康明斯动力设备（深圳）有限公司

 

新闻主题	核安全级柴油发电机组分级、性能与试验

 

摘要：核安全级柴油发电机组主要应用于核电站应急备用电力系统，在核电站应急电力系统失去厂外电源后向安全系统设备以及其他指定的非安全系统设备提供电源，保证核安全级或安全相关级的设备执行其功能。康明斯电力技术有限公司产品性能满足核安全法规要求，于2003年批准投入正式生产，产品能保证在地震发生时或地震后设备均能启动并满足对核安全级柴油发电机组的基本性能要求。

 

一、项目概述及设备分级

 

      核安全级柴油发电机组基本的技术要求分为机械设备安全级；电气1E级；抗震I类；质保QA1级。

1、机械设备安全级

      机械设备安全级是在核电站应急电力系统失去厂外电源后在任何设计基准事件发生时和发生后都必须具有运行能力，向安全系统设备以及其他指定的非安全系统设备提供电源，这些设备和系统是完成反应堆紧急停堆、安全壳隔离、堆芯冷却以及从安全壳和反应堆排出热量所必须的，或者是防止放射性物质向环境大量排放所必须的。

2、电气1E级

      电气1E级是指核安全级柴油发电机组为1E级电力系统设备，主要作用是为反应堆停堆系统、专设安全设施和辅助支持设施供电。

3、抗震I类

      抗震I类是设备应能承受在厂区内可能遭受的一次最大地面运动（OBE）和在厂区内可能发生的最大地震（SSE）并保证在地震发生时或（和）地震后均能履行其安全功能。

4、质保QA1级

      质保QA1级是核安全级设备必须满足的，包括管理性和技术性质保。

      核安全级柴油发电机组除了必须满足其使用性能要求外，其关键技术就是从结构设计上必须保证在地震发生时或（和）地震后发电机组均能启动并满足对它的基本性能要求。

 

二、技术方案

 

      核安全级柴油发电机组包括柴油机、发电机、抗震底座、冷却水箱、启动蓄电池组、减震橡胶垫、安装底板和系统集成的控制柜和开关柜等。核安全级柴油发电机组的最大特点是结构上强大的抗地震功能。在地震发生时或（和）地震后发电机组均能启动并满足对它的基本性能要求。

1、结构特点

      柴油机和发电机通过飞轮壳和连接套对中定位方连接，柴油机的飞轮盘和发电机的连接盘用螺栓连接传递动力。散热水箱是发电机组的散热器，由柴油机驱动风扇把冷风吹进散热水箱的散热片间隙，将冷却水的热量传递给大气，降低冷却水的温度。抗震底座是发动机和发电机的公共底座，其结构是一个刚性的钢结构框架。柴油机、发电机和散热水箱直接安装在公共底座上。安装底板是安装橡胶减震垫用的，其通过二次灌浆用锚定螺钉固定在基础上，机组的抗震底座下面安装橡胶减震垫并固定在安装底板上。启动蓄电池组为柴油机的直流启动电动机提供电力，直流启动电动机带动曲轴旋转，使柴油机启动。启动蓄电池组布置在靠近发电机组启动电动机的基础上并给予固定。控制柜是发电机组的控制系统总成，包括启动，保护，通信等各种功能。开关柜是发电机组电力输出的总开关，用于连接发电机组和负载。控制柜和开关柜两个柜拼在一起并固定在机房内适当的位置。

2、部件组成

      如图1所示是核安全级柴油发电机组结构示意图，如图2所示是三维演示图，结合这两幅图对核安全级柴油发电机组的特点做进一步说明。

（1）整体结构柴油机和发电机通过飞轮壳和连接套对中定位连成一体，柴油机的飞轮盘和发电机的连接盘用螺栓连接传递动力。由于柴油机的飞轮壳和发电机的连接套具有足够的刚性和强度，其定位凸台和止口与轴的同轴度精度很高，能保证柴油机和发电机连接的同轴度和整体刚度。最大限度地减少发电机组运转时主轴上的扭振。

柴油机、发电机和散热水箱直接安装在公共底座上，其相互位置定位准确，连接强度高。

（2）抗震底座其结构是一个刚性的钢结构箱型框架。在柴油机和发电机支脚安装部位都有相应的横梁补强，以确保底座的强度和刚度。

（3）橡胶减震垫布置在抗震底座和基础安装底板之间，有效地隔断发电机组运转时的震动向基础传递和缓冲地震时地震波对发电机组的冲击。

（4）抗震底座上安装的部件采用特别的加固措施，安装重心较高的散热水箱两侧面加装水箱支架，以形成三角形支撑结构，增加水箱的稳定性。安装位置较高的空滤器，其支架采用双柱龙门架结构，增加了抗震功能。

（5）系统集成的控制柜和开关柜采用整体框架式结构，梁与柱的结点都用三角支撑件紧固加强，所有侧板、顶板、底板折边嵌入框架并用螺钉紧固，门板折边成型并适当布置加强梁予以加强，这两个柜上面安装的电气元器件也用夹板，卡夹和扎带等予以限位，固定和扎紧。两面柜子侧面拼接在一起增加了系统的刚性，底架和底板通过预埋螺栓有效地锁紧在基础上，能有效抵抗振动的冲击。

      核安全级柴油发电机组相对普通发电机组来说有更加严格的要求，如100次的启动加载不允许有一次失败；在发电机组使用所在地最大烈度地震灾害中发电机组应能顺利启动并在规定时间内能分批带载。所以必须经过一系列检查、试验和专家鉴定以证明发电机组达到了安全级的要求。同时发电机组必须通过电气性能的常规试验、启动和加载试验、负载能力试验、裕度试验、抗震试验和震后功能试验。所有试验合格并经专家委员会鉴定通过之后，这个柴油发电机组才能认定为核安全级柴油发电机组。

 

图1 核安全级柴油发电机组结构示意图

图2  核安全级柴油发电机组三维演示图

 

三、设备性能参数

 

      主要性能指标包括：

（1）柴油发电机组额定输出功率、电压、电流、频率、转速。

（2）供货设备寿命为30年，等效3000h可用（可更换磨损件）。

（3）每套启动系统的设计应保证可以连续成功启动5次。

（4）柴油发电机组在收到启动信号10s内应能达到稳定的额定频率和额定电压，并按规定程序带载。

（5）发电机组及其辅助系统具有高度的启动和运行的可靠性，发电机组在寿命期内自启动的失效率不大于1％。

（6）发电机组应能保证其30％额定功率的电动机的直接启动，其中包括单台最大功率电动机（90kW），并能够承受50％额定功率的突加负载。

（7）柴油发电机组在接到应急启动信号后，两台发电机组同时启动，首先达到额定电压、频率的发电机组开始带载，如果该机运行正常，另一台发电机组空载半小时后停机（空载后发电机组的运行按有关标准执行）；如果带载的发电机组出现故障报警，另一台发电机组自动启动，启动成功后自动切换带载。

（8）发电机组连续100次启动试验无失败。

 

四、柴发抗震试验

 

      以某核电工程核安全级柴油发电机组在 地震模拟振动台上的抗震试验为例，试验内容分为两个部分。一是发电机组结构的动力特性试验，用自噪声随机波沿X（南北向）、Y（东西向）、Z三个方向分别进行连续激振，测定发电机组结构三个方向的自振频率以及阻尼比。二是发电机组抗震性能考核试验，抗震性能考核试验由5次OBE（运行基准地震）和一次SSE（安全停堆地震）地震波激振组成。地震考核试验采用的反应谱为柴油发电机组机房标高为0.0m楼层的加速度反应谱对X、Y和Z三方向输入的波形适当放大10％，以保证台面实际波形包络试验要求的反应谱。OBE人工地震波采用的是阻尼比ξ=2%的反应谱，加速度幅值为生成地震波的0.65倍的人工地震波。SSE人工地震波则直接采用阻尼比ξ=4%的反应谱所生成的人工地震波。试验时向三根优选轴同时输入激励波，人工地震波应有6个强周期波。人造地震加速度时程应在包括楼板反应谱的整个频段为0.5～34Hz，持续时间为3。如果5Hz以下没有共振点，则要求响应谱在3.5Hz以上被包络。

1、试验步骤

（1）设备的安装

      安全级应急发电机组样机的底座和配套集成的控制柜和开关柜分别通过连接钢板，用螺栓固定在模拟地震振动台上。安全级应急发电机组样机及控制安装。

（2）传感器测点布置

      安全级应急发电机组样机上布置有10个三方向的加速度测点，共30个加速度计和3个单向变测点，共3个应变计。其中，对于加速度测点，水箱顶部的A1测点X、Y、Z向分别是1、1.3通道；柴油机飞轮上方的A2测点X、Y、Z向分别是4、5、6通道；柴油机机体上部的A3测点X、Y、Z向分别是7、8、9通道；控制屏拉器上部的A4测点X、Y、Z向分别是10、11、12通道；控制屏顶部的AS测点X、Y、Z别是13、14、15通道；发电机后端中部的A6测点X、Y、Z向分别是16、17、18通道；根部的A7测点X、Y、Z向分别是19、20、21通道；开关柜顶部的A8测点X、Y、Z向分别是22、、23、24通道；开关安装板上面的A9测点X、Y、Z向分别是25、26、27通道；振上的A1到分别是28、29、30通道。对于应变测点，控制屏根部的S点是1通道；机组根部的S2测点是2通道；开关安装板上面的S3测点是3通道。

（3）台面输入波形

      用自噪声随机波激振测自振频率。自噪声激振输入分别以X、Y、Z3个方向输人，频率范围为0.5～50Hz，激振幅值为0.2gg。为得到较高精度的测量值，激振持续时间为180s。声信号经处理得到试件结构的自振特性。

      对振动合合面输人的地震波是按照业主提供的抗震试验程序中的反应谱生成的。按要求OBE和SSE的反应谱应取所给不同阻尼比值的反应谱并乘以适当的系数。其中，OBE为所给幅值x0.65，取阻尼比为2％的反应谱来生成；SSE为所给谱幅值x1，取阻尼比4％的反谱来生成。人造地震加速度时程应包括楼板反应谱的整个频段0.5～34Hz，持续时间为30s。

（4）试验顺序

      Y、Z三个方向分别以0.1～50Hz自噪声随机波输入，振动持续时间为180s，幅值为0.2g，测量被测设备的自振频率及阻尼比。被测发电机组在空载启动时须检测其电气性能。

2、试验合格判断

（1）所进行试验的发电机组设备在人工地震振动过程中应处于良好的可运行状态，其结构连接件无松动脱落，各焊接部位牢固无裂纹。试验样机无漏油、漏水漏气，电气线路布线整齐，连接性能良好。

（2）在第五次OBE和第一次SSE地震考核试验时对发电机组进行空载启动。发电机组启动时，监测发电机组的电压、频率等运行参数，发电机组应在规定时间内建立稳定的电压和频率。

（3）抗震试验结束后必须对机组进行最终检验，应对设备的外型、结构和功能进行测试和检查，并与试验前的基准数据相比，以证明设备在地震后的完整性、功能性和可运行性，必要时可拆卸检查。

（4）安全级柴油发电机组的抗震试验受到振动台设备能力的限制，目前只能做2000kW以下功率段机组的试验，2000kW以上功率段机组的抗震鉴定只能通过分析计算来进行，但分析计算的软件必须是可靠的，有足够的精确度的，且得到有关核安全监管部门的认可。

      地震模拟振动台上的抗震试验为破坏性试验，经过抗震试验的设备一般不应作为产品安装于核电站，除非能证明由于抗震鉴定试验所带来的累计的应力循环所引起的疲劳不会使设备降级，影响其履行安全功能的能力。

 

总结：

      康明斯公司供应核电站应急柴油发电机组，机组功率范围从500KW~2200KW。柴油机是核电站安保发电机组的重要组成部分。当确保快速启动和高可靠性时，柴油发动机一直是技术首选，在核电站，这没有什么不同。现代应急柴油发电机组性能优越、可靠性高，在同类产品中具有输出功率大、效率高、低燃油消耗、加速和带载启动快、易维护保养、环保、震动小、低噪音等优点。其卓越的品质和出色的表现赢得了世界各地用户的信任和认可。作为具有丰富经验的电站EPC承包商，康明斯公司可根据用户的要求对电站的交钥匙工程提供完美的服务。

 

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