴油发电机组调试和试运行期间曾发生过多次冷却水系统渗漏水问题，例如某核电站在调试试验期间冷却水弯管裂纹漏水、风冷器故障漏水、正常运行时安全阀打开导致漏水、橡胶件老化导致冷却水渗漏水问题等等，由此可见冷却水系统某部位因故障而漏水问题比较普遍，问题发生的原因也多种多样，而目前国内核电站应急柴油发电机组不具备冷却水自动补充的功能，仅在维护时可实现手动补水，而机组运行时由于冷却水温度较高，手动补水的危险性也较大，为机组安全可靠运行带来隐患。为提高机组的可靠性，确保在情况下机组也可以连续7天运行，具备冷却水自动补充很有必要。

6 结束语

应急柴油发电机组在核电站工作中的应用，可以说是核反应堆安全的保障，在正常电源失常的状态下，可以发挥其作用。在核电站工作中应急柴油发电机组的安全性、稳定性、可靠性等非常高的要求，随着核电站的发展，和科学技术的进步，应急柴油发电机组在核电站中的应用，在性能、结构等方面将不断的完善和改进，提高自身的稳定性，同时将自身的功能完善，适用核电站的发展需求。

参考文献

[1]杨代强.核电厂应急柴油发电机的电气保护问题研究[J].煤炭技术，2012（12）：192-193.

[2]李德佳.核电站应急柴油发电机组的特点分析和调试[J].电力设备，2006（08）：40-41.

[3]席文英，赵春波.浅谈柴油发电机自动控制系统的相关问题[J].黑龙江科技信息，2010（22）：40-40.

[4]廖晓英.柴油发电机组自动控制系统的研究与运用[J].科技资讯，2012（08）：130-130.