姚澤文

摘要：中國實驗快堆的應急柴油發(fā)電機組是保證反應堆安全停堆以及后續(xù)事故處理的最重要的專設安全設施之一。其主要功能是在失去廠外電源或中壓母線故障時，為廠應急母線提供可靠的電力。因此，提高應急柴油發(fā)電機組的可靠性，對中國實驗快堆的安全性至關重要。本文基于以可靠性為中心的維修理念分析不同系統(tǒng)設備故障以及定期試驗對急柴油發(fā)電機組的影響，利用故障樹法對系統(tǒng)進行定性、定量分析，并提出維護優(yōu)化建議，對急柴油發(fā)電機組的運行和維修提供數(shù)據支持。

關鍵詞：應急柴油發(fā)電機； 以可靠性為中心的維修；維修優(yōu)化；故障樹法；可靠性

中圖分類號：TL 3 文獻標識碼：A

1 引言

針對核電站應急柴油發(fā)電機組（EDG）的可靠性維修，都是在其定期試驗的基礎上進行的。為了提高應急柴油發(fā)電機的供電可靠性，核電站在正常運行期間，會制定特定的柴油發(fā)電機組定期試驗程序，通過定期試驗來發(fā)現(xiàn)柴油發(fā)電機的潛在故障以及運行缺陷，從而加以優(yōu)化或更正維修或運行操作。換句話說，核電站柴油發(fā)電機的定期試驗也就是柴油發(fā)電機組的定期檢修過程。以可靠性為中心的維修（RCM）是當今應用較為廣泛的一種以確定設備預防維修工作，優(yōu)化維修從而達到減少或消除設備故障的方法。其基本思想是：通過對設備進行故障分析和定位，明確故障后果，通過設備故障數(shù)據建立相關模型，進行定性定量等分析，在確保設備完好的前提下，以維修停機損失最小為目的對設備的維修策略進行優(yōu)化。本文基于可靠性維修思想利用瑞典的risk spectrum軟件僅對快堆 EDG及其現(xiàn)執(zhí)行的定期試驗進行可靠性分析，通過分析為EDG的日常維護和故障維修提供數(shù)據上的支持和建議。

2 CEFR應急柴油發(fā)電機系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)主要設備

CEFR應急供電系統(tǒng)中設計采用的是兩臺功率為728kw的應急柴油發(fā)電機，電壓為400v，轉速為1500r/min，功率因數(shù)為0.8滯后。其分別安裝在05子項的兩個廠房內，實現(xiàn)彼此實體隔離，屬于安全相關級設備，抗震Ⅰ類。每臺柴油發(fā)電機組由柴油機、發(fā)電機和控制屏三部分組成，每臺機組都具有自帶的潤滑油系統(tǒng)，冷卻方式為自帶冷凝器，風扇的風冷式。

應急柴油發(fā)電機主要的輔助系統(tǒng)有[4]：

1） 燃油貯存系統(tǒng)

CEFR每臺柴油發(fā)電機組都配有獨立的燃油存儲系統(tǒng)，由一個儲油罐和一個日用油箱組成，它們之間由兩個輸油泵（一用一備）連接，其儲油量能夠保證機組在最大負荷下連續(xù)運行7天。主要功能是為柴油機提供燃油，日用油箱可以通過重力作用將燃油輸送給柴油機。

2） 柴油機啟動及預熱系統(tǒng)

柴油啟動及預熱系統(tǒng)設備主要由鉛蓄電池、冷卻機加熱器（潤滑油加熱器）、溫度控制閥等組成。柴油機的啟動由鉛蓄電池完成，在正常供電狀態(tài)下，蓄電池處于充電狀態(tài)以保證事故狀態(tài)下其有足夠的電壓來啟動柴油機。柴油機的預熱系統(tǒng)使柴油機體一直處于一定的溫度下，使機組始終處于熱備用狀態(tài)。

3） 潤滑油系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由潤滑油泵、潤滑油過濾器以及潤滑油冷卻器組成。潤滑油系統(tǒng)與柴油機為一體，其油泵有足夠的壓頭潤滑主軸承和曲銷等，機內潤滑油通過一個再循環(huán)回路自動保持在一定的溫度范圍內，以保證潤滑油的機能。

4） 柴油機吸氣及排煙系統(tǒng)

柴油發(fā)電機都裝有空氣過濾器、渦輪增壓機、空氣冷卻器、排煙軟管和排煙消音器。該系統(tǒng)的主要功能是提供給柴油機比較有質量的空氣以及將燃燒后的廢氣排放到大氣中。

5） 柴油機冷卻及通風系統(tǒng)

CEFR每臺柴油發(fā)電機都具有自身獨立的冷卻排風系統(tǒng)，其由空氣冷凝器、風扇、機帶冷卻水泵以及熱控閥等組成。主要功能是通過水冷卻劑從柴油機氣缸及油冷卻器帶出熱量，經散熱器風扇冷卻后循環(huán)排熱。通風冷卻系統(tǒng)除了冷卻柴油機外，同時冷卻發(fā)電機、室內排氣管、柴油機向室內的輻射熱。

6） 柴油發(fā)電機的控制系統(tǒng)

每臺柴油發(fā)電機組都配有兩塊控制屏，一為主開關控制屏，一為柴油發(fā)電機組控制屏?？刂破辽涎b設有運行指示信號，用以判別機組的報警或故障信息。操作人員可以通過該系統(tǒng)對柴油發(fā)電機作出相關的操作。

2.2 柴油發(fā)電機的運行方式和主要功能[2]

柴油發(fā)電機組在反應堆正常運行情況下，始終處于熱備用的狀態(tài)，所謂熱備用狀態(tài)即用于暖機的潤滑油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)處于保溫狀態(tài)，啟動蓄電池處于浮充電狀態(tài)。當失去主電源和備用電源時，應急母線失電或接收到其他啟動信號時，柴油機可以立即啟動，在10s鐘內發(fā)電機達到額定轉速和額定電壓，并具備帶載負荷的能力。應急柴油發(fā)電機按批次帶載完成后，進入正常運行工況。

應急柴油發(fā)電機組的主要功能是在核電站中壓母線因為失去廠外正常電源，或母線本身故障而導致失壓時，為應急交流母線提供電源，向安全系統(tǒng)的負載以及其他指定的非安全物項供應電力，防止重要安全設備因為電源喪失而造成損壞，確保反應堆緊急安全停堆，避免核泄漏事故發(fā)生，保證人身安全。

3 EDG的故障樹評估

根據以可靠性為中心的維修理論，通過系統(tǒng)的功能和性能指標，分析導致功能故障的所有故障模式，以及帶來的影響和后果，選擇合適的維修方案來預防這些可能的故障。本文利用故障樹法對CEFR應急柴油發(fā)電機進行可靠性分析，不僅對它的一些可靠性指標做出評估，更重要的是找出對其可靠性影響較大的因素，識別系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，從而確定提高該設備可靠性的對策，指導優(yōu)化運行和維護兩方面的工作。

3.1系統(tǒng)故障樹分析

CEFR應急柴油發(fā)電機的主要作用是在接收到啟動信號后，及時啟動并按照要求建立能夠帶載的電壓和頻率，輸出穩(wěn)定的電力。下文以EDG無電力輸出為頂事件，應用Risk spectrum軟件建立故障樹模型來分析系統(tǒng)可靠性。系統(tǒng)邊界定義為EDG出口斷路器以及其輔助系統(tǒng)。限于文章篇幅，僅給出EDG無電力輸出的主故障樹（圖3.1）和柴油機無法啟動（圖3.2）、運行時故障（圖3.3）的故障樹。整個故障樹包括34個基本事件，22個門事件。

圖3.1 EDG無電力輸出主故障樹

圖3.2柴油機無法啟動主故障樹

圖3.3柴油發(fā)電機運行期間故障主故障樹

本文分析采用IAEA-TECDOC和文獻[1]等資料中提供的通用數(shù)據進行系統(tǒng)可靠性分析。同時該系統(tǒng)與一般核電廠的類似，利用以上數(shù)據進行分析可以得到可信的結果。通過分析可得到：快堆應急柴油發(fā)電機供電失效的概率為：2.437E-004。

表3.1是頂事件失效的支配性最小割集以及其不可用度所占系統(tǒng)總失效的比例。

表3.2是EDG無電力輸出主要支配性失效部件的重要度和靈敏度分析（由于篇幅限制只列出了前十項）。

表3.1EDG無電力輸出最小割集

序號 不可用度 份額 最小割集事件 序號 不可用度 份額 最小割集事件

1 3.0E-005 12.3 輸油泵故障 16 2.50E-006 1.0 風扇故障

2 3.0E-005 12.3 合閘開關拒動 17 1.90E-006 0.8 供油閥門誤關閉

3 3.0E-005 12.3 濾清器故障 18 1.50E-006 0.6 潤滑油冷卻器故障

4 2.50E-005 10.3 人因故障 19 1.40E-006 0.6 解調器故障

5 2.30E-005 9.4 發(fā)電機定子故障 20 1.00E-006 0.4 執(zhí)行機構拒動

6 1.50E-005 6.2 柴油機曲軸故障 21 6.40E-007 0.3 蓄電池故障

7 1.00E-005 4.1 發(fā)電機轉子故障 23 3.40E-007 0.1 合閘按鈕誤動

8 8.40E-006 3.4 潤滑油泵故障 24 3.00E-007 0.1 勵磁繞組短路

9 7.70E-006 3.2 水泵故障 25 2.50E-007 0.1 油箱漏油

10 5.00E-006 2.1 噴油嘴故障 26 2.50E-007 0.1 加熱器故障

11 5.00E-006 2.1 電子調速器故障 27 2.50E-008 0.0 水箱漏水

12 5.00E-006 2.1 潤滑油泵故障 28 2.35E-009 0.0 作操人員失誤

13 3.10E-006 1.3 繼電器故障 自啟動信號失效

14 2.90E-006 1.2 溫控儀故障 29 1.00E-010 0.0 油管阻塞

15 2.90E-006 1.2 恒溫閥失效

表3.2 主要支配性部件的靈敏度和重要度

序號 事件 重要度 靈敏度 高階靈敏度 低階靈敏度

1 合閘開關拒動 1.23E-01 2.37E+00 5.14E-04 2.17E-04

2 輸油泵故障 1.23E-01 2.37E+00 5.14E-04 2.17E-04

3 濾清器故障 1.23E-01 2.37E+00 5.14E-04 2.17E-04

4 人因故障 1.03E-01 2.12E+00 4.69E-04 2.21E-04

5 發(fā)電機定子故障 9.44E-02 2.02E+00 4.51E-04 2.23E-04

6 柴油機曲軸等故障 6.16E-02 1.64E+00 3.79E-04 2.30E-04

7 發(fā)電機轉子故障 4.10E-02 1.42E+00 3.34E-04 2.35E-04

8 噴油泵故障 3.45E-02 1.35E+00 3.19E-04 2.36E-04

9 水泵故障 3.16E-02 1.32E+00 3.13E-04 2.37E-04

10 電子調速器故障 2.05E-02 1.21E+00 2.89E-04 2.39E-04

由于基本事件的數(shù)據采用的是通用統(tǒng)計數(shù)據，存在一定的不確定性，為了更加科學地描述計算結果，本文利用對數(shù)正態(tài)分布模型進行不確定性分析。分析結果為：90%置信區(qū)間為[1.44E-04，3.95E-04]，中值為2.24E-04。圖3.4為EDG無電力輸出的PDF曲線。

圖3.4 EDG無電力輸出PDF曲線

3.2分析結果與建議

通過上文的故障樹分析，得到快堆應急柴油發(fā)電機組失效的概率與國外其他核電站的計算結果在同一量級。對分析結果貢獻較大的是發(fā)電機本體的故障、合閘開關和人因失誤，輔助系統(tǒng)中主要是供油系統(tǒng)和潤滑油系統(tǒng)的故障占較大比例。基于分析結果，針對提高快堆應急柴油發(fā)電機組的可靠性提出以下建議：

a） 對系統(tǒng)失效的貢獻中柴油發(fā)電機組的兩個串聯(lián)斷路器故障占較大份額，在日常運行維護中要加以重視，在確保保護靈敏性和安全性的前提下，設置合理的保護定值；

b） 系統(tǒng)失效有一部分來自柴油機本體曲軸等的失效 。針對該類失效需通過日常的維護保養(yǎng)，使柴油發(fā)電機處于良好的狀態(tài)，注意檢查轉動部件是否有磨損，潤滑油油溫和冷卻系統(tǒng)是否正常；

c） 對于人因失誤，需要在日常運行檢修中，嚴格按照規(guī)程規(guī)范操作，并且加強監(jiān)督體系；

d） 輔助系統(tǒng)中的供油系統(tǒng)和潤滑油系統(tǒng)，要定時檢查各系統(tǒng)泵的性能，按需求更換潤滑油，供油系統(tǒng)需定期更換濾網，以防止濾清器、管道等的堵塞；

e） 針對應急柴油發(fā)電機組的所有轉動部件，在檢修維護中要加以注意，確保其處于正常運轉狀態(tài)。

4 結論

通過以上的分析計算，為快堆應急柴油發(fā)電機組的維修和保養(yǎng)提供了數(shù)據上的支持，提出了維保期間提高可靠性的建議。本文的分析可以得到，快堆柴油發(fā)電機組的可靠性較高，能夠很好地實現(xiàn)要求的功能。

參考文獻

[1] IAEA. Generic component reliability data for research reactor PSA [R]. TECDOC-930， Vienna： IAEA， 1997

[2] 張明佳. 核電站應急柴油發(fā)電機組可靠性數(shù)據的建立與應用[D]. 上海交通大學，2009

[3] 中國實驗快堆應急柴油發(fā)電機組技術規(guī)格書[M]. 2005

[4] 廖建彬，等. 提高柴油機供油系統(tǒng)可靠性探討[J]. 2009