核电站应急柴油发电机组润滑油系统设计

殷 勇，吴 腾，艾华宁，于 江



核电站应急柴油发电机组润滑油系统设计

殷 勇，吴 腾，艾华宁，于 江

（中广核研究院有限公司，广东 深圳 518031）

应急柴油发电机组是保障核电站安全运行的重要安保电源设施。润滑油系统是核电站应急柴油发电机组重要辅助系统之一，在机组备用状态下即投入运行，并在机组起动后持续运行，必须具有很好的安全性能和可靠性。通过分析润滑油系统的设计功能与性能要求，将润滑油系统总体划分为三个子系统，并对系统设备的安全等级进行划分，完成了系统的设计方案。结合现役核电站的经验反馈，在润滑油系统设计方案中增加了预润滑油泵双泵冗余设计和PCOT监测技术，保障了核电站应急柴油发电机组的安全稳定运行。

核电站；应急柴油发电机组；润滑油系统；双泵冗余；PCOT

0 前言

应急柴油发电机组是核电站在失去所有外部电源事故模式下，确保核反应堆余热导出，防止堆芯熔毁的应急安保电源设施[1,2]。机组应在接到起动指令10s内起动并达到额定转速和额定电压，按照自动加载程序陆续将应急母线上的负荷重新投入运行。因此，应急柴油发电机组及其辅助系统必须具有极好的起动和运行可靠性[3-5]。

核电站应急柴油发电机组包括润滑油、燃油、冷却水、空气起动、进排气等五大辅助系统[6]。润滑油系统作为机组重要的辅助系统之一，在机组备用状态就必须投入运行，以保证机组可以在短时间内完成正常起动。同时润滑油系统在机组起动后持续运行，保证柴油零部件能够得到良好的润滑、清洗和冷却。润滑油系统的合理设计对保障应急柴油发电机组的可靠性和机动性至关重要[7,8]。

1 设计要求

1.1 设备分级

核电站设备安全分级的目的主要是为了在核电站的设计、建造及运行过程中为设备应遵守的严格要求程度建立理论依据。参与执行下列安全功能的设备均属于核电站的安全相关设备[9]。

（1）反应堆紧急停堆以及维持反应堆在安全停堆状态；

（2）堆芯和安全壳厂房的冷却（包括中期和长期冷却）；

（3）放射性物质的封存以及限制向环境的排放并控制在规定限制之内。

应急柴油发电机组属于执行上述安全功能的设备，其整体作为电气设备，安全等级应划分为1E级（即安全级），抗震等级相对应为抗震Ⅰ类。润滑油系统作为应急柴油发电机组的重要组成部分，其主要的电气设备应按1E级、机械设备应按安全三级要求，抗震等级应按抗震Ⅰ类要求[10-12]。

1.2 设计功能

在核电站应急柴油发电机组的运行期间，润滑油系统需要把具有一定压力和温度范围的清洁润滑油连续不断地输送到柴油机的各摩擦面和需要冷却的部位，以减少机体摩擦损失的功，缓和机件之间的摩擦，同时把机件因摩擦而产生的热量带走，并清洗摩擦表面的磨屑和杂质，保证机体的正常运行[13]。

而在机组的备用期间，润滑油系统需要实现润滑油的循环流动并维持在一定的油温范围内，以确保机组在接到起动指令后能在短时间内完成正常起动。

1.3 性能要求

结合核电站安全运行规定以及应急柴油发电机组的技术要求，润滑油系统需要具备以下性能要求：

（1）润滑油系统应能在核电站事故后为应急柴油发电机组提供充足且清洁的润滑油；

（2）为保证机组运行的可靠性，柴油机的油底壳最小容量需要满足柴油机在额定功率下运行7d的消耗量。如果油底壳容量不能满足该要求，则需要再单独设置一个润滑油箱；

（3）需配备润滑油自动加热装置，包括循环泵和换热器，以满足机组在备用状态下的润滑油温度要求；

（4）需配备自洁型或带旁路互为备用的过滤器装置，保证过滤器在机组运行7d内无需进行清洗，或在不影响机组运行的情况下可进行清洗和更换；

（5）为保证在机组排油时，柴油机油底壳内润滑油可以及时有效地排出，需设置独立的电动排油泵。

2 系统设计方案

为实现润滑油系统的功能和性能要求，可以将润滑油系统总体划分为三个主要的子系统进行设计：预润滑和预加热系统，润滑系统，润滑油加注、贮存与排放系统。三个子系统通过柴油机本体相互连接，共同构建完整的润滑油系统。润滑油系统总体示意图如图1所示。

图1 润滑油系统总体示意图

2.1 预润滑和预加热系统

为保证核电站应急柴油发电机组在接到起动指令后便可尽快达到满功率，当机组处于备用状态时，必须保持润滑油的连续循环流动，而且润滑油的温度也需要维持在一定范围内。因此，润滑油系统需要设置独立的预润滑油泵实现润滑油在机组备用状态下的连续循环流动，并利用润滑油/高温水热交换器维持润滑油的温度。被润滑油冷却后的高温水则是通过机组冷却水系统的高温水预热器装置来实现加热，冷却水系统在机组备用期间一并投入运行。

表1列出了预润滑和预加热系统的主要机械设备的分级信息和数量。该子系统同时还包括用于控制预润滑油泵的压力开关和用于监测管道各状态点润滑油参数的油压、油温仪表，以及输送润滑油的管道。

表1 预润滑和预加热系统机械设备

2.2 润滑系统

核电站应急柴油发电机组在运行时需要充足且清洁的润滑油缓解柴油机零部件之间的摩擦，并冷却柴油机零部件的表面。因此，需要通过较大流量的机带润滑油泵将柴油机油底壳中的润滑油抽入闭式循环系统，经润滑油/低温水热交换器、自净式过滤器输送至柴油机各相应部位，并通过温控阀实时调节和维持润滑油的温度。部分清洁度低的润滑油经旁通管路上的离心过滤器过滤，重新流回油底壳。被润滑油加热后的低温水则是通过机组冷却水系统的风冷器装置来实现冷却，冷却水系统在机组运行期间一并投入运行。

表2列出了润滑系统的主要机械设备的分级信息和数量。该子系统同时还包括用于检测润滑油过滤器压差和柴油机进油管油压的仪表，以及用于监测曲轴箱油温的仪控装置。

表2 润滑系统机械设备

2.3 润滑油加注、贮存与排放系统

润滑油贮存在柴油机的油底壳内，其总量应不少于核电站应急柴油发电机组在额定功率下7d的消耗量。油底壳的日常补油需要通过采用移动补油泵联接现场的润滑油桶来加注。油底壳的排油则需要通过电动排油泵进行排放。在机组运行期间，为防止柴油机曲轴箱内油气积聚，需要配备一个油气分离装置来分离并排放油气。该设备配有排污管线和排气管线。

表3列出了润滑油加注、贮存与排放系统的主要机械设备的分级信息和数量。

表3 润滑油加注、贮存与排放系统系统机械设备

3 系统设计辅助技术

为提高应急柴油机发电机组长期运行的可靠性并加强对柴油机本体的运行状态监测，结合现役核电站的经验反馈，在润滑油系统设计方案中增加了“预润滑油泵双泵冗余设计”以及“PCOT监测技术”两项辅助技术。

3.1 预润滑油泵双泵冗余设计

预润滑油泵的可靠性一直是影响柴油机正常起动的重要因素之一。预润滑油泵双泵冗余设计通过为每台应急柴油发电机组设置两台100%容量互为备用的预润滑油泵，并建立双泵起停与切换控制逻辑，从而保证机组在备用状态下润滑油的连续循环。

两台预润滑油泵中的一台被标记为主泵，另一台则标记为备用泵。根据机组定期的检修计划安排，适时进行主次顺序切换。外部停运泵的信号复位后，主泵会优先恢复运转，另一台泵随机恢复备用状态。通过在润滑油系统中及柴油机本体上多处设置了监测点并连接自动控制装置，建立了双泵自动起停与切换控制逻辑，并设置就地手动切换开关，实现对两台预润滑油泵的有效控制，同时避免了泵的频繁起停与切换问题。该设计符合核电站“单一故障准则”[14,15]，有效提高了润滑油系统在机组备用状态下连续24h运行的可靠性。

3.2 PCOT监测技术

在润滑油系统的设计方案中加入了PCOT（Pielstick Crankpin Oil Temperature）监测技术，可实现对柴油机本体曲轴箱内油温的监测、显示、报警和信号输出，确保应急柴油机发电机组的安全稳定运行。

曲轴和连杆是柴油机本体的重要部件，加强对该部件的监测能降低柴油机本体的故障率，有利于提高机组的运行可靠性。柴油机在发生曲轴和连杆磨损事故时，通常会导致润滑油温度异常上升。PCOT技术利用在柴油机内部安装特殊结构的收集槽，通过收集柴油机曲轴箱内飞溅的润滑油，并安装高灵敏度的温度传感器，从而将收集槽中润滑油的温度实时反馈到PCOT监测装置，如图2所示。该技术能够及时有效地监测到曲轴箱内油温的变化，并提供报警和停机信号，防止柴油机本体发生重大故障，为核电站应急柴油发电机组的安全运行提供了重要保护措施。

图2 PCOT监测装置

4 结论

应急柴油发电机组是执行核电站安全功能的重要应急安保电源设施，其整体划分为安全级电气设备，并按抗震Ⅰ类要求。润滑油作为机组重要的辅助系统之一，其主要的电气设备应按1E级、机械设备应按安全三级要求，抗震等级应按抗震Ⅰ类要求。

润滑油系统在机组备用状态下即投入运行，并在机组起动后持续运行，必须具有很好的安全性和可靠性。根据润滑油系统的设计功能与性能要求，将系统总体划分为：预润滑和预加热系统，润滑系统，润滑油加注、贮存与排放系统三个主要的子系统。各子系统根据其执行的功能来配备相应的关键机械设备，并通过与柴油机本体连接构成完整的润滑油系统。鉴于润滑油系统的重要性，结合现役核电站的经验反馈，在系统设计方案中增加了预润滑油泵双泵冗余设计以及PCOT监测技术，以保障核电站应急柴油发电机组的安全稳定运行。

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Design of Lubricating Oil System for Emergency Diesel Generator Set in Nuclear Power Station

YIN Yong, WU Teng, AI Huaning, YU Jiang

(China Nuclear Power Technology Research Institute, Shenzhen 518031, China)

Emergency diesel generator set is an important security power supply to ensure the safe operation of nuclear power station. As one of the important auxiliary system for emergency diesel generator set in nuclear power station, the lubricating oil system which must be durable and reliable is put into operation in the standby state, and it will continue to run after the unit is started. By analyzing the design function and performance requirements of the lubricating oil system and the division of safety grade, the main design requirements are defined. According to the function and performance requirements, the lubricating oil system is divided into three subsystems, and the design scheme is completed. Combined with the experience and feedback from nuclear power plants in active service, the redundant design of pre-lubricating oil pump and PCOT monitoring technology are added to the design scheme, which ensure the safe and stable operation of emergency diesel generator set in nuclear power station.

nuclear power station; emergency diesel generator set; lubricating oil system; double pump redundancy; PCOT

TM623.3

A

国家能源局应用技术研究及工程示范项目(NY20140203)

1000-3983(2018)03-0071-04

2017-07-16

殷勇（1970-），1991年毕业于四川轻化工学院材料专业。目前主要从事核电站设备研发与设备鉴定工作，高级工程师。