海洋核动力平台柴油发电机应用概要

2018-03-22胡双进丁伯才刘宙锋

船电技术 2018年10期

关键词：核动力反应堆发电机组

黄超，胡双进，张力，丁伯才，刘宙锋

海洋核动力平台柴油发电机应用概要

黄超，胡双进，张力，丁伯才，刘宙锋

（武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064）

本文介绍了柴油发电机在核电及船舶行业的应用，结合海洋核动力平台的特点，简要分析了海洋核动力平台柴油发电机的配置、技术要求、控制与保护要求，对海洋核动力平台的工程设计有一定的参考价值。

海洋核动力平台柴油发电机配置

0 引言

柴油发电机组具备热效率高、经济性好、起动容易、布置灵活等特点，被广泛应用于各行各业。在陆上核电站，应急柴油发电机组是核电站内部应急电源，提供在正常或事故条件下停闭电站所必需的电能[1]。一座双堆核电站一般包括4~5台应急柴油发电机组，在日本福岛核泄漏事故后，新建的核电站还增配有一台可移动式柴油发电机，以应对极端事故下的全厂失电。在能动核电站中，柴油发电机作为全厂失电时进行反应堆余热导出系统的动力来源，直接关系到核安全，属于安全级设备。在非能动核电站中，柴油发电机属于非安全级设备[2]。

在船舶领域，《钢制海船入级规范》对主电源和应急电源都有明确要求。船用电源装置一般包括两台或多台柴油发电机组作为主电源，主要为推进、正常照明、空调等正常负荷供电。另外一台柴油发电机组作为应急电源，主要为应急照明、消防、应急逃生等设备供电。

1 海洋核动力平台柴油发电机配置要求

由于海洋核动力平台是船舶与反应堆的结合，与陆上核电站相比，海上核电站没有厂外电源，设备布置空间也相对较小；与民用船舶相比，海上核电站多了一套（或多套）核反应堆发电装置，因此对柴油发电机的配置和使用工况与陆上核电及民用船舶均有较大区别。

核安全导则要求，多堆核电厂的每一座反应堆应有隔离和独立的应急动力系统[3]。因此海洋核动力平台应考虑为每一座反应堆至少配置两台核应急柴油发电机，作为两个应急动力系统的电源设备。两台柴油发电机组安装在相互分隔的厂房里[4]，保证发生单一系统或部件不能执行其预定功能的故障不会导致两台柴油发电机同时无法工作，单台柴油发电机的输出功率至少应能满足以下两种工况下最大需求功率的110%：

1）在失去汽轮发电机电源的情况，即正常停堆时，向应急设备供电，使机组安全停运而不损坏设备。

2）在失去汽轮发电机电源的同时发生反应堆冷却剂事故（例如失去反应堆冷却剂）的情况，即事故停堆时，向保障堆芯应急冷却及尽量减少放射性对环境的释放所必需的安全级设备供电。

由于海洋核动力平台孤岛电网运行的特点，在核动力装置正常运行时，全船用电均由平台上的汽轮发电机提供，当核动力装置不运行或者在启堆过程中时，全船用电需由柴油发电机提供。陆上核电站配置的柴油发电机主要是在失去外部电源时能够快速启动供电，保证反应堆及重要设备安全，启堆及反应堆不运行时的全厂用电均是厂外电源。核安全导则要求，如果将应急电力系统用于其他目的，不得使应急电力系统功能独立性、系统可靠性或能力降低到低于为执行其安全功能可接受的水平[3]。为应对核动力装置不运行或者在启堆过程中这两种工况，柴油发电机有两种配置方案，方案一：由于启堆时的负荷远大于正常停堆和事故停堆的负荷，加大两台核应急柴油发电机的容量，启堆和核动力装置不工作时由两台核应急柴油发电机供电，但此方案还需验证在启堆及反应堆不运行时使用核应急柴油发电机，对应急电力系统的安全性和可靠性是否存在影响；方案二：核应急柴油发电机功能与陆上核电站类似，应急工况下用来保证反应堆及重要设备安全，正常工况下，除了进行启动带载试验（紧急情况下也能投入使用）外，均处于备用状态，另外新增加一台或多台备用柴油发电机，为启堆及核动力装置不工作时的船用负荷供电，同时该备用柴油发电机还能充当船上的主电源或备用电源，新增加的柴油发电机是普通的船用柴油发电机。

海上核电站作为特种海洋船舶，还需设置独立的船用应急电源，因此设置一台船用应急柴油发电机，且该柴油发电机具有独立的冷却装置和燃料供给，布置在破损水线以上，属于普通的船用柴油发电机。

2 柴油发电机主要技术要求

海洋核动力平台作为一种特殊海洋船舶，船上所有柴油发电机首先均应满足船用条件（冲击、振动、摇摆、温湿度、盐雾、凝露、霉菌等），建造、使用过程中应满足CCS等船级社要求。

为反应堆配置的核应急柴油发电机还应同时满足核级柴油发电机的一些特殊要求，主要有：

1）启动可靠性高。为了保证柴油机启动可靠性，一般设置两种独立启动方式，调速系统冗余设计，要求进行100次连续成功启动可靠性考核；同时燃油系统也进行冗余设计，保证供油安全性。

2）运行可靠性高。一般要求具备每年8760 h持续额定功率工作能力，并每24 h内具备2 h短时110％额定功率工作能力。

3）短时启动能力强。一般要求接收到启动信号后10~20 s内启动，达到额定频率和电压，具备按程序加载能力。

4）抗老化设计。一般要求根据安全功能相关部件进行老化分析、试验，并进行老化鉴定。

5）质保体系。一般要求制定严格的质保监管体系，注重全过程控制，保留全过程各种记录、资料，实施H、W、R点分级监造，监造成本、资料记录成本昂贵，要求设备生产厂家取得核级设备生产资格许可证。

3 柴油发电机控制和保护

船用柴油发电机设置机旁控制箱，主要具备柴油发电机的操作、保护、显示、报警、信号延伸等功能。

核应急柴油发电机应设置有柴油发电机组的启停机控制、保护、机组参数监测和报警、柴油发电机组辅助系统主要设备的监测与控制等一系列功能的电气监控系统。启停控制主要包括就地操作与远方操作两种方式，实现柴油发电机组启动、停机，并具有手动、自动电压调节功能。不论柴油发电机以何种方式启动，手动停机只能就地进行，在发出正常停机信号的同时出现应急启动信号，则应急启动信号具有优先权[5]。保护主要实现柴油发电机供电工况及定期试验期间短路故障及异常状态保护（差动保护、过流保护、过载保护、逆功率保护、电压异常保护、频率异常保护等），以及能实现柴油机超速、润滑油异常、冷却水异常等保护，关系到柴油发电机正常运行的保护（如超速），应设置3个传感器，当其中2个传感器发出停机信号时，柴油发电机才执行动作。当柴油发电机组应急供电运行时，只投入发电机差动保护，其它均被闭锁，只发出报警[6]。监测和报警主要实现柴油发电机各电气和机械参数的实时监测，并提供异常报警。

由于核应急柴油发电机使用的频率很低，因此还需要定期试验证明柴油发电机具有启动和带载能力，在定期试验状态下，柴油发电机在发生滑油压力低、超速、过电流、过电压、冷却水温度过高、电压低时，需自动停机。

4 结论

海上核能发电船舶没有现行的标准可遵循。柴油发电机作为应急工况下的电能来源，是直接关系到反应堆安全和人员安全的重要设备。在柴油发电机应用的设计上首先应保证安全性，同时作为一项民用工程，在保证安全性的前提下尽量体现经济性。本文主要针对海洋核动力平台相较于陆上核电站及常规船舶的独特性，介绍了柴油发电机配置的基本要求、运行工况、技术要求、保护设置，为海洋核动力平台的设计提供了参考。

[1] 核工业第二研究设计院. Design and construction Rules Electrical equipment(压水堆核电站核岛电气设备设计和建造规则) , 1993.

[2] 中国国家标准化委员会. 压水堆核电站物项分级: GB-T 17569-2013[S]. 北京: 中国标准出版社, 2013.

[3] 中国国家核安全局. 核电厂应急动力系统: HAD102-13-1996 [S]. 北京: 中国国家核安全局, 1996.

[4] 秦山核电二期工程建设经验汇编设计卷Ⅰ[M]. 北京: 原子能出版社, 2004.

[5] 李德佳. 核电站应急柴油发电机组的特点和调试[J]. 电力设备, 2006, (8).

[6] 张言滨, 刘云峰, 张益林. 新型的核电站应急柴油发电机组电气保护方案[J]. 电工技术, 2017, (8): 121.

Application of Diesel Generators for Marine Nuclear Power Platform

Huang Chao, Hu Shuangjin, Zhang Li, Ding Bocai, Liu Zhoufeng

(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China)

U664.121

1003-4862（2018）10-0051-02

2018-05-14