趙振華，陳富杰，馬永立，宋學(xué)佳，王 虎，王柏棟

（中核核電運行管理有限公司 維修一處，浙江 嘉興 314000）

在秦山核電廠320MWe機(jī)組第一次PSR審查中，提出柴油機(jī)輔助給水泵發(fā)電機(jī)需確認(rèn)是否為1E級（問題單號：172-EQ-RM011-Q1），結(jié)合《輔助給水泵柴油機(jī)合格鑒定審查報告》和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，由于該發(fā)電機(jī)并未通過抗震鑒定，也沒有進(jìn)行過老化鑒定，或無法提供鑒定報告等支持性材料，即不能認(rèn)定為1E級電機(jī)，不能保證地震后仍能維持所需功能，不滿足核安全要求，屬于PSR弱項。

1 系統(tǒng)現(xiàn)狀與存在問題

1.1 系統(tǒng)現(xiàn)狀

秦山核電廠320MWe機(jī)組輔助給水系統(tǒng)（S20）配置兩臺電動輔助給水泵和一臺柴油機(jī)輔助給水泵，柴油機(jī)輔助給水泵由一臺雙端輸出的柴油機(jī)驅(qū)動，其一端經(jīng)變速齒輪箱驅(qū)動一臺輔助給水泵，另一端驅(qū)動1臺50Hz、400V低壓交流發(fā)電機(jī)。

秦山核電廠320MWe機(jī)組輔助給水系統(tǒng)按照設(shè)計要求及其執(zhí)行的功能，輔助給水泵用柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源設(shè)備，其執(zhí)行的功能應(yīng)為安全功能，其安全等級應(yīng)為1E級，抗震等級應(yīng)為Ⅰ類（SSE），質(zhì)保等級為QA2。

1.2 存在的問題

發(fā)電機(jī)的性能狀態(tài)將直接關(guān)系到機(jī)組執(zhí)行其安全功能的能力。但由于歷史原因，當(dāng)時所采用的系統(tǒng)均未經(jīng)過嚴(yán)格意義上的1E級鑒定工作，一旦發(fā)電機(jī)設(shè)備失效將影響柴油機(jī)輔助給水泵執(zhí)行安全功能。

柴油機(jī)輔助給水泵1E級發(fā)電機(jī)所帶負(fù)載風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)等設(shè)備，其控制回路電壓采用的是發(fā)電機(jī)出口的相電壓，在發(fā)電機(jī)剛啟動時，發(fā)電機(jī)出口電壓不穩(wěn)定，初帶載期間導(dǎo)致發(fā)電機(jī)下游負(fù)載控制回路跌落至其接觸器線圈吸合電壓以下，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)下游負(fù)載無法正常穩(wěn)定工作。

發(fā)電機(jī)剛啟動時，因需要立即帶載的負(fù)荷容量過大，出現(xiàn)了發(fā)電機(jī)出口電壓較長時間不能恢復(fù)的問題。為了消除上述弱項，需要對輔助給水泵柴油發(fā)電機(jī)及其控制回路進(jìn)行改造。

2 項目的改造范圍和達(dá)到的預(yù)期目標(biāo)

2.1 改造范圍

對發(fā)電機(jī)進(jìn)行整體更換；對配電箱LP-5127進(jìn)行整體更換。

2.2 預(yù)期目標(biāo)

對發(fā)電機(jī)進(jìn)行設(shè)備整機(jī)改造并能關(guān)閉對應(yīng)的PSR弱項；對LP-5127屏內(nèi)負(fù)荷控制回路電源不穩(wěn)定問題進(jìn)行優(yōu)化，使控制回路電源滿足接觸器等元器件的吸合電壓要求；采用分步帶載的控制方式，使發(fā)電機(jī)出口電壓能在較短時間內(nèi)盡快恢復(fù)。

柴油機(jī)組功能性目標(biāo)為：

1）發(fā)電機(jī)輸出電能質(zhì)量滿足電壓和頻率要求。

2）滿足泵機(jī)組穩(wěn)定運行期間的輔助設(shè)備的安全運行要求。

3）滿足發(fā)電機(jī)啟動及滿功率運行期間的保護(hù)和控制要求。

4）發(fā)電機(jī)滿足所在樓面地震反應(yīng)譜的要求。

5）更換的發(fā)電機(jī)能滿足與原動機(jī)之間的配套要求，包括振動指標(biāo)及軸系扭振應(yīng)滿足要求。

因本變更只是針對柴油機(jī)風(fēng)扇冷卻器、房間通風(fēng)用軸流風(fēng)機(jī)及抽屜式開關(guān)柜（電動閥門電源）的供電邏輯進(jìn)行優(yōu)化，不影響最終安全分析報告10.4.9.3.3要求的：“事故后，柴油機(jī)泵達(dá)全流量的時間為26s?！钡囊蟆?/p>

3 技術(shù)方案

3.1 設(shè)計概要

1）發(fā)電機(jī)更換為已通過科研項目進(jìn)行了1E級鑒定的發(fā)電機(jī)。主要參數(shù)為：額定功率50kW、額定電壓400V、頻率50Hz，滿足柴油機(jī)的帶載能力及系統(tǒng)電功率的需求。

2）低壓配電屏LP-5127進(jìn)行整體更換，實現(xiàn)負(fù)荷的控制電源電壓保持穩(wěn)定，同時實現(xiàn)發(fā)電機(jī)能夠分步帶載。

3.2 設(shè)計方案

3.2.1 發(fā)電機(jī)設(shè)計方案

利用中國船舶重工集團(tuán)公司第七〇三研究所無錫分部新研制的1E級發(fā)電機(jī)替代原有發(fā)電機(jī)，新、舊發(fā)電機(jī)對比見表1。

表1 新舊發(fā)電機(jī)參數(shù)對比表Table 1 Comparison of new and old generator parameters

1）原勵磁原理

原有發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)為不可控相復(fù)勵磁系統(tǒng)，其電壓調(diào)節(jié)需要通過直接調(diào)節(jié)勵磁電流的方式來調(diào)節(jié)電壓。因此，需要外接一個大功率可調(diào)電阻來實現(xiàn)該功能，該電阻功率較大，需要的電纜外徑也粗（25mm2)。該勵磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于維修，調(diào)整特性好。但是該系統(tǒng)的不足之處在于需要通過電刷滑環(huán)機(jī)構(gòu)將靜止的勵磁系統(tǒng)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路相連。由于滑環(huán)轉(zhuǎn)動時需要摩擦接觸，電刷滑環(huán)機(jī)構(gòu)是系統(tǒng)最薄弱的環(huán)節(jié)，隨著使用年限的增加，會導(dǎo)致電刷滑環(huán)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)過熱和冒火的現(xiàn)象，并且柴油發(fā)電機(jī)震動量大，會導(dǎo)致勵磁系統(tǒng)的偏移，可靠性也不夠高。

2）新勵磁原理圖

改造后，同步發(fā)電機(jī)無刷勵磁系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)、勵磁機(jī)、整流器和控制器組成。勵磁機(jī)采用旋轉(zhuǎn)電樞式，發(fā)出的三相交流電經(jīng)旋轉(zhuǎn)的二極管整流橋模塊整流后直接送入發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路，作為發(fā)電機(jī)的勵磁電流。由于勵磁機(jī)電樞、整流器和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子都在同一根軸上旋轉(zhuǎn)，所以它們之間沒有電刷和滑環(huán)等摩擦接觸部件。正因如此，新的發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)較老的發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)在性能上更加優(yōu)化，可靠性更高，具體原理如下：

圖2中，L1為三相線性電抗器，又稱移相電抗器；W1、W2、W3為三相三繞組變壓器，W1為電壓繞組，W2為輸出繞組，W3為其電流繞組；V29為勵磁機(jī)三相橋式整流器，由圖可以看出，復(fù)勵變壓器W2繞組的電流I2經(jīng)過整流后就是勵磁機(jī)電機(jī)的勵磁電流IL，對于三相橋式整流電流IL=1.23I2。因此，討論I2的變化規(guī)律也就是討論發(fā)電機(jī)勵磁電流的變化規(guī)律。I2的大小顯然與W1及W2繞組中的電流有關(guān)，根據(jù)變壓器的磁勢平衡條件，得：

圖2 可控相復(fù)勵磁系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of controllable phase compound excitation system

式中：K12，K32分別為W1繞組和W3繞組對W2繞組的變比系數(shù)，K12=W1/W2，K32=W3/W2。

可見發(fā)電機(jī)勵磁電流由兩部分疊加而成：一部分為Iu=K12I1，它基本上是由發(fā)電機(jī)端電壓經(jīng)移相電抗器提供的，叫做勵磁電流的電壓分量；一部分為Ii=K32I3，是由發(fā)電機(jī)負(fù)載電流提供的，叫做勵磁的電流分量或復(fù)勵分量。由于Iu流過感抗很大的移相電抗器，因而在相位上對發(fā)電機(jī)端電壓滯后90°，所以叫做相復(fù)勵勵磁系統(tǒng)。

3.2.2 LP-5127控制回路優(yōu)化設(shè)計方案

1）原LP-5127柴油機(jī)輔助給水系統(tǒng)發(fā)電機(jī)出口接觸器01KM原理

柴油機(jī)輔助給水系統(tǒng)發(fā)電機(jī)出口接觸器的控制回路的電源取自柴油機(jī)輔助給水系統(tǒng)發(fā)電機(jī)的出口電壓，要想使該發(fā)電機(jī)可靠帶載，需要一定的條件：一方面控制回路要可靠配合，使發(fā)電機(jī)出口接觸器能夠吸合；另一方面發(fā)電機(jī)帶載的瞬間電壓降落要小，并能很快恢復(fù)。其工作原理如下：

發(fā)電機(jī)出口接觸器正常吸合的過程：當(dāng)發(fā)電機(jī)出口電壓上升到時間繼電器01TK和02TK（01TK和02TK的線圈吸合電壓接近）的線圈吸合的電壓時，在發(fā)電機(jī)出口電壓未達(dá)到額定電壓380V之前，02TK的線圈吸合，其斷電延時觸點02TK（4，5）瞬時閉合。當(dāng)轉(zhuǎn)速聯(lián)鎖信號IK2為導(dǎo)通狀態(tài)時，01TK線圈得電，其延時閉合觸點01TK（25，26）延時T01TK閉合（見圖1）。此時，02TK斷電延時觸點02TK（4，5）和01TK延時閉合觸點01TK（25，26）所在支路導(dǎo)通，接觸器01KM的線圈得電吸合（需要發(fā)電機(jī)出口電壓上升到01KM的線圈的工作電壓），在自保持回路的作用下和發(fā)電機(jī)出口電壓降落幅度滿足要求的情況下，01KM可以可靠吸合，這樣可以實現(xiàn)成功帶載。

圖1 不可控相復(fù)勵磁系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of uncontrolled phase compound excitation system

2）新LP-5127柴油機(jī)輔助給水系統(tǒng)發(fā)電機(jī)出口接觸器01KM原理

新LP-5127柴油機(jī)輔助給水系統(tǒng)發(fā)電機(jī)出口接觸器01KM控制回路與原LP-5127柴油機(jī)輔助給水系統(tǒng)發(fā)電機(jī)出口接觸器01KM控制回路基本一致，不同處在于原01KM控制電源由發(fā)電機(jī)出口提供，而新的01KM控制電源由發(fā)電機(jī)出口電源從LP-5002柜DC 220V備用回路引一路DC 220V電源。從LP-5127柜發(fā)電機(jī)母線引一路AC 220V電源，整流成DC 220V電源。上述兩路電源中選擇一路作為01KM控制電源，該方案的優(yōu)點是切換過程中01KM不會斷電。

3）帶載負(fù)荷步驟優(yōu)化方案

① 系統(tǒng)現(xiàn)狀

原設(shè)計中，低壓柜LP-5127所有負(fù)載同時加載。

柴油機(jī)風(fēng)扇冷卻器、軸流風(fēng)機(jī)饋線回路中僅設(shè)置微型斷路器，平時處于閉合狀態(tài)。因此，發(fā)電機(jī)母線得電時，上述負(fù)載同時加載（22kW+2×4kW）。

圖3 直流控制電源示意圖Fig.3 Schematic diagram of DC control power supply

空氣壓縮機(jī)（7.5kW）由氣瓶壓力進(jìn)行自動控制，壓力低時啟動運行，電動閥門受熱工信號控制。

② 優(yōu)化方案

發(fā)電機(jī)負(fù)載由同時帶載改為分步帶載，以降低發(fā)電機(jī)帶載時電壓跌落水平。

帶載步驟如下：

第1步：0s（發(fā)電機(jī)母線得電開始計時），柴油機(jī)風(fēng)扇冷卻器、電動閥門。

第2步：10s（暫定），軸流風(fēng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)。

軸流風(fēng)機(jī)饋線回路中，目前僅配置斷路器，改造后變更為斷路器+接觸器配置方案。控制原則：利用01KM輔助觸點延時10s，使軸流風(fēng)機(jī)在柴油機(jī)風(fēng)扇冷卻器啟動后延時10s啟動。

空壓機(jī)控制回路利用01KM輔助觸點延時10s，使空壓機(jī)在柴油機(jī)風(fēng)扇冷卻器啟動后延時10s，具備啟動條件。

4）01KM控制回路優(yōu)化方案

① 系統(tǒng)現(xiàn)狀

根據(jù)現(xiàn)場試驗分析得出的結(jié)論，來自LP-5002柜的IK2信號（常開觸點13、14）為脈沖信號，持續(xù)時間不到5s，與原設(shè)計意圖不符（原設(shè)計設(shè)定該信號為長信號）。因此，01KM控制回路中，若時間繼電器01TK的設(shè)定時間大于5s，則01KM自動控制回路不會接通，01KM將不會動作。

LP-5002中IK2中間繼電器受來自柴油機(jī)自動控制屏K16繼電器常閉觸點81、82控制，柴油機(jī)運轉(zhuǎn)時81、82閉合，IK2得電。

柴油機(jī)自動控制屏中間繼電器K16由GOS1022“正常停機(jī)限位開關(guān)”信號控制，正常停車時限位開關(guān)閉合，K16得電。

綜上分析，當(dāng)柴油機(jī)達(dá)到著火轉(zhuǎn)速（300 r/min）后，該行程開關(guān)斷開，柴油機(jī)自動控制屏中K16失電，輔助觸點81、82立即閉合。LP-5002中IK2得電，輔助觸點13、14閉合，01TK得電，開始延時。因此，設(shè)計本意是當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速（通過達(dá)到著火轉(zhuǎn)速后延時一定時間判斷）和額定電壓（通過電壓繼電器01LV判斷）后，再將01KM自動閉合，由柴油機(jī)輔助給水泵機(jī)組為發(fā)電機(jī)母線供電。

圖4 改造前發(fā)電機(jī)Fig.4 Generator before reconstruction

② 優(yōu)化方案

優(yōu)化后的01KM控制原理圖增加了IK2信號自保持邏輯，控制邏輯如下：

接觸器閉合：主控制室手動閉合；應(yīng)控室手動閉合；柴油機(jī)輔助給水泵啟動后，自動閉合。

接觸器斷開：主控制室手動斷開；應(yīng)控室手動斷開；柴油機(jī)輔助給水泵停機(jī)后，自動斷開。

4 改造效果

此改造項目在OT-119大修期間實施完成，于2019年9月15日開工，2019年9月30日完成輔助給水系統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)及其配電屏帶負(fù)荷試驗。2019年10月10日完成柴油機(jī)輔助給水泵發(fā)電機(jī)帶載試驗（輔助給水小流量運行），項目組克服了時間緊、任務(wù)重、回路復(fù)雜等困難，相關(guān)試驗一次成功，發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)由不可控相復(fù)勵磁改為可控相復(fù)勵磁，取消了電刷和滑環(huán)等摩擦接觸部件，故新的發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)較老的發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)在性能上更加優(yōu)化，可靠性更高，壽命也更長，旋轉(zhuǎn)勵磁模塊由常規(guī)內(nèi)置式改為凸出式，維修便利性也大大提升。LP-5127控制回路改為直流控制后，不會產(chǎn)生負(fù)載啟動時電壓降低導(dǎo)致控制回路失效的情況。

4.1 原發(fā)電機(jī)錄波情況

原發(fā)電機(jī)帶載啟動時，發(fā)電機(jī)出口電壓跌落44.6%，其電壓恢復(fù)時間為4.16s，特性較差，跌落數(shù)值和電壓恢復(fù)時間均不理想，可靠性較低。

圖5 改造后發(fā)電機(jī)Fig.5 Altered generator

圖6 原發(fā)電機(jī)錄波情況Fig.6 Wave recording of original generator

圖7 新發(fā)電機(jī)錄波情況Fig.7 Wave recording of new generator

4.2 新發(fā)電機(jī)錄波情況

新發(fā)電機(jī)第一道帶22kW柴油機(jī)風(fēng)扇冷卻器及開關(guān)柜LP-5001，電壓跌落15.4%；第二道帶8kW軸流風(fēng)機(jī)及7.5kW空壓機(jī)，電壓跌落小于5%，發(fā)電機(jī)可靠性和出力性能較大提升。

4.3 新舊發(fā)電機(jī)電壓對比（見表2）

表2 新舊發(fā)電機(jī)電壓對比表Table 2 Voltage comparison between new and old generators

5 總結(jié)

秦山核電廠輔助給水泵柴油發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)及負(fù)載控制回路是秦山核電的重要設(shè)備，此改造項目從前期論證、方案確定、材料準(zhǔn)備、材料運輸，到現(xiàn)場的實施安裝、設(shè)備調(diào)試歷經(jīng)3年完成，項目組前期經(jīng)過多次會議討論、現(xiàn)場勘查、圖紙審查、方案論證，施工中克服了時間緊、任務(wù)重、回路復(fù)雜等種種困難，嘔心瀝血、不畏艱辛、日夜奮戰(zhàn)在施工現(xiàn)場，保障了項目的如期完工。現(xiàn)設(shè)備投運工作狀況良好，極大地提高了機(jī)組運行可靠性，也為核電機(jī)組后續(xù)相似設(shè)備改造提供了良好經(jīng)驗。