黃 超，胡雙進，張 力，丁伯才，劉宙鋒

海洋核動力平臺柴油發(fā)電機應(yīng)用概要

黃 超，胡雙進，張 力，丁伯才，劉宙鋒

（武漢第二船舶設(shè)計研究所，武漢 430064）

本文介紹了柴油發(fā)電機在核電及船舶行業(yè)的應(yīng)用，結(jié)合海洋核動力平臺的特點，簡要分析了海洋核動力平臺柴油發(fā)電機的配置、技術(shù)要求、控制與保護要求，對海洋核動力平臺的工程設(shè)計有一定的參考價值。

海洋核動力平臺 柴油發(fā)電機 配置

0 引言

柴油發(fā)電機組具備熱效率高、經(jīng)濟性好、起動容易、布置靈活等特點，被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。在陸上核電站，應(yīng)急柴油發(fā)電機組是核電站內(nèi)部應(yīng)急電源，提供在正?；蚴鹿蕳l件下停閉電站所必需的電能[1]。一座雙堆核電站一般包括4~5臺應(yīng)急柴油發(fā)電機組，在日本福島核泄漏事故后，新建的核電站還增配有一臺可移動式柴油發(fā)電機，以應(yīng)對極端事故下的全廠失電。在能動核電站中，柴油發(fā)電機作為全廠失電時進行反應(yīng)堆余熱導出系統(tǒng)的動力來源，直接關(guān)系到核安全，屬于安全級設(shè)備。在非能動核電站中，柴油發(fā)電機屬于非安全級設(shè)備[2]。

在船舶領(lǐng)域，《鋼制海船入級規(guī)范》對主電源和應(yīng)急電源都有明確要求。船用電源裝置一般包括兩臺或多臺柴油發(fā)電機組作為主電源，主要為推進、正常照明、空調(diào)等正常負荷供電。另外一臺柴油發(fā)電機組作為應(yīng)急電源，主要為應(yīng)急照明、消防、應(yīng)急逃生等設(shè)備供電。

1 海洋核動力平臺柴油發(fā)電機配置要求

由于海洋核動力平臺是船舶與反應(yīng)堆的結(jié)合，與陸上核電站相比，海上核電站沒有廠外電源，設(shè)備布置空間也相對較?。慌c民用船舶相比，海上核電站多了一套（或多套）核反應(yīng)堆發(fā)電裝置，因此對柴油發(fā)電機的配置和使用工況與陸上核電及民用船舶均有較大區(qū)別。

核安全導則要求，多堆核電廠的每一座反應(yīng)堆應(yīng)有隔離和獨立的應(yīng)急動力系統(tǒng)[3]。因此海洋核動力平臺應(yīng)考慮為每一座反應(yīng)堆至少配置兩臺核應(yīng)急柴油發(fā)電機，作為兩個應(yīng)急動力系統(tǒng)的電源設(shè)備。兩臺柴油發(fā)電機組安裝在相互分隔的廠房里[4]，保證發(fā)生單一系統(tǒng)或部件不能執(zhí)行其預定功能的故障不會導致兩臺柴油發(fā)電機同時無法工作，單臺柴油發(fā)電機的輸出功率至少應(yīng)能滿足以下兩種工況下最大需求功率的110%：

1）在失去汽輪發(fā)電機電源的情況，即正常停堆時，向應(yīng)急設(shè)備供電，使機組安全停運而不損壞設(shè)備。

2）在失去汽輪發(fā)電機電源的同時發(fā)生反應(yīng)堆冷卻劑事故（例如失去反應(yīng)堆冷卻劑）的情況，即事故停堆時，向保障堆芯應(yīng)急冷卻及盡量減少放射性對環(huán)境的釋放所必需的安全級設(shè)備供電。

由于海洋核動力平臺孤島電網(wǎng)運行的特點，在核動力裝置正常運行時，全船用電均由平臺上的汽輪發(fā)電機提供，當核動力裝置不運行或者在啟堆過程中時，全船用電需由柴油發(fā)電機提供。陸上核電站配置的柴油發(fā)電機主要是在失去外部電源時能夠快速啟動供電，保證反應(yīng)堆及重要設(shè)備安全，啟堆及反應(yīng)堆不運行時的全廠用電均是廠外電源。核安全導則要求，如果將應(yīng)急電力系統(tǒng)用于其他目的，不得使應(yīng)急電力系統(tǒng)功能獨立性、系統(tǒng)可靠性或能力降低到低于為執(zhí)行其安全功能可接受的水平[3]。為應(yīng)對核動力裝置不運行或者在啟堆過程中這兩種工況，柴油發(fā)電機有兩種配置方案，方案一：由于啟堆時的負荷遠大于正常停堆和事故停堆的負荷，加大兩臺核應(yīng)急柴油發(fā)電機的容量，啟堆和核動力裝置不工作時由兩臺核應(yīng)急柴油發(fā)電機供電，但此方案還需驗證在啟堆及反應(yīng)堆不運行時使用核應(yīng)急柴油發(fā)電機，對應(yīng)急電力系統(tǒng)的安全性和可靠性是否存在影響；方案二：核應(yīng)急柴油發(fā)電機功能與陸上核電站類似，應(yīng)急工況下用來保證反應(yīng)堆及重要設(shè)備安全，正常工況下，除了進行啟動帶載試驗（緊急情況下也能投入使用）外，均處于備用狀態(tài)，另外新增加一臺或多臺備用柴油發(fā)電機，為啟堆及核動力裝置不工作時的船用負荷供電，同時該備用柴油發(fā)電機還能充當船上的主電源或備用電源，新增加的柴油發(fā)電機是普通的船用柴油發(fā)電機。

海上核電站作為特種海洋船舶，還需設(shè)置獨立的船用應(yīng)急電源，因此設(shè)置一臺船用應(yīng)急柴油發(fā)電機，且該柴油發(fā)電機具有獨立的冷卻裝置和燃料供給，布置在破損水線以上，屬于普通的船用柴油發(fā)電機。

2 柴油發(fā)電機主要技術(shù)要求

海洋核動力平臺作為一種特殊海洋船舶，船上所有柴油發(fā)電機首先均應(yīng)滿足船用條件（沖擊、振動、搖擺、溫濕度、鹽霧、凝露、霉菌等），建造、使用過程中應(yīng)滿足CCS等船級社要求。

為反應(yīng)堆配置的核應(yīng)急柴油發(fā)電機還應(yīng)同時滿足核級柴油發(fā)電機的一些特殊要求，主要有：

1）啟動可靠性高。為了保證柴油機啟動可靠性，一般設(shè)置兩種獨立啟動方式，調(diào)速系統(tǒng)冗余設(shè)計，要求進行100次連續(xù)成功啟動可靠性考核；同時燃油系統(tǒng)也進行冗余設(shè)計，保證供油安全性。

2）運行可靠性高。一般要求具備每年8760 h持續(xù)額定功率工作能力，并每24 h內(nèi)具備2 h短時110％額定功率工作能力。

3）短時啟動能力強。一般要求接收到啟動信號后10~20 s內(nèi)啟動，達到額定頻率和電壓，具備按程序加載能力。

4）抗老化設(shè)計。一般要求根據(jù)安全功能相關(guān)部件進行老化分析、試驗，并進行老化鑒定。

5）質(zhì)保體系。一般要求制定嚴格的質(zhì)保監(jiān)管體系，注重全過程控制，保留全過程各種記錄、資料，實施H、W、R點分級監(jiān)造，監(jiān)造成本、資料記錄成本昂貴，要求設(shè)備生產(chǎn)廠家取得核級設(shè)備生產(chǎn)資格許可證。

3 柴油發(fā)電機控制和保護

船用柴油發(fā)電機設(shè)置機旁控制箱，主要具備柴油發(fā)電機的操作、保護、顯示、報警、信號延伸等功能。

核應(yīng)急柴油發(fā)電機應(yīng)設(shè)置有柴油發(fā)電機組的啟停機控制、保護、機組參數(shù)監(jiān)測和報警、柴油發(fā)電機組輔助系統(tǒng)主要設(shè)備的監(jiān)測與控制等一系列功能的電氣監(jiān)控系統(tǒng)。啟?？刂浦饕ň偷夭僮髋c遠方操作兩種方式，實現(xiàn)柴油發(fā)電機組啟動、停機，并具有手動、自動電壓調(diào)節(jié)功能。不論柴油發(fā)電機以何種方式啟動，手動停機只能就地進行，在發(fā)出正常停機信號的同時出現(xiàn)應(yīng)急啟動信號，則應(yīng)急啟動信號具有優(yōu)先權(quán)[5]。保護主要實現(xiàn)柴油發(fā)電機供電工況及定期試驗期間短路故障及異常狀態(tài)保護（差動保護、過流保護、過載保護、逆功率保護、電壓異常保護、頻率異常保護等），以及能實現(xiàn)柴油機超速、潤滑油異常、冷卻水異常等保護，關(guān)系到柴油發(fā)電機正常運行的保護（如超速），應(yīng)設(shè)置3個傳感器，當其中2個傳感器發(fā)出停機信號時，柴油發(fā)電機才執(zhí)行動作。當柴油發(fā)電機組應(yīng)急供電運行時，只投入發(fā)電機差動保護，其它均被閉鎖，只發(fā)出報警[6]。監(jiān)測和報警主要實現(xiàn)柴油發(fā)電機各電氣和機械參數(shù)的實時監(jiān)測，并提供異常報警。

由于核應(yīng)急柴油發(fā)電機使用的頻率很低，因此還需要定期試驗證明柴油發(fā)電機具有啟動和帶載能力，在定期試驗狀態(tài)下，柴油發(fā)電機在發(fā)生滑油壓力低、超速、過電流、過電壓、冷卻水溫度過高、電壓低時，需自動停機。

4 結(jié)論

海上核能發(fā)電船舶沒有現(xiàn)行的標準可遵循。柴油發(fā)電機作為應(yīng)急工況下的電能來源，是直接關(guān)系到反應(yīng)堆安全和人員安全的重要設(shè)備。在柴油發(fā)電機應(yīng)用的設(shè)計上首先應(yīng)保證安全性，同時作為一項民用工程，在保證安全性的前提下盡量體現(xiàn)經(jīng)濟性。本文主要針對海洋核動力平臺相較于陸上核電站及常規(guī)船舶的獨特性，介紹了柴油發(fā)電機配置的基本要求、運行工況、技術(shù)要求、保護設(shè)置，為海洋核動力平臺的設(shè)計提供了參考。

[1] 核工業(yè)第二研究設(shè)計院. Design and construction Rules Electrical equipment(壓水堆核電站核島電氣設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則) , 1993.

[2] 中國國家標準化委員會. 壓水堆核電站物項分級: GB-T 17569-2013[S]. 北京: 中國標準出版社, 2013.

[3] 中國國家核安全局. 核電廠應(yīng)急動力系統(tǒng): HAD102-13-1996 [S]. 北京: 中國國家核安全局, 1996.

[4] 秦山核電二期工程建設(shè)經(jīng)驗匯編設(shè)計卷Ⅰ[M]. 北京: 原子能出版社, 2004.

[5] 李德佳. 核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機組的特點和調(diào)試[J]. 電力設(shè)備, 2006, (8).

[6] 張言濱, 劉云峰, 張益林. 新型的核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機組電氣保護方案[J]. 電工技術(shù), 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

A

1003-4862（2018）10-0051-02

2018-05-14

黃超（1978-），男，高級工程師。研究方向：艦船電力系統(tǒng)。E-mail:542679604@qq.com