中国实验快堆应急柴油发电机的可靠性分析

姚泽文

摘要：中国实验快堆的应急柴油发电机组是保证反应堆安全停堆以及后续事故处理的最重要的专设安全设施之一。其主要功能是在失去厂外电源或中压母线故障时，为厂应急母线提供可靠的电力。因此，提高应急柴油发电机组的可靠性，对中国实验快堆的安全性至关重要。本文基于以可靠性为中心的维修理念分析不同系统设备故障以及定期试验对急柴油发电机组的影响，利用故障树法对系统进行定性、定量分析，并提出维护优化建议，对急柴油发电机组的运行和维修提供数据支持。

关键词：应急柴油发电机； 以可靠性为中心的维修；维修优化；故障树法；可靠性

中图分类号：TL 3 文献标识码：A

1 引言

针对核电站应急柴油发电机组（EDG）的可靠性维修，都是在其定期试验的基础上进行的。为了提高应急柴油发电机的供电可靠性，核电站在正常运行期间，会制定特定的柴油发电机组定期试验程序，通过定期试验来发现柴油发电机的潜在故障以及运行缺陷，从而加以优化或更正维修或运行操作。换句话说，核电站柴油发电机的定期试验也就是柴油发电机组的定期检修过程。以可靠性为中心的维修（RCM）是当今应用较为广泛的一种以确定设备预防维修工作，优化维修从而达到减少或消除设备故障的方法。其基本思想是：通过对设备进行故障分析和定位，明确故障后果，通过设备故障数据建立相关模型，进行定性定量等分析，在确保设备完好的前提下，以维修停机损失最小为目的对设备的维修策略进行优化。本文基于可靠性维修思想利用瑞典的risk spectrum软件仅对快堆 EDG及其现执行的定期试验进行可靠性分析，通过分析为EDG的日常维护和故障维修提供数据上的支持和建议。

2 CEFR应急柴油发电机系统

2.1 系统主要设备

CEFR应急供电系统中设计采用的是两台功率为728kw的应急柴油发电机，电压为400v，转速为1500r/min，功率因数为0.8滞后。其分别安装在05子项的两个厂房内，实现彼此实体隔离，属于安全相关级设备，抗震Ⅰ类。每台柴油发电机组由柴油机、发电机和控制屏三部分组成，每台机组都具有自带的润滑油系统，冷却方式为自带冷凝器，风扇的风冷式。

应急柴油发电机主要的辅助系统有[4]：

1） 燃油贮存系统

CEFR每台柴油发电机组都配有独立的燃油存储系统，由一个储油罐和一个日用油箱组成，它们之间由两个输油泵（一用一备）连接，其储油量能够保证机组在最大负荷下连续运行7天。主要功能是为柴油机提供燃油，日用油箱可以通过重力作用将燃油输送给柴油机。

2） 柴油机启动及预热系统

柴油启动及预热系统设备主要由铅蓄电池、冷却机加热器（润滑油加热器）、温度控制阀等组成。柴油机的启动由铅蓄电池完成，在正常供电状态下，蓄电池处于充电状态以保证事故状态下其有足够的电压来启动柴油机。柴油机的预热系统使柴油机体一直处于一定的温度下，使机组始终处于热备用状态。

3） 润滑油系统

该系统主要由润滑油泵、润滑油过滤器以及润滑油冷却器组成。润滑油系统与柴油机为一体，其油泵有足够的压头润滑主轴承和曲销等，机内润滑油通过一个再循环回路自动保持在一定的温度范围内，以保证润滑油的机能。

4） 柴油机吸气及排烟系统

柴油发电机都装有空气过滤器、涡轮增压机、空气冷却器、排烟软管和排烟消音器。该系统的主要功能是提供给柴油机比较有质量的空气以及将燃烧后的废气排放到大气中。

5） 柴油机冷却及通风系统

CEFR每台柴油发电机都具有自身独立的冷却排风系统，其由空气冷凝器、风扇、机带冷却水泵以及热控阀等组成。主要功能是通过水冷却剂从柴油机气缸及油冷却器带出热量，经散热器风扇冷却后循环排热。通风冷却系统除了冷却柴油机外，同时冷却发电机、室内排气管、柴油机向室内的辐射热。

6） 柴油发电机的控制系统

每台柴油发电机组都配有两块控制屏，一为主开关控制屏，一为柴油发电机组控制屏。控制屏上装设有运行指示信号，用以判别机组的报警或故障信息。操作人员可以通过该系统对柴油发电机作出相关的操作。

2.2 柴油发电机的运行方式和主要功能[2]

柴油发电机组在反应堆正常运行情况下，始终处于热备用的状态，所谓热备用状态即用于暖机的润滑油系统、冷却水系统处于保温状态，启动蓄电池处于浮充电状态。当失去主电源和备用电源时，应急母线失电或接收到其他启动信号时，柴油机可以立即启动，在10s钟内发电机达到额定转速和额定电压，并具备带载负荷的能力。应急柴油发电机按批次带载完成后，进入正常运行工况。

应急柴油发电机组的主要功能是在核电站中压母线因为失去厂外正常电源，或母线本身故障而导致失压时，为应急交流母线提供电源，向安全系统的负载以及其他指定的非安全物项供应电力，防止重要安全设备因为电源丧失而造成损坏，确保反应堆紧急安全停堆，避免核泄漏事故发生，保证人身安全。

3 EDG的故障树评估

根据以可靠性为中心的维修理论，通过系统的功能和性能指标，分析导致功能故障的所有故障模式，以及带来的影响和后果，选择合适的维修方案来预防这些可能的故障。本文利用故障树法对CEFR应急柴油发电机进行可靠性分析，不仅对它的一些可靠性指标做出评估，更重要的是找出对其可靠性影响较大的因素，识别系统薄弱环节，从而确定提高该设备可靠性的对策，指导优化运行和维护两方面的工作。

3.1系统故障树分析

CEFR应急柴油发电机的主要作用是在接收到启动信号后，及时启动并按照要求建立能够带载的电压和频率，输出稳定的电力。下文以EDG无电力输出为顶事件，应用Risk spectrum软件建立故障树模型来分析系统可靠性。系统边界定义为EDG出口断路器以及其辅助系统。限于文章篇幅，仅给出EDG无电力输出的主故障树（图3.1）和柴油机无法启动（图3.2）、运行时故障（图3.3）的故障树。整个故障树包括34个基本事件，22个门事件。

图3.1 EDG无电力输出主故障树

图3.2柴油机无法启动主故障树

图3.3柴油发电机运行期间故障主故障树

本文分析采用IAEA-TECDOC和文献[1]等资料中提供的通用数据进行系统可靠性分析。同时该系统与一般核电厂的类似，利用以上数据进行分析可以得到可信的结果。通过分析可得到：快堆应急柴油发电机供电失效的概率为：2.437E-004。

表3.1是顶事件失效的支配性最小割集以及其不可用度所占系统总失效的比例。

表3.2是EDG无电力输出主要支配性失效部件的重要度和灵敏度分析（由于篇幅限制只列出了前十项）。

表3.1EDG无电力输出最小割集

序号 不可用度 份额 最小割集事件 序号 不可用度 份额 最小割集事件

1 3.0E-005 12.3 输油泵故障 16 2.50E-006 1.0 风扇故障

2 3.0E-005 12.3 合闸开关拒动 17 1.90E-006 0.8 供油阀门误关闭

3 3.0E-005 12.3 滤清器故障 18 1.50E-006 0.6 润滑油冷却器故障

4 2.50E-005 10.3 人因故障 19 1.40E-006 0.6 解调器故障

5 2.30E-005 9.4 发电机定子故障 20 1.00E-006 0.4 执行机构拒动

6 1.50E-005 6.2 柴油机曲轴故障 21 6.40E-007 0.3 蓄电池故障

7 1.00E-005 4.1 发电机转子故障 23 3.40E-007 0.1 合闸按钮误动

8 8.40E-006 3.4 润滑油泵故障 24 3.00E-007 0.1 励磁绕组短路

9 7.70E-006 3.2 水泵故障 25 2.50E-007 0.1 油箱漏油

10 5.00E-006 2.1 喷油嘴故障 26 2.50E-007 0.1 加热器故障

11 5.00E-006 2.1 电子调速器故障 27 2.50E-008 0.0 水箱漏水

12 5.00E-006 2.1 润滑油泵故障 28 2.35E-009 0.0 作操人员失误

13 3.10E-006 1.3 继电器故障 自启动信号失效

14 2.90E-006 1.2 温控仪故障 29 1.00E-010 0.0 油管阻塞

15 2.90E-006 1.2 恒温阀失效

表3.2 主要支配性部件的灵敏度和重要度

序号 事件 重要度 灵敏度 高阶灵敏度 低阶灵敏度

1 合闸开关拒动 1.23E-01 2.37E+00 5.14E-04 2.17E-04

2 输油泵故障 1.23E-01 2.37E+00 5.14E-04 2.17E-04

3 滤清器故障 1.23E-01 2.37E+00 5.14E-04 2.17E-04

4 人因故障 1.03E-01 2.12E+00 4.69E-04 2.21E-04

5 发电机定子故障 9.44E-02 2.02E+00 4.51E-04 2.23E-04

6 柴油机曲轴等故障 6.16E-02 1.64E+00 3.79E-04 2.30E-04

7 发电机转子故障 4.10E-02 1.42E+00 3.34E-04 2.35E-04

8 喷油泵故障 3.45E-02 1.35E+00 3.19E-04 2.36E-04

9 水泵故障 3.16E-02 1.32E+00 3.13E-04 2.37E-04

10 电子调速器故障 2.05E-02 1.21E+00 2.89E-04 2.39E-04

由于基本事件的数据采用的是通用统计数据，存在一定的不确定性，为了更加科学地描述计算结果，本文利用对数正态分布模型进行不确定性分析。分析结果为：90%置信区间为[1.44E-04，3.95E-04]，中值为2.24E-04。图3.4为EDG无电力输出的PDF曲线。

图3.4 EDG无电力输出PDF曲线

3.2分析结果与建议

通过上文的故障树分析，得到快堆应急柴油发电机组失效的概率与国外其他核电站的计算结果在同一量级。对分析结果贡献较大的是发电机本体的故障、合闸开关和人因失误，辅助系统中主要是供油系统和润滑油系统的故障占较大比例。基于分析结果，针对提高快堆应急柴油发电机组的可靠性提出以下建议：

a） 对系统失效的贡献中柴油发电机组的两个串联断路器故障占较大份额，在日常运行维护中要加以重视，在确保保护灵敏性和安全性的前提下，设置合理的保护定值；

b） 系统失效有一部分来自柴油机本体曲轴等的失效 。针对该类失效需通过日常的维护保养，使柴油发电机处于良好的状态，注意检查转动部件是否有磨损，润滑油油温和冷却系统是否正常；

c） 对于人因失误，需要在日常运行检修中，严格按照规程规范操作，并且加强监督体系；

d） 辅助系统中的供油系统和润滑油系统，要定时检查各系统泵的性能，按需求更换润滑油，供油系统需定期更换滤网，以防止滤清器、管道等的堵塞；

e） 针对应急柴油发电机组的所有转动部件，在检修维护中要加以注意，确保其处于正常运转状态。

4 结论

通过以上的分析计算，为快堆应急柴油发电机组的维修和保养提供了数据上的支持，提出了维保期间提高可靠性的建议。本文的分析可以得到，快堆柴油发电机组的可靠性较高，能够很好地实现要求的功能。

参考文献

[1] IAEA. Generic component reliability data for research reactor PSA [R]. TECDOC-930， Vienna： IAEA， 1997

[2] 张明佳. 核电站应急柴油发电机组可靠性数据的建立与应用[D]. 上海交通大学，2009

[3] 中国实验快堆应急柴油发电机组技术规格书[M]. 2005

[4] 廖建彬，等. 提高柴油机供油系统可靠性探讨[J]. 2009