核电用380V柴油发电机组功能及故障浅析

汤立宏，朱青连，牛 云

（中广核研究院有限公司，广东 深圳 518000）

0 引言

水压试验泵系统的功能是在全厂失电情况下，保证堆芯的完整性以及堆芯监视功能的可靠性。正常情况下是由主控室手动开启，为安注水箱补水。在全厂失电时自动启动，要求启动120 s 内为主泵一号轴封注水从而保证一回路完整，同时为主控室重要仪表提供应急电源。福岛核事故后，为增加核电站应急电源可靠性，中国某大型商用核电站新增380V 应急柴油发电机组以提高水压试验泵系统供电电源可靠性。目前，水压试验泵系统采用汽轮发电机组作为应急电源，机组老化，备件缺乏，可靠性不高。在全厂失电时，优先启动新增柴油发电机组为核电站水压试验泵供电，保证主泵一号轴封供水。如果柴油发电机组启动失败，再启动汽轮发电机组，双重保障以实现提高核电站应急电源可靠性的目的。

1 设计原则及安全准则

在正常或设计基准事故工况下，水压试验泵系统不执行安全功能，柴油机组属于RCC-P NC 级设备。在失去全部电源的情况下，水压试验泵能确保一回路冷却剂泵（主泵）1 号密封的注入水流量，从而保证了反应堆冷却剂泵系统的完整性。该系统还必须在此工况下（超出设计工况），给机组运行所需的重要仪表供电。

核电站在失去全部6.6kV 电源情况下，热屏冷却和主泵轴封水注入功能失效，主泵1 号轴封可能发生泄漏，如果反应堆仍处于额定功率下，从检测到6.6kV 失电算起，在2min 内水压试验泵系统就必须使轴封水注入功能重新建立起来，否则可能出现核电站安全屏障破裂风险[1]。在此工况下，水压试验泵系统柴油发电机组在10 s 的时间内就能够达到额定转速和额定电压，以保证水压试验泵完成轴封水注入的功能，维持核电站安全屏障完整性。

核电站内6.6kV 配电盘分AB 列，单列正常工作可满足核电站不发生核安全事故的要求。核电站正常运行工况下AB 列同时带电，在6.6kV 配电盘AB 列都不能供电的情况下，水压试验泵柴油发电机组正常工况时，不需要任何外部作用也能自动启动。在此工况下，柴油发电机组投入的唯一保护是超速保护。如果在运行期间达到超速保护的阈值，只要脱扣后在就地盘上进行复位，柴油发电机组就可立即重新启动。柴油发电机组及其辅助系统应有良好的启动和运行可靠性。水压试验泵的自动启动过程分为3 种情况：

1）柴油发电机一次启动成功，为水压试验泵供电。

2）柴油发电机第一次启动失败后，第二次启动成功，为水压试验泵供电。

3）柴油发电机连续两次启动失败，启动汽轮发电机为水压试验泵供电。

每台机组配备一台水压试验泵柴油发电机组，因此在一台机组大修期间对这台机组的水压试验泵柴油发电机组进行预防性维修，不影响另外一台机组的运行。

2 柴油机设计

为了保证良好的启动和运行可靠性，每台机组由独立的燃油喷射泵提供燃油，并且柴油发电机组有3 组蓄电池系统（两组电池互为备用，供盘车启动，一组供控制使用）。

发电机组应具有承受以下故障的能力：

◇ 发生超速故障时，柴油发电机的转速不得超过额定转速的115%。

◇ 由外部故障引起的发电机端子处，小于5 s 的三相或两相短路。

◇ 在1.2 倍额定转速下，超速运行5 s。

◇ 频率约50Hz 的过电压：1.4 倍额定电压持续4 s；1.2 倍额定电压持续3 min。

◇ 波形为1.2/50μs 和200/1500μs，其峰值为25kV 的电网过电压。

◇ 相位差从120°～180°的非同期并网至少两次。

在发电机端子处没有外部动作时，柴油发电机组能正常运行72h。

设置自动切换开关柜（ATS），实现柴油发电机组或对应汽轮发电机组供电的切换。

3 柴油发电机组结构

3.1 柴油发电机组

新增柴油发电机组选用VOLVO AD734GE 型柴油机，以及STAMFORD UCDI274K 型发电机。

VOLVO TAD734GE 柴油机属于工程机械类型，主要提供机械动力，将柴油转化为机械能，具有较高的应用价值和实践意义[2]。柴油机采用完全电子喷油控制技术，具有启动性能优良、电压稳定、运行可靠、低排放、低噪音等优点。

柴油发电机组额定功率达216kW，水压试验泵系统以及主控室重要仪表功率不足50kW，该柴油发电机组完全满足实际需求。

3.2 控制器

柴油发电机组控制器由科迈控制器（下文简称Com AP），以及柴油机自带调速器（下文简称ECU）构成。科迈控制器负责人机接口及外部逻辑，ECU 完成柴油机本体控制。科迈控制器接收上游启动、停止、保护等信号并将信号传输至ECU，ECU 接收转速信号进行转速调节。科迈控制器与ECU 连接如图1 所示。

图1 科迈控制器与ECU连接示意图Fig.1 Schematic diagram of the connection between Com AP and ECU

科迈控制器为ECU 提供电源，ECU 电源接通上电后与科迈控制器进行实时数据通讯。所有人机交互数据以及报警均由科迈控制器发出，主要包含如下：

低电压保护、过电压保护、低频保护、过流保护、发电机绕组温度高、发电机轴承温度、启动或控制蓄电池电压低、出口开关故障、超速、润滑油压力低、润滑油温度高、冷却水温度高、冷却水进机压力低、油箱液位低、油箱液位低低。

如果柴油机是由紧急启动信号启动，则柴油机运行时仅投入超速保护，其它保护均被闭锁，但发出报警。在就地手动启动期间所有保护投入。

3.3 电气系统

柴油机电气部分由控制面板（EMS）、传感器/执行器、启动马达、柴油机机界面接头构成。

传感器由转速传感器、冷却水温度传感器、油温油压传感器等组成，采集信号用于控制、保护柴油机。执行器由喷油器组成，用于控制喷油量。

柴油机电源系统有启动电源和控制电源两套电源，启动电源用于驱动盘车电机，控制电源提供控制电。为保证启动电源在启动瞬间产生的大电流不会损坏控制电源，在启动瞬间有断开控制电源与系统连接的设计。

启动马达用于在喷油前对柴油发电机组进行盘车，柴油机转速达180rpm 或供油压力达3bar 时ECU 控制器发出喷油指令，启动马达退出。机组启动过程中，会有大电流、热量产生，并且线圈处于密封壳内阻碍热量散失，如启动马达长期处于高温环境，会造成启动机寿命降低[3]。

4 柴油发电机组启停时序

4.1 柴油发电机组启动时序

柴油发电机组手动启动信号分为AB 列，单列信号触发不会启动柴油发电机组，柴油发电机组同时接收上游AB列手动启动命令时，柴油机启动。

首先，科迈控制器接收上游启动命令，当AB 列启动信号同时存在时科迈控制器启动，随后ECU 得电，4s 后ECU 收到科迈控制器发出的启动命令（4s 用于科迈控制器的预启动），启动开关闭合，启动马达投入，柴油机开始盘车。同时，电路板激活（ECU 开始工作）。柴油机转速达180rpm 时柴油机喷油点火，转速480rpm 时盘车退出，柴油机在活塞运动下继续升速，ECU 接收科迈控制器转速命令。总时序逻辑图如图2 所示。

4.2 柴油发电机组停机时序

柴油发电机组正常运行时由保护或者手动触发停机信号，科迈控制器触发停机信号使ECU 失电，喷油器停止喷油，电路板不工作。停机时序如图2 所示。

图2 柴油机启停时序逻辑Fig.2 Diesel engine start-stop sequence logic

为保证ECU 数据存储，在Com AP 触发停机信号时需要延时20s 后触发失电。紧急停机时，按下外接紧急停机按钮，ECU 即刻断电，喷油器停止，电路板不工作。

5 现场故障分析

5.1 故障描述

2017 年11 月3 日，某核电站柴油发电机组检修后首次离线再鉴定启动，柴油机转速上升至1500rpm，出现“停机失败停机”报警，柴油发电机组停机。

调查故障原因，多次启动柴油机组均与上述故障现象一致，启动信号发出到出现“停机失败停机”时间间隔均为14s。

2017 年11 月5 日，将盘车时间设置由5s 临时修改为8s，再次启动柴油发电机组转速到达1500rpm，稳定运行，故障现象消失。将盘车时间再次恢复到5s，多次验证均启动成功。启动时间由14s 逐渐降低至9s。故障时序如图3所示。

图3 柴油发电机组启动故障时序图Fig.3 Timing diagram of start-up failure of diesel generator set

5.2 故障分析

因为柴油机由起动机带动启动，起动机又由ECU 控制[3]。以上故障是由ECU 设计原因导致，具体分析如下：

启动信号发出后，且检测到柴油机转速为0 rpm，则投入盘车并打开油阀。科迈控制器检查5s 内转速未到达700rpm，判断继续尝试启动，进入间歇时间。此时盘车退出，油阀应关闭，但ECU 对于启动成功判断条件为柴油机转速大于350rpm，5s 时ECU 检测转速已超过480rpm，油阀无需关闭，油阀继续保持打开，柴油机转速继续上升。

继科迈控制器判断上次启动失败后，间歇5s 后，科迈控制器继续发出启动盘车信号，但检测到柴油机现有转速已大于0rpm，随即产生“停机失败停机”并停机。

将盘车设置时间由5s 临时修改为8s 故障消失，是由于首次启动时供油管道内存在空气，供油量低，在5s 内柴油发电机组转速无法升至700rpm，多次启动后供油管内空气消失，在5s 内转速可升至700rpm，因此故障消失。

5.3 故障原因以及解决方案

1）根本原因是第一次启动期间供油管道内存在空气，供油不足。最终导致5s 内柴油机转速无法达到700rpm，后续新机组第一次启动前应尽可能排出管道内空气。

2）科迈控制器与ECU 控制器对于启动成功的定义不同，科迈控制器定义柴油发电机组转速大于700rpm 为启动成功，ECU 控制器定于转速大于480rpm 为启动成功。科迈控制器参数设计错误，需要修改成与ECU 一致。

6 总结

本文从水压试验泵系统功能、设计基准和原则出发，详细介绍了水压试验泵系统组成与功能，从设备组成角度简单分析了设备的参数及功能。以某大型商用核电站为例，介绍了VOLVO AD734GE+UCDI274K 型柴油发电机组，将该发电机组的组成及控制逻辑做了简要分析。最后，对实际应用中出现的故障做分析，为后续使用该柴油发电机组在核电使用中提供参考经验。