12PC2-6B应急柴油发电机组国产化研制

2018-01-19杨发慧张玉兴周莉娜

中国核电 2017年4期

杨发慧,张玉兴,刘荣,周莉娜,杨浩

(陕西柴油机重工有限公司,陕西西安 710077)

近年来伴随着经济的快速发展,全社会用电总量不断攀升,用电高峰季节电量短缺的情况时有发生,同时由于多种原因的影响,国内大气污染现象严重,严重影响国民身体健康,因此,大量发展清洁核电能源是保障我国能源供给,维护社会发展的战略选择。2014年,公司签订了福清核电站 “华龙一号”全球首堆示范工程的EDG供货合同,机组功率8 000 k W,公司选用12PC2-6B型柴油机作为原动机开展EDG研制工作。

1 柴油机设计

1.1 柴油机选型

“华龙一号”反应堆型要求EDG持续电功率为8 000 k W,结合项目现场的环境条件,初步选用12PC2-6B柴油机作为原动机,根据技术文件对该机型进行功率修正[1],现场环境条件下的柴油机机械功率修正公式为:

式中:P现场——现场条件下的柴油机机械功率,k W;

PISO——标准环境下的柴油机机械功率,k W,PISO＝720(单缸功率)×12＝8 640 k W;

式中:T1——现场最大环境温度,℃,T1＝42℃;

Teau——空冷器冷却水进口温度,℃,Teau＝48℃。

式中:h——海拔高度,m。

其中,如果P0＞95 k Pa,则取P0＝95 k Pa。

故α＝1－0.38×10－2(42－45)－0.33×10－2(48－32)－0.74×10－2(95－95)＝0.958 6;

式中:∑ΔP＝|ΔP1|＋|ΔP5|/1.5

ΔP1＜1.5 k Pa(进气背压),ΔP5＜2.5 k Pa(排气背压)

可知∑ΔP＜4 k Pa,则β取值为1。

综上,P现场＝8 640×0.958 6×1＝8 282 k W

则现场条件下的柴油发电机组电功率为:

式中:η——发电机效率,η＝0.973

故P＝8 282 k W×0.973＝8 058 k W＞8 000 k W

从计算结果看,选用12PC2-6B型柴油机作为应急柴油发电机组原动机可满足功率要求 (见图1)。

图1 12PC2-6B型柴油机剖视图Fig.1 The cutaway view of 12PC2-6B diesel engine

1.2 机身研制

12PC2-6B柴油机机身外型尺寸:长×宽×高＝5 487 mm×2 947 mm×1 845 mm。如图2所示。

图2 12PC2-6B柴油机机身Fig.2 12PC2-6B diesel engine casing

缸孔中心距740 mm,缸孔V型夹角为45°,A、B排缸孔中心距125 mm;缸孔外侧为凸轮轴腔,最小壁厚25 mm;底脚板部位宽度1 694 mm,厚度为200 mm;整个铸件轮廓尺寸大,壁厚相差悬殊,内外结构复杂,毛坯重量为35 t。

技术要求如下:

1)材质:QT400-15 A(GB/T 1348-2009)或EN-GJS-400-15 U(EN1563-2011);

2)机械性能:抗拉强度≥390 MPa,屈服强度≥250 MPa,延伸率≥14%,布氏硬度:130～185 HBW;

3)基体组织结构:铁素体≥90%,石墨形态:Ⅴ＋Ⅵ≥90%;

4)尺寸:4～6级;

5)化学成分:P≤0.1%,S≤0.02%,Ti≤0.02%。

从机身的技术要求、结构特点来看,机身铸造主要难点在于:

1)尺寸超差:机身外型尺寸大,内部结构复杂,尺寸精度要求高,对工装、模具的保障系数要求高;

2)质量要求高:容易产生缩孔、缩松、夹渣、夹砂、氧化夹渣等缺陷;

3)机身浇注重量大,需两包铁水,浇注过程时间长,易出现球化和孕育衰退,按传统工艺方法生产,很难达到文件要求的球化率。

通过采用缸孔面朝下的工艺方案,设计合理可行的浇注方案、采用底注式开放性浇注系统,内浇道分散注入,减小金属液对铸型冲击力;充型平稳,机身的缸孔、凸轮轴、主轴承等重要部位的补缩和整个型腔的排气通畅,有利于保证浇注质量;机身底脚板、主体坭芯之间设计冒口,提供机身液态补缩和部分凝固补缩,并配合适当的工艺冷铁,有效消除了缩孔、缩松缺陷,保证了整个机身的内部质量。

通过采用优质生铁,合理确定生铁、各种原材料配料及原铁水化学成分。选用高质量球化剂及孕育剂,设计延长球化及孕育反应时间的装置,制定有效的球化和孕育工艺,延长球化及孕育反应的时间,多包浇注并合理分配铁水重量及把握最佳孕育时机,防止球化和孕育衰退,保证了球化及孕育效果,从而达到了技术文件对机身球化率的要求。

2 发电机设计

EDG是为核电厂提供应急电源的设备,发电机在规定的环境条件和地震载荷下,在规定的事故期间和事故后都能安全、可靠地启动和运行。发电机选用无刷交流同步发电机,遵循IEC60034标准,RCC-E标准及ISO标准。发电机采用自带风扇的风冷式冷却,内部装有防冷凝电加热器,发电机安装一套轴承,轴承采用自润滑方式,轴承上装有铂电阻温度传感器。发电机励磁系统采用无刷励磁方式,由一个旋转主励磁机和一个安装在主发电机轴上的永磁式发电机 (PMG)组成。发电机励磁系统在自动电压调节器 (AVR)的控制下运行,AVR系统在孤岛模式和并网模式下均可使用。

3 机组轴系设计

机组轴系设计是保证机组正常运行的关键步骤,因轴系设计不合理而导致轴系扭转应力过大损坏轴系的事例已屡见不鲜。柴油机是一种往复式机械设备,曲轴承受一个周期性激振力矩,该力矩是轴系发生扭转振动的能量来源。轴系按激振的频率进行强制振动,当强制振动的频率与轴系固有频率相同时就会发生共振现象,当轴系的应力超过曲轴许用应力时可能会发生曲轴断裂事故。而应急柴油发电机组要求在短时间内启动并迅速加载,对轴系的冲击更大。

12PC2-6B机组的柴油机和发电机采用刚性连接,无联轴器,对整个轴系进行扭振应力计算,结果见表1。

表1 自由振动计算结果Table 1 Calculation results of rree vibration

机组轴系强迫振动的计算是在频域下采用解析法进行,分为正常发火和单缸熄火两种情况(见表2)。

表2 强迫振动计算结果Table 2 Calculation results of forced vibration

通过计算得知,该机组在正常发火和单缸熄火的状态下,曲轴的应力都低于规定的许用应力。

4 机组隔振设计

根据技术要求,机组需要进行隔振,机组振幅小于0.5 mm[2]。因此,对该机组进行隔振设计,机组使用弹簧阻尼隔振器安装在基础上。通过分析机组隔振系统的固有特性,计算固有频率及振型,避免激励力频率达到固有频率而产生共振。计算各阶模态下的阻尼比,进一步校对各阶模态对于机组振动的贡献量以及隔振系统的隔振效率。计算各个转速下机组质心的振动响应情况以及减震器安装点的振动响应情况[3]。EDG隔振计算坐标系的选择如图3所示。

图3 12PC2-6B EDG隔震计算坐标系Fig.3 12PC2-6B EDGisolators coor dinates

把柴油机与发电机看成整体质量,刚性安装在筏架上,筏架与基础之间有24个减震器,6个阻尼器,以xoz平面呈对称分布。质量质心以及各减震器、阻尼器参数如表3所示。

表3 质量参数Table 3 Quality par ameters

表4 隔震参数Table 4 Isolation parameters

(1)模态分析

该隔振系统有6个自由度,即沿3个坐标轴的平动x、y、z,绕3个坐标轴的转动α、β、γ。如表5所示。

表5 模态分析结果Table 5 Modal analysis results

续表

(2)机组响应

柴油机的额定转速为600 r/min,额定功率为8 640 k W。在额定转速下的激励力分别为:

在各个转速下的力和力矩为:F＝ (N/Nn)/Fn,式中F为各转速下的力与力矩;N为转速,Nn为额定转速;Fn为额定转速下的力与力矩。

(3)机组总体质心响应

不同转速下机组质心响应如图4、图5所示。

图4 不同转速下机组质心沿坐标轴三个方向的位移Fig.4 Forced vibrations-Genset COG-displacements

图5 不同转速下机组质心绕坐标轴三个方向的角位移Fig.5 Forced vibrations-Genset COG-angular displace ment

(4)2号、23号减震器响应

根据隔振计算结果,机组在300～600 r/min过程中,机组的振动远小于技术规范要求。如图6、图7所示。

图6 2号减震器安装点沿坐标轴三个方向的位移Fig.6 Forced vibrations-mount No．2-displace ments

图7 23号减震器安装点沿坐标轴三个方向的位移Fig.7 Forced vibrations-mount No．23-displacements

5 公共底座设计

该应急柴油发电机组公共底座外形尺寸 (L×W×H)为11 883 mm×4 050 mm×1 390 mm,总重量42.3 t。

公共底座整体采用双层框架式结构。该底座支承部分由4个大型工字钢组成,同时在其底部及两边辅以同样型号的三种短型型钢 (见图8部件3)和钢板 (见图8部件2)予以结构加强,构成整个底座最重要的承压部分。设计完成后,需要按照ASME III NF分卷要求校核承压部件在最大载荷组合下的力学性能。

柴油机安装在两块95 mm厚的钢板 (见图9部件12)上,柴油机的安装平面与工字钢平面之间采用两块立板连接,在其两边和内部各有筋板 (见图9部件11)对其进行加固,以工字钢上平面为基准使用钢板焊接,使其与四周形成一个封闭的空间,则为柴油机的油底壳。

图8 公共底座侧视图Fig.8 Side elevation of the pedestal

图9 公共底座轴视图Fig.9 Axial view of the pedestal

油底壳外侧分别有两块立板,支撑两块厚70 mm厚的平板,这两块平板同自由端的平板用于安装阻尼器、隔振器、滑油自净式滤器、燃油自净式滤器以及管道支架,简化外部管道设计,其与下底板之间均有筋板加强。

6 机组抗地震计算

按IEEE387-1995规范,应急柴油发电机组需进行抗地震计算,以保证在地震事件过程中,机组性能不降低,机组抗地震计算按以下步骤进行:

1)将机组作为一个整体,根据当地地震响应谱计算地震通过隔振器对机组的响应;

2)建立柴油机、发电机、公共底座数学模型;

3)根据已计算的机组响应,利用有限元对柴油机、发电机进行受力分析。

机组抗地震分析主要分为3部分,第一部分将柴油机、发电机、公共底座作为一个整体,分析机组在地震发生时,机组对地震反应波的响应情况,同时计算机组在弹性安装时,机组的自由震动频率,根据机组对地震波的反应以及机器运行时状态,计算柴油机上一些悬挂部件的应力,如增压器支架,空冷器支架等;第二部分主要是对柴油机的管系进行自振频率分析以及在地震响应及机组运行状态下的受力分析;第三部分是对柴油机一些零部件进行等效应力分析[4]。

7 机械辅助系统设计

7.1 燃油系统设计

燃油系统主要是通过燃油主储油罐、燃油日用油箱、燃油输送泵等设备保障燃油的正常补给和储存;通过机带燃油泵、燃油增压泵、压力调节阀等设备提供机组正常运行所需的燃油流量和压力。

在机组运行时,主储油罐中的燃油通过燃油输送泵输送至日用油箱。燃油机带泵从日用油箱吸油向柴油机供油,当机带泵故障,燃油压力降低时,燃油增压泵自动投运,以保证机组燃油的正常供应。燃油系统原理设计如下:

(1)冗余设计

为了提高机组可靠性,对机组燃油回路进行冗余设计,正常情况下有机带燃油泵对机组进行燃油供给,当燃油监测压力低于设定值时,燃油电动泵回路自动投入工作,提高机组的可靠性。

(2)防火设计

燃油油气具有较强的可燃性,设计燃油系统时,燃油主油灌以及日用油箱的通气口不允许直接排至机房内,必须通过管道引至机房外,同时在通气管路上安装阻燃器;在燃油日用油箱底部安装快速放泄阀,在机房发生火灾时,可以通过放泄阀迅速将燃油放泄至主油罐。

(3)控制设计

燃油输送泵设置手动和自动两种模式,当设置为手动时,需要人工操作泵的起停;当设置为自动时,日用燃油箱液位控制燃油输送泵的起动。燃油增压泵设置手动和自动两种模式,当设置为手动时,需要人工操作泵的起停;当设置为自动时,燃油进机压力控制燃油增压泵的起停,当燃油进机压力低于设定值时,燃油增压泵自动起动。

7.2 滑油系统设计

为保证机组的快速启动性能,在柴油机处于备用状态时,须设计一套连续预润滑回路,该回路流量大约为机组正常运行时滑油流量的10%左右。由于预供滑油系统为非核级系统,在滑油主回路与预供油回路利用核级单向阀隔开。

在设计滑油油量时,须保证机组连续满功率运行7 d,在油底壳上需要设计三个报警点,一个高液位报警点,两个低液位报警点。其中一级低液位报警作为提示油底壳内油位已不能满足7 d运行的要求,提醒操作人员及时补充油位;二级低液位报警为停机报警,告知机组油位已到警戒油位,继续运行机组会发生故障。

滑油进机压力监测信号对于柴油机运行至关重要,滑油压力低会导致机组故障,为此在滑油压力监测设计时采取3取2逻辑设计,防止由于压力传感器误动作而发出错误的指令。

7.3 冷却水系统设计

水质的要求,冷却水的水质将会严重影响机组的寿命,水质较硬时将会在柴油机的缸套外表面结垢,导致散热性能降低。在寒冷地区还必须考虑在水中添加适量的防冻液。

换热量设计,根据现场的条件,以及机组的特性计算机组换热量,在计算时需考虑由于防冻液的添加导致冷却水比热的变化,在计算换热量后一般留15%的设计余量。

7.4 启动空气系统原理设计

(1)冗余设计

在设计启动系统时,必须考虑系统的冗余性,从而提高机组的可靠性,采用两套独立的启动系统来起动机组,即使在某一路系统发生故障时,机组仍能在规定时间内启动。

(2)安全性设

压缩空气系统的压力较高,一旦发生过压将会导致较为严重的后果,所以在气瓶以及减压阀后需要设计安全释放阀,来保证系统的安全性。

(3)系统隔离设计

由于压缩空气系统中同时有核级和非核级设备,所以用单向阀对这两类设备进行隔离,另外为了既要保证两套启动系统相互独立,又要保证同时给超速保护气瓶和控制空气供应气源,所以在超保空气瓶、控制空气与两个空气瓶之间加单向阀。

(4)控制系统设计

空压机单元起停设计:空压机单元设置自动和手动两种模式。手动位置,人工控制空压机的起停,为了安全起见,当空气瓶压力达到设计值时,空压机自动停止工作;自动位置,空压机的起停受空气瓶内压力控制,当压力低于低设计值时,空压机自动启动,但压力达到高设计值时,空压机自动停止工作。

超速 (紧急停车)保护设计:该系统是用于在柴油机在紧急情况下快速停车从而保护柴油机,超速保护设计分为110%和112%两次保护。

8 电气辅助系统

电气辅助系统作为整个机组的核心执行着启动、停车、控制、调速及保护的关键功能。这个“指挥中心”设计的合理性和可靠性是机组安全运行的有效保障。

在电气辅助系统设计成套开发过程中,无论是方案、原理设计还是设备选型都严格遵循相关标准,并以适用条款和工程通用技术规范作为指导依据。电气原理设计遵循RCCE-2005、IEEE 384-2008、IEEE387-1995等标准,确保了1E/N1E回路间的隔离;涉及机组安全运行的回路采取了冗余设计,提高了系统的可靠性。

8.1 系统组成

根据IEEE387-1995《核电站柴油发电机组用柴油发电机组准则》的规定,应急柴油发电机组的系统组成如图10所示[5]。

图10 应急柴油发电机组系统组成图Fig.10 Co mposition of the EDGsystem

(1)就地控制监测系统

由于核电厂对安全的特殊需求,其对于技术成熟性和器件可靠性的要求远远超过了先进性,因此在本次 “华龙一号”12PC2-6B应急柴油发电机组的研制过程中,对于启动、停车等安全级控制回路采用独立、可靠的继电器进行逻辑搭建,非安全级的控制 (如预加热单元的控制、非优先级的启动连锁控制、高温水温度高保护输出控制、所有报警信号的输出等)采用PLC的控制模式。而且,所有模拟量的信号均可输入PLC并通过通讯接口将该信息送入H MI,通过可视化的界面将应急柴油发电机组系统中油、水、气的温度、压力、液位等信息展示给操作人员,并记录机组启/停、断路器的开/合、各种泵、空压机等的启、停状态;记录当前及历史发生故障的内容、时间等。

(2)速度调节系统

采用两路转速信号输入作为闭环速度调节系统的冗余设计,有效避免了一路转速信号失效而造成的系统失控。

(3)励磁调压系统

该系统配置了双通道自动电压调节器 (AVR),一用一备。

具有手动和自动电压调节功能,且手动和自动间切换不会引起调节器的故障。同时配置有电压调节系统必须的保护,如旋转二极管故障、励磁机磁场电流过流和欠流故障保护。

励磁回路中设置了机械联锁装置 (带钥匙),防止机组维修时由于意外启动对人员造成伤害。

(4)机械电气保护系统

安全级和非安全级的机械保护通过继电器的搭建和PLC的程序控制分别实现。

电气保护中非安全级的保护采用综保装置来完成发电机过压、过/欠频、差动等的保护输出,而仅对安全级的欠压保护回路采用独立的电压继电器来实现。

在应急运行工况下,只有欠压 (三取二逻辑)、115%超速 (三取二逻辑)和滑油低压 (三取二逻辑)保护停机会起效,其余保护均只报警。

(5)中压系统

中压系统主要配置了电压互感器、电流互感器 (安装在发电机上)用于给测量、保护、励磁控制及同期并网提供电压及电流信号。