核电厂应急柴油发电机组修改试验启动方式的分析和讨论

何孝园，朱鹏树，李大伟，周 舟，吴 涛

(1. 大亚湾核电运营管理有限责任公司，广东 深圳 518124；2. 中广核研究院有限公司，广东 深圳 518031)

核电厂应急柴油发电机组修改试验启动方式的分析和讨论

何孝园1，朱鹏树1，李大伟1，周 舟2,*，吴 涛2

(1. 大亚湾核电运营管理有限责任公司，广东 深圳 518124；2. 中广核研究院有限公司，广东 深圳 518031)

本文分析了国内外关于核电厂应急柴油发电机组(Emergency Diesel Generator Set，简称EDG)定期试验启动方式的相关研究以及最新的标准和规范。对国内核电厂在EDG定期试验中使用慢启动的方式进行了必要性分析。为EDG定期试验启动方式提供了一种改进方案，并对其风险进行了分析，为核电厂的相关改进提供了参考。

应急柴油发电机组；定期试验；启动方式

1 背景介绍

1.1 EDG介绍

应急柴油发电机组是核电厂的重要后备电源设备，为核电厂安全停堆所需的中低压核辅助设备供电；还可防止由于外部交流电源丧失而导致重要设备损坏[1]。为保证中低压核辅助设备供电的可靠性，紧急情况下，EDG须在启动信号发出后极短的时间内(一般为十秒至几十秒)完成启动(快启动)并达到额定转速和额定电压[2]。

1.2 柴油机启动方式介绍

依据启动所使用的能量来源划分，柴油机有多种不同的启动方式，常见的有人力启动、电动机启动、压缩空气启动和辅助发动机启动。人力启动适用于小型柴油机，电动机启动、压缩空气启动适用于中型和大型柴油机，辅助发动机启动一般用于大型工程车。除秦山核电站外，国内核电厂EDG的现有启动方式基本为压缩空气启动，核电厂内的其他柴油机部分采用了电动机启动方式。

依据启动前的状态不同，柴油机的启动方式可以分为“干启动”和“湿启动”两种。

(1)“干启动”即为柴油机启动前，冷却水和润滑油未经预热，轴承、连杆等转动设备未经润滑，柴油机即启动。这种启动方式会造成柴油机部件急剧摩擦，可能导致拉缸、烧瓦等故障，严重影响柴油发电机组的寿命和可靠性。

(2)“湿启动”即为柴油机启动前，冷却水和润滑油都经过了预热，盘车电机(小柴油机为手动)带动柴油机的飞轮旋转一段时间，轴承、连杆等所有转动设备都经过了充分的润滑，柴油机才启动。这种启动方式对柴油发电机组寿命和可靠性的影响是最低的。

1.3 EDG定期试验介绍及现有启动方式

按相关标准和规范的要求，为验证EDG的可用性和各项指标性能，应进行定期试验[3]。

定期试验是指在核电厂的整个寿期内按照确定的周期和方法进行的定期检验，其目的是确保在执行安全功能中使用的设备的性能与其设计时规定数值的一致性。

EDG定期试验包含低功率试验和满功率试验两种，低功率试验通过切断正常电源带厂用负荷进行；满功率试验通过与厂外电源并网后进行。国内压水堆核电厂EDG定期试验的具体内容略有差异，但主要试验项目基本一致。

核电厂的特殊性对EDG的柴油机提出了快速启动的要求，其试验也分为快启动试验和慢启动试验。

(1)慢启动试验：证明EDG从备用条件下正常启动的能力，并验证达到了要求的设计电压和频率。机组宜按预先选择的，能使应力和磨损降到最低程度的时序达到额定转速。

(2)快启动试验：证明每台EDG从备用条件(如果核电厂有正常运行预热系统，这也是其备用条件)下启动，验证EDG的电压和频率能按核电厂技术规格书的要求在可接受的时间内达到可接受的限值内。

2 国内外标准和规范的要求

通过搜索IAEA、中国、美国、法国、德国发布的相关标准和规范，共有8个与EDG定期试验相关的标准和规范，见表1[4-8]：

表1 EDG定期试验相关标准和规范列表 Table 1 Related standards and criteria of EDG period experiment

注：HAD：中华人民共和国核安全导则；GB/T:推荐性中国国家标准RCC-E:核岛电气设备设计和建造规则；KTA:德国核安全标准委员会；IEEE：美国电气与电子工程师学会标准；EJ/T:推荐性中国核工业行业标准；NS-G：核安全导则；NRC RG:美国核管理委员会管理导则

据表1内容可见，EJ/T 625、IEEE-387、NS-G-1.8、NRC RG1.9共计4个对EDG定期试验启动方式有要求的标准和规范均建议或要求EDG柴油机在定期试验中多采用慢启动试验。

3 柴油机快启动存在的问题

EDG定期试验首先要启动柴油机。国内核电厂EDG的柴油机现行均采用快启动。

二十世纪80年代，NRC及众多核电厂已开始对EDG的老化进行研究。结果表明频繁的快启动是导致EDG老化及可靠性下降的主要原因之一。为此，1984年NRC针对提升与保持核电厂EDG可靠性所发布的新规明确指出：鉴于EDG在丧失厂外电源时的作用，核电厂应保证EDG的可靠性，NRC将在必要时评价核电厂在减少EDG的快启动定期试验、跟踪EDG的可靠性数据及制定提高EDG可靠性的计划等方面的工作。

3.1 现场实例分析

2013年，国内某核电站现场维修人员按计划更换EDG中间小齿轮的过程中，发现B列凸轮轴推力瓦存在异常发黑情况，进一步检查发现B列凸轮轴推力端轴承异常，轴承衬套无法正常拆卸。在将B列凸轮轴整体拆卸后，对推力轴承阶梯检查时发现，推力端径向轴承已损坏。

该核电站在此次事件调查后发现：(1)同一批次的轴瓦安装后未出现大量故障；(2)更换轴瓦安装后润滑功能无异常；(3)此类事件在国内核电厂多次发生；(4)记录显示，受损轴瓦安装前厂家和现场维修人员都进行了检测，未见异常。

初步分析认为此次事件与工作环境有关。

3.2 美国核电厂的做法

NRC RG1.9要求EDG的月度启动试验应按“预先所确定的产生最小磨损与冲击的步骤慢速启动至额定转速的试验方式”进行，即采用慢启动试验方式。随后，通过对已修改了定期试验启动方式的EDG柴油机进行跟踪调查，性能数据表明这一改进对柴油机的可靠性产生了积极影响。相关统计数据如图1所示。

图1 美国核电厂EDG性能数据统计表Fig.1 Performance data of EDG in United States

3.3 法国核电厂的做法

目前法国国家电力公司(EDF)已将其EDG一月一次的快启动试验改为：交替进行的两月一次的快启动试验及两月一次的启动打油膜试验。

3.4 IAEA的建议

2002年，IAEA对岭澳Ⅰ期核电站进行“预运行安全评估”后，认为EDG定期试验过于频繁，一月一次的快启动试验将对EDG柴油机的可靠性造成负面影响，建议尽量减少EDG的快启动次数(认为快启动应该每个大修才做一次)，以降低定期试验对柴油机的老化效应，延长其使用寿命并提升其可靠性。

NS-G-1.8中明确建议核电厂EDG在试验中尽量采用慢启动的方式。

3.5 柴油机启动的时间要求

经统计，各国压水堆核电厂对于柴油机启动时间的要求不完全一样，见表2[9]。

表2 各国压水堆核电厂要求启动时间列表

据经验反馈，法国EDF核电厂EDG柴油机早期规定的启动时间为10s，试验期间经常出现拉缸问题，后来论证将规范的启动时间从10s延长到了15s，拉缸问题出现了明显的改善。

4 快启动致柴油机加速老化的根本原因分析

国内现有EDG柴油机机型均由船用柴油机改进而来，国外也基本如此。一般船用柴油机无预热和预润滑系统，但柴油机启动前要求充分预热和预润滑，所以一般船用柴油机的启动过程耗时较长。船用柴油机在启动前都会盘车。盘车的目的之一是为柴油机的各种运动部件建立油膜，防止由于柴油机启动前，轴承、连杆等转动设备未经润滑而造成急剧摩擦，导致拉缸、烧瓦等严重故障[10]。

核电厂EDG虽然有一整套预热和预润滑系统，但预润滑是在柴油机未启动时进行的，此时柴油机的各种运动部件均处于相对静止状态，润滑油无法进入轴承和连杆，不能建立油膜。同时，为满足快启动的要求，启动空气的压力较大(国内机组一般为40bar.g)，在柴油机启动瞬间，轴承和连杆会承受巨大的启动冲击力。虽然EDG已经预热，但重要运动部件均未形成油膜，将造成重要运动部件急剧摩擦，易导致拉缸、烧瓦等故障。相关研究已经证实，这种启动方式会对柴油机的寿命和可靠性造成严重影响[11]。

就以上分析结论与国内的几个大型柴油机厂家进行沟通，对方均表示认同。

美国核电运营学会(INPO)的相关文件也指出：在EDG柴油机快速加速和带载期间，无法在机组内部建立有效的热力平衡，会导致在缸体或曲轴箱产生很高的机械和热应力，从而引起引擎结构变形。这些变形会相应地导致金属与金属间的接触(刮擦)，加速部件的磨损。刮擦还有可能会带来非常高的温度，严重时导致曲轴箱炸裂。

在此，建议国内各核电厂尽快改进EDG定期试验的启动方式[12]。以下将给出一种改进方案供参考。

5 EDG慢启动改进方案

5.1 盘车电机改进方案

大型汽轮机一般都装有盘车电机，其目的之一是在汽轮机启机前在主轴和轴瓦之间建立油膜，避免主轴和轴瓦之间产生“干磨”的现象。这与船用柴油机启动前进行盘车的目的基本相同。本改进方案将在合适的位置为柴油机增加盘车电机，如图2所示。

图2 盘车电机安装位置示意图Fig.2 Installation position for turning motor

本方案中，盘车电机选用普通工业产品，其启动方式为手动，出现EDG启动信号后自动停机。盘车电机的传动齿轮为单向传动齿轮，防止柴油机带动盘车电机旋转产生反电动势的情况。盘车电机与齿轮间的传动使用电磁式离合器，失电时断开，地震情况下不会影响离合器机械机构的分离。盘车电机和电磁离合器的控制信号为1E级[13]。

5.2 盘车电机改进方案失效概率计算

本方案中，力的传递方式如图3所示。

图3 力的传递方式示意图Fig.3 Transmission way of power

本方案的失效模式为：单向传动齿轮失效叠加电磁离合器失效后，柴油机带动电动机运转。即单向传动齿轮和电磁离合器二者均失效。如下图所示：

图4 失效模式示意图Fig.4 Failure mode

电磁离合器由继电器控制，由于地震情况不会影响离合器机械机构的解开，失效模式为继电器失效，其概率(参考文献[14])取保守值10-5。单向传动齿轮的失效概率暂无数据，参考较高可靠度渐开线圆柱齿轮的失效概率[15](文献中给定高可靠度渐开线圆柱的失效概率为0.01%，较高可靠度渐开线圆柱齿轮的失效概率为0.1%)，取(保守值)0.1%。失效概率P=λ1·λ2,其中继电器失效概率λ1=10-5，单向齿轮失效概率λ2=1×10-3。故本方案的失效概率为1×10-8。

5.3 数据对比

本方案的失效概率与核电厂堆熔概率和EDG失效概率的对比见表3[16]：

表3 失效概率对比表Table 3 Failure probability comparison

通过对比发现，本方案的失效概率远低于法国标准中要求的EDG失效概率，同时也低于核电厂的堆熔概率。

6 改进方案安全分析

盘车电机的传动机构采用单向齿轮，不会影响柴油机的出力，盘车电机的控制电源和信号均为1E级，在EDG柴油机启动后自动退出运行。因此改进方案不会对EDG产生不利影响。

本方案的缺点是安装需要的空间较大，对现场改动较大。

7 总结

EDG的设计让柴油机具备了紧急启动的能力，但并不代表这种启动方式对柴油机就没有损害。和其他发动机一样，良好的润滑对维护和保持设备的良好状态有至关重要的作用。厂家提供的说明书强调：在运转过程中如果柴油机失去润滑超过数秒后，柴油机将损坏。

EDG定期试验中采用慢启动的方式可以明显降低其老化速率并提升其可靠性，该结论已被国内外的多个相关标准支持。本文从这一观点出发，结合核电厂EDG的特性，提出了改进方案，并估算了方案的失效概率，经计算低于核电厂的堆熔概率，也远远低于法国标准中要求的EDG失效概率0.01。可为核电厂EDG定期试验柴油机启动方式的改进提供参考。

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[12] 李森，左嘉旭.推动核安全法立法建设保障核能安全发展[J].核安全，2016，15(2)：10-12.

[13] 顾申杰.核电厂1E级电气设备环境鉴定[J].核安全，2005(2)：31-39.

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[15] 闻邦椿.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2010.

[16] 李宏亮.故障录波仪在核电站应急柴油机上的在线监测[J].电力自动化设备，2001，21(2)：50-51.

AnalysisandArgumentationaboutStart-upMeansforPeriodicTestofEDGinNPP

HE Xiaoyuan1，ZHU Pengshu1，LI Dawei1，ZHOU Zhou2,*，WU Tao2

(1. Daya Bay Nuclear Power Operations and Management Co. Ltd., Shen Zheng 518124, China；2. China Nuclear Power Technology Research Institute, Shen Zheng 518031, China)

The related investigations and the latest standard and criterion of start-up means for periodic test of EDG in nuclear power plant (NPP) were analyzed. The necessity for the adoption of slow start-up means during periodic test of EDG in domestic NPP was demonstrated. A modification method was brought forward, its venture was analyzed. This provided an important reference for the related modification in NPP.

Emergency Diesel Generator Set (EDG)；periodic test；start-up means

TL421+.1

：A

： 1672- 5360(2017)02- 0080-05

2016- 11- 01

2017- 04- 19

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目，项目编号：2011AA040201

何孝园(1986— )，男，江苏淮安人，工程师，工程学士，仪表与控制专业，现主要从事核电厂仪控系统改造工作

*通讯作者:周 舟，E-mai