核应急柴油发电机组电气系统国产化设计

李　颖

（陕西柴油机重工有限公司，陕西　西安　710077）

核应急柴油发电机组电气系统国产化设计

李颖

（陕西柴油机重工有限公司，陕西西安710077）

文章以恰希玛二期工程（C2项目）为依托项目，简要地介绍了核应急机组电气控制特点和特殊要求，确定选配了相关电气设备以实现核应急备用电源的电气系统控制、检测和保护功能。通过相关设计和试验验证了应急备用电源的性能指标、技术指标、动态特性和静态特性等能够满足成套预期设定的目标要求。同时证明了12PA6B柴油机、发电机及其辅助设备成套后相关的电气技术指标，能够满足巴基斯坦恰希玛C2项目工程备用电源的使用要求。

核电；应急柴油发电机组；电气系统；国产化

核应急柴油发电机组是为核电站内提供应急交流电源的设备。机组是核电站内独立的能够自动快速启动并按程序带载的应急电源。每台核电机组配备两台相互独立的柴油发电机组。在由核岛高压厂用变压器提供的正常电源和由220 kV辅助变压器提供的后备电源失效时可自动对相应的6 kV专设安全设备供电，对由LHP/LHQ供电的设备提供可靠的充足电源，以确保反应堆安全关闭，保证一回路压力边界的完整性，确保放射性物质不向大气泄漏。每个核电机组的应急电源是由两个相同的系列A和B组成的冗余设置，两台柴油发电机组中只要有一台运行就足以使该单元机组安全停堆。应急柴油发电机组对核电站的安全起着极其重要的作用，核应急柴油发电机组国产化是核电发展急需解决的11项技术之一。其国产化成套开发是一项适用标准多、技术接口复杂、涉及专业领域广的系统技术集成工作。本文以恰希玛二期工程（C2项目）为依托项目展开核应急机组电气系统国产化成套设计，并通过型式鉴定试验进行设计验证，确保机组控制系统满足核电站应急柴油发电机组特殊控制要求。

1　机组电气系统特点

根据 IEEE387-1995《核电站备用电源用柴油发电机组准则》的规定，核电站备用电源电气系统物项主要包含：交流配电系统，直流电源，远程监控系统以及机组控制、监测和保护系统，励磁和电压调节系统，转速调节系统和辅机控制系统。除辅机控制系统和直流电源系统外， 其他系统物项均是本次成套的供货范围。其中，电气系统物项主要包括：柴油机控制系统，机组保护监测系统，发电机控制系统，发电机励磁系统和安全级交流配电系统（高压接地和高压信号系统）等。

在整个核应急备用电源成套开发过程中，无论是方案原理设计、还是设备选型都严格遵循相关标准，并以适用条款作为作业指导依据。通过分步加载程序和快速启动计算分析，评估了机组的匹配合理性；电气原理设计中融入了核电站1E/N1E级回路独立性设计原则，确保了核级非核级回路的隔离；部分回路的冗余设计提高了系统的可靠性；经过连续100次快速启动带载试验，验证了机组满足核电厂快速响应并带载的能力；通过裕度试验验证了机组具有承受高于电厂设计载荷最严重的阶跃负载的能力。

2　电气系统设计

2.1参考标准

设计过程主要参考以下标准：

IEEE387-1995《核电站备用电源的柴油发电机组标准》；

IEEE420-2001《核电厂IE级控制台、控制屏和机架的设计和鉴定标准》；

IEEE323-1983（R1996）《核电厂IE级电气设备的鉴定标准》；

IEEE344-1987（R1993）《核电厂IE级设备抗震鉴定推荐实施方法》；

IEEE467-1980《核电厂IE级仪表和电气设备的设计和生产所需要的质量保证程序》；

IEEE384-1992《核电厂IE级电气设备和电路独立性准则》；

IEEE336-1991《核电厂电力、仪表和控制设备的安装、检查和试验要求》；

ISO8528-1993《往复式内燃发电机组》；

GB/T12727-2002《核电厂安全系统电气设备质量鉴定》。

2.2机组电气系统控制要求

考虑到这是国内首次设计核应急机组电气系统，虽然有恰希玛一期工程作为参考电站，但恰希玛二期工程在一期工程的基础上进行了很多设计改进。其中包括：燃油泵可靠性改进设计、调速器控制方式改进设计等。C1柴油机燃油系统中，日用油箱至柴油机供油管线上只安装了一台机带燃油泵，而C2除机带燃油泵之外，还设置了一台电动备用燃油泵。这种改进设计提高了燃油供应的可靠性，可更好地保证机组执行安全功能。C1柴油机调速器采用电控调速器，采用步进电机经齿轮传动来推动转速设定推杆从而设定稳定转速及进行并网调速控制。机组正常运行中，仍然靠液压油回路及离心飞块、调速弹簧等机构来控制燃油的供应及转速的稳定。而C2采用的是电子调速器和机械液压调速器。电子调速器的优点在于可以通过软件对PID调节的各项参数进行调整，从而可以得到适合核电厂不同工况运行所需的转速控制要求。另外，液压机械调速器也可以在电子调速器电子控制部分故障时作为备份，但为了保证在正常运行的时候液压机械调速器旁路以期获得较为精确的调速控制，机械部分的设定往往高于电子调速部分。由于上述差别，两个项目之间关于机组速度控制的差别体现如下：

启动速度控制：具有快速/慢速启动之分，慢速启动并稳定于500 r/min，可快启直接冲转到1 000 r/min。

同步/有差转速调节切换：并网时切换至有差模式，而孤岛运行时同步调节。

优化了主控室信息，按照信息的重要度，单独或成组远传。根据IEEE308要求，增加了发电机励磁电流和励磁电压指示。

AVR配置：两套数字式AVR调节器，并列、冗余、可切换。

SIAS信号返回试验的机组至备用状态：根据SRP以及IEEE387要求，在机组并网试验时，安注信号将使机组出口断路器跳闸以使机组返回备用状态。

2.3核级机组特殊要求设计

2.3.1启动系统的冗余设计

冗余设计是指一个设备或系统重复另一个设备或系统的必须功能，因此其中任何一设备或系统都能执行所需求的功能而不论另一个设备或系统是在工作状态还是故障状态。应急机组空气启动系统采用了冗余设计，即气动马达和空气分配器双启动模式。

启动回路中一路由空气瓶经主启动阀进入空气分配器启动柴油机，另一路由空气瓶经主启动阀驱动气动马达启动柴油机。无论当两个回路中任一个在工作状态还是故障状态，另一设备或系统都能执行所需求的功能。

在电气控制系统的设计中同样设置了启动冗余回路，即启动马达控制回路和空气分配器控制回路。两回路彼此互为独立，从供电电源的提供到执行元件都采用了冗余器件。无论启动马达控制回路或空气分配器控制回路的任意一回路处于工作状态还是故障状态，另一回路都能执行所需求的启动功能。

通过试验台架的联合调试验证，冗余设计的两套启动系统都能满足快速启动功能，无论另一个系统在工作状态还是在故障状态。

2.3.2安全级电路的独立性设计

根据IEEE384-1992《核电厂IE级电气设备和电路独立性准则》的规定和要求，安全级与非安全级混合的电路在同一个控制仪表盘（屏）或机架内安装时，内部隔离、配线标志和电缆入口都必须满足规定的隔离准则。与安全级电路相关的电路必须同安全级电路一样满足相同的隔离要求，如无法进行隔离应进行分析说明。隔离方法分物理隔离和电气隔离。

为了满足核级电路物理隔离要求，安全级控制仪表盘（屏）的设计与建造中考虑了以下因素：

安全级电路和安全相关的电路必须提供分开的电缆入口、导线槽和接线端子。非安全级电路亦必须提供分开的电缆入口、导线槽和接线端子。或把非安全级电路当做安全相关电路处理。

安装在安全级控制仪表盘（屏）和机架中的设备和部件位置，必须使安全级电路、安全相关电路和非安全级电路保持最小分离要求。内部配线必须按规定的路线敷设与支撑。至少在安全级控制仪表盘（屏）或机架的整个寿期内，必须保持所设计的实体分离。

为了满足核级电路电气隔离要求，C2项目安全级控制仪表盘（屏）的设计与建造中选用了断路器，电流互感器，继电器，独立电源模块等隔离装置以及元器件布置满足最小分离要求来实现核级回路、核级相关回路和非核级回路的隔离以确保隔离装置一侧发生故障而不至于影响另一侧回路性能的要求。

2.4电气系统成套设备组成和功能

根据各系统特点、工程需求和功能关系，及考虑不重复投资等因素，确定选配以下设备实现核应急备用电源的电气系统控制、检测和保护功能。

机组电气系统可实现对柴油机、发电机、机组机械辅助设备、电气辅助设备等的控制、监测和保护功能。各系统功能如下：

监测系统功能由EEG040IP完成，实现机组各个系统热工参数的监测、报警和故障命令输出、存储和记录等功能。

柴油机控制系统由EEG003CP完成，实现机组正常启停和保护执行（包括故障停机和紧急停机），同时为二次回路提供供电电源等功能。

发电机控制系统由EEG001CP完成，可实现机组调压、调频、合闸和分闸、电气保护报警显示、励磁控制、同期操作等功能。

机组保护由EEG010HP和EEG004CP完成。其中，EEG010HP可实现发电机的差动、过压和欠压、低频、失磁、低阻抗、零序过流和逆功率保护功能。EEG004CP可实现柴油机112%和115%两级超速保护，其中115%超速保护采用三取二逻辑控制，执行机组快启和慢启等操作命令，提供启动成功和允许励磁命令。

发电机的励磁系统由EEG002CP完成，实现调压、调差、励磁电流调节、功率因素调节，同时完成励磁电压的过压和欠压保护、励磁电流的过流和欠流保护等功能。

高压接地系统功能由EEG020HP实现，完成发电机的接地故障保护功能。

高压信号系统功能由EEG010HP实现，提供发电机监测、保护和并网信号。

EEG001VB主要完成柴油机正常停机、超速保护、启动助推、启动助喷功能，安装部分一次监测元件。

3　核级设计验证

3.1联调验证

联调验证是整个成套工程技术作业中最重要的环节，在所有系统安装结束之后，通过功能联调和功能检查、标定和标校，验证整个技术作业过程的准确性，各个系统功能的完整性，以及系统与系统之间、机电之间完成功能的协调性，同时纠正弥补前期技术作业过程中存在的设计问题、设备和元件问题、软件问题、接口问题等技术缺陷和不足。

即通过联调的手段，验证设定目标，同时又满足质量控制和质量保证的要求。

3.2核级设计验证试验（型式鉴定试验）

3.2.1型式鉴定试验概述

核级鉴定试验也称为核级设计验证试验，是对前期设计和成套设备功能是否满足核电厂IEEE387《核电厂备用电源用柴油发电机组准则》要求所实施的验证。根据IEEE387要求，“第一次作为核电站备用电源的应急机组应符合型式试验大纲的要求，严格进行负载能力试验、100次启动和带载试验和裕度试验3项试验。这些试验最好在成套厂完成”。

负载能力试验是为了证明机组在额定功率因数下承载负载运行指定时间的能力和按相关要求成功甩掉负载的能力。裕度试验是为了证明机组具有启动和承受高于电厂设计负载分布图中最严重的阶跃负载的能力，其验证准则为证明发电机和励磁系统能接受裕度试验负载（通常对泵电动机来说是低功率因数、高冲击启动电流）而不发生失速或失压现象。

启动和带载试验是为了确定机组在满足核电厂设计要求的时间间隔内启动和承受负载的能力而进行的一系列试验，需进行100次有效的试验而不发生故障。若机组未成功地完成这一系列试验，则要求检查系统的合适性，排除故障的起因后继续试验，直到完成100次有效的启动和带载试验而不发生故障。如果按试验大纲程序进行时发生故障的原因能够归于下列任何一种情况，可以考虑这次特定试验，在找出和改正试验故障原因的条件下，恢复试验程序而无须增加试验次数：

1）确实可以归因于操纵员错误的未成功的启动试验。这些错误包括在特定的启动试验之前，粗心地改变了诸如可调整的控制开关、可调电阻、电位器或其他调节装置的设定值。

2）为验证在这一系列试验期间需要的例行维修程序所进行的试验。这一维修程序应在进行启动和加载试验之前确定并成为机组安装后正常维修计划的一部分。

3）在排除故障过程中进行的试验。在排除故障过程中进行的每次启动试验应在进行启动试验之前予以确定。

4）有意中止的不加载的成功的启动试验。

5）任何临时性服务系统的故障，例如那些永久性设备组成部分的直流电源、输出电路断路器、负载、电缆、导线等其他任何临时性装置。

是否能按要求完成鉴定试验考验的除了机组本身设备性能外，主要取决于电气控制设备对机组进行控制、监测和保护功能是否正常，通过试验可对前期设计进行验证，确保供货设备性能准确性和可靠性，保证核电站安全停堆。

3.2.2机组试验台架设备

核应急机组试验台架是完成机组型式试验与出厂试验的必备设施。考虑到满足不同容量的核应急机组的需求一次系统和功耗水阻采用单机10 000 kW和双机5 000 kW的台架设施建造方案，如图1所示。

当断路器DL1和DL2闭合，DL3和DL4开路时，试验台能完成双机5 000 kW机组的台架试验方案。

当断路器DL1或DL2闭合、同时DL3闭合时，试验台能完成单机10 000 kW机组的台架试验方案。考虑到IEEE387对裕度试验，即负荷极限试验的要求，试验时可闭合DL4回路，此时功率可达单机15 000 kW。

二次系统的控制、监测和保护根据机组容量的不同选择变比不同的CT和PT，来完成电气监测和保护数据采集工作，监测系统不仅集成了高精度的多功能电气参数表，配置了能完成机组所有电气动静态指标记录，存储和打印了专用软件程序；同时，还配置了能记录、存储和打印核应急机组特殊要求的快速启动特性曲线的专用软件程序。

3.2.3快速启动试验电压和频率曲线

核应急备用电源的性能指标、技术指标、动态特性和静态特性等是否满足成套预期设定的目标要求，特别是要通过负载能力试验、100次启动和带载试验及裕度试验的验证，证明12PA6B柴油机与发电机及其辅助设备成套后相关的电气技术指标能够满足巴基斯坦恰希玛C2项目工程备用电源的使用要求。

当核电厂发生意外事故时，一回路和二回路断路器开路，应急备用电源应能快速启动并在11 s内达到额定电压和额定频率，这是核电厂应急备用电源最重要的技术指标要求之一。前期ALSTOM通过对应急备用电源快速启动并达到额定电压和额定频率的时间进行了计算，计算结果为11 s。

在100次的快速启动带载试验验证中，记录曲线显示，机组电压和频率分别在9.96 s和9.93 s达到额定值并稳定在该数值上。在突加50%的额定功率时电压和频率的瞬态调整都在目标值之内。

4　验证结果

经首套机组核级鉴定试验，包括负载能力试验、100次启动和带载试验及裕度试验。一次系统和功耗水阻如图1所示。试验结论获得了买方、巴基斯坦业主以及巴基斯坦核安局全局的批准认可。核电站备用电源鉴定试验是整个成套工作的最后验证阶段，如表1所示。

图1　一次系统和功耗水阻示意图Fig.1　Sketch of primary system and water resistance

表1　结果对照Table 1　Result contrast

综上所述，C2项目应急备用电源电气和仪控系统功能完成准确，各项电气技术指标满足目标产品的技术要求，符合核电站应急备用电源1E级电气和仪控标准的各项要求。

5　结束语

尽管在C2项目应急备用电源中，电气控制系统的设计与配套的国产化率达到了90%。然而，诸如程序加载仿真计算、模拟快起分析计算等特殊计算分析仍旧依托国外MDF和ALSTOM公司完成，相信随着我国核电技术的不断提高，通过引进消化国外核电技术，一定可以实现核电应急机组全面国产化的目标。

［1］肖勇，李冬杨.柴油发电机组控制系统的模块设计［J］.移动电源与车辆，2003（3）：19-21.（XIAO Yong，LI Dong-yang. The modular design for the control system of diesel generator［J］. Mobile Power Supply and Vehicle. 2003（3）：19-21.）

［2］杨小清，等. 核电站应急柴电机组技术方案及市场前景［J］. 柴油机，2006，28（4）：7-9. （YANG Xiao-qing， et al. The technical scheme and market prospect of emergency diesel generator in nuclear power plant［J］. Diesel Generator. 2006， 28（4）：7-9.）

［3］陈旭，等. 田湾核电站3、4号机组设备国产化方案及实施难点分析［J］. 中国核电，2013（12）：312-315.（CHEN Xu， et al. Indigenization scheme and implementation difficulty analysis for the equipment of Unit 3 & 4 in Tianwan 3［J］. China Nuclear Power. 2013（12）：312-315.）

Localized Design of the Electrical System for Nuclear Emergency Diesel Generator Set

LI Ying
（Shaanxi Diesel Engine Heavy Industry Co.， Ltd.， Xi'an of Shaanxi Prov. 710077，China）

Based on CHASNUPP 2 project （hereinafter C2 project）， the characteristics and special requirements for the electric control of the diesel generator set are briefly introduced Related electric equipment is selected to carry out the functions of control， monitoring and protection of the electric system. Through related design and tests， various performance indices，technical indices and dynamic and static characteristics satisfying the aim of complete plant design intended target of the emergency stand-by power are verified. it is proved that related electrical technical indices after completing of 12PA6B diesel engine， generator and auxiliary equipment could satisfy the stand-by power operating requirement.

nuclear power；emergency diesel generator set；electric system；localization

TM623Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）03-0225-06

TM623

A

1674-1617（2015）03-0225-06

2015-03-27

李颖（1981—），女，陕西兴平人，工程师，硕士，从事核电工程目管理工作。