柴油发电机组在不同核电站的作用
柴油发电机组在不同核电站的作用
摘要：随着AP1000的引进，我国目前核电站厂用电系统在设计上存在着较大的差异，柴油发电机组的作用也是大不相同。文章就国内几座核电站所采用的柴油发电机组的作用、设计、运行和失电情况下的响应等方面进行简单的梳理，对了解柴油发电机组、厂用电系统乃至整个核电站有一定的参考价值。关键词：AP1000；柴油发电机组；定期实验；非能动；安全系统
中图分类号：TM 314                文献标识码：B                  文章编号： 1002-1140（2011）09-0049-04
金益
（国核示范电站有限责任公司，山东 威海 264300）
The Functions of Diesel Generator Sets in Different Nuclear
Power Stations
JIN Yi
（State Nuclear Power Demonstration Plant Co.Ltd, Weihai 264300, China ）
Abstract ： With the introduction of AP1000, there are great differences in the design of station service electrical system of nuclear power stations in China, as well as the functions of diesel generator sets. The function, design, operation and response to loss of power of diesel generator sets applied in some nuclear power stations in China were introduced, which provides certain valuable reference to know about diesel generator sets, station service electrical system and even the whole nuclear power station.
Key words ：AP1000; diesel generator set; regular test; passive; safety system
0  引言
核电站设置柴油发电机组的目的是发生全厂断电时，柴油发电机组自动启动并在数秒钟内恢复供电，保证实现安全停堆，并将反应堆维持在安全状态。国内不同的核电站采用了不同的柴油发电机组，尤其是AP1000[1]的引进，对柴油发电机组在核电站的应用进行了“革新”。近期核事故的发生，更需要对国内核电站的柴油发电机组配置进行研究。
1  柴油发电机组的通用知识
1.1 柴油机的组成及原理1.1.1 柴油机的组成
柴油机是一种压缩发火的往复式内燃机，一般作为原动机带动其他机械负荷，是现代广泛应用的发动机之一。柴油机由机体（汽缸盖、汽缸体、曲轴箱）、连杆曲轴机构（活塞组、连杆组、曲轴飞轮组）和配气机构组成。
1.1.2 柴油机的原理
将柴油喷射到汽缸内与空气混合、燃烧，得到热能，继而转变为机械能。它使用挥发性较差的柴油做燃料，采用内部混合法，形成可燃混合气，缸内燃烧采用压缩式自行发火。这种工作特点使柴油机在热机领域内具有最高的热效率。按工作循环可分为四行程和二行程。核电站一般采用四行程，如图1，2，3，4所示。四行程柴油机的工作原理如图5所示
。
图1 进气行程
1.2 柴油机的辅助系统
柴油机的辅助系统如图6所示。
1.2.1 压缩空气系统
柴油机本身没有自行启动的能力。要使静止的
柴油机转动起来必须借助于外力，创造柴油机获
得第一个工作循环的条件，即在外力作用下进行进
气、压缩、喷油，直至燃油燃烧膨胀作功才能推动
活塞自行运转，这一过程称为启动。为了保证柴油
机启动，带动柴油机的外力矩还必须使柴油机达到
一定的转速。因为转速太低时压缩过程进行缓慢，
气体对汽缸壁的散热和通过活塞环处的泄漏较多，
致使压缩终点温度下降。压缩终点温度低，达不到
燃油自燃发火的要求，柴油机不可能自行转动起
来。由此可见，柴油机的启动需要一定的转速。通
常柴油机启动所需要的最低转速称为启动转速。核
电站一般采用压缩空气系统来启动。储备的压缩空
气可以保证在不补气的条件下连续启动若干次。
1.2.2 燃料（燃油）系统
柴油机的连续运行需要源源不断的提供燃料（燃
油）。通常设有日用油箱和储存油箱。电站储存的燃
油在不补油的情况下通常能保证连续几天的运行。
1.2.3 润滑油系统
润滑油系统用于向柴油机的所有旋转部件不间
断地、自动地供给润滑油，以减小摩擦、提高部件
的耐磨稳定性并冷却部件，系统向旋转表面供给润
滑油是强制性的，即有润滑油泵保证润滑油的供给
及循环。为了使柴油发电机组在接到启动信号后能
迅速启动并在最短时间内达到满功率运行，要求在
柴油发电机组处于热备用状态时，润滑油仍然保持
一定温度并不断地进行循环流动，以保证柴油发电
机组启动和加载过程中，润滑油具有足够的流动
性。润滑油的温度通常由电加热器来保证。
图2 压缩行程
图3 作功行程
图4 排气行程
图5 四行程柴油机的工作原理
图6 柴油机的辅助系统
1.2.4 冷却水系统
冷却水系统为柴油机的运行提供冷却，柴油机热备用时维持热备用。通常分为高温水回路和低温水回路两个回路。
1.2.5 进气系统（燃烧空气系统）
进气系统为柴油机的连续运行提供源源不断的燃烧空气。在进气系统中设有空气过滤器，以保证进入汽缸的空气质量。通常还设有涡轮增压器，和排气系统一起工作。
1.2.6 排气系统（废气系统）
排气系统将柴油机燃烧后的废气排出。通常设有消音器，以降低噪声。如果采用废气涡轮增压技术的话，废气的部分能量能够被再次利用。
1.3 发电机的组成及原理
发电机由定子和转子组成。定子包括基座、铁芯、绕组、端盖、轴承座等。转子包括铁芯、励磁绕组、转轴、轴承、冷却风扇等。发电机是将机械能转换成电能的装置。它的基本原理是基于电磁感应定律。发电机的转子通上直流电流后，相当于一个永磁铁，转子旋转，定子绕组就感应出电动势。如果磁通密度的分布呈正弦状，则感应出的电动势就呈余弦状。发电机的定子绕组分为三组，空间布置上互相差开120°，所以就感应出三相的交流电动势。发电机在输出电流后，会给转子的转动增加阻力，为了维持输出功率，必须增加转子的转动力，这样转子上的机械能就转变为发电机的电能输出了。
1.4 励磁机的组成及原理
励磁机由定子和转子（电枢、旋转整流器）组成。一般采用无刷励磁。励磁系统分两部分：一部分称为励磁功率单元，它向发电机的励磁绕组提供励磁电流；第二部分是励磁调节器（自动电压调节器AVR），根据发电机的运行状态，自动调节功率单元的输出电流，从而起到稳定发电机输出电压，使发电机可靠稳定运行。
2  柴油发电机组在核电站的定期试验[2]
2.1 同期并网
正常情况下，预润滑和预热系统连续运行，使得柴油发电机组保持在热备用状态，做好随时启动的准备。柴油发电机组的同期并网试验就是指在就地控制室启动已经处于热备用状态的柴油发电机组，用同期装置，当电压相等、频率相等、相位相同和相序一致后合上柴油发电机组的出口开关，实现并网运行，并逐级加载到额定功率，在不同的功率平台下检查柴油发电机组的工艺和电气参数是否达到设计要求。此时，为确保柴油发电机组本体及辅助系统自身的完整性和有效性，必须投入所有的保护。
2.2 分级启动（程序带载）
根据定期试验大纲的规定，在一定的机组状态下，进行分级启动（程序带载）试验。要求柴油发电机组必须在规定的时间内，将电压和频率保持在不会使任何负荷的性能降低到低于其最低要求的限值以内，即使在带载最大负荷过程中发生瞬态，如突然加载或卸载引起的电压和频率波动。可通过真正的断电或模拟来验证柴油发电机组能在规定的时间（比如10秒、15秒等）内成功启动来保证供电，并满足其他相关要求。此时，柴油发电机组主要是为了完成其安全功能，有些原本会导致柴油发电机组停运的保护信号将被自动闭锁。
3  柴油发电机组在不同核电站的应用
3.1 在大亚湾核电站的应用
大亚湾核电站每台机组配置2台应急柴油发电机组。每台柴油发电机组又分别由2台柴油机和1台发电机组成，即2台柴油机带动1台发电机。柴油发电机组为安全级。失去厂外电源后，应急柴油发电机组在10秒之内自动启动成功并开始程序带载，进行供电。电站储备的柴油能保证连续运行7天。安全系统采用两通道设计，即2×100%，因此，至少要有1个通道（1台应急柴油发电机组）的运行来保证机组的安全。
3.2 在田湾核电站的应用
田湾核电站一期工程两台机组，共有13台柴油发电机组，每台机组配置4台应急（Emergency）柴油发电机组，2台机组(Unit)柴油发电机组，还有1台两台机组公用的移动式柴油发电机组。4台应急柴油发电机组为安全级。2台机组柴油发电机组和1台移动式柴油发电机组为非安全级。失去厂外电源后，4台应急柴油发电机组和2台机组柴油发电机组都在15秒之内自动启动成功并开始程序带载，进行供电。电站储备的柴油能保证连续运行2天。由于安全系统在设计上采用的是4×100%的设计，因此，只要有1个通道（1台应急柴油发电机组）执行其安全功能，核安全就能得到保证，放射性物质的释放就不会超标。2台机组柴油发电机组被用来提高供电的可靠性。1台移动式柴油发电机组被用来缓解超设计基准事故，需要时人为启动。
3.3 在AP1000核电站的应用
由于A P1000核电站采用了非能动的安全系统，传统意义上的安全级应急柴油发电机组降级为非安全级备用柴油发电机组，已不执行安全功能。在失去厂外电源时，为具有纵深防御功能的非安全相关负荷提供交流电源。AP1000核电站一台机
组配置2台备用(Standby)柴油发电机组和2台辅助（Ancillary）柴油发电机组。失去厂外电源后，2台备用柴油发电机组在120秒之内自动启动成功并开始程序带载，进行供电。2台辅助柴油发电机组在失电72小时（3天）后可由操纵员手动投入。核电站储备的燃油能保证备用柴油发电机组7天的连续运行，辅助柴油发电机组4天的连续运行。
4  结论
尽管各个核电站的设计理念不同、配置不同，柴油发电机组所起的作用也有不同，但柴油发电机组在事故预防和事故缓解上都具有极其重要的作用，尤其是发生超设计基准事故，可利用一切可用资源时，核电站的供电能得到可靠的保证，将对防止放射性物质释放上是重要的。
参考文献：
[1] 林诚格，郁祖盛，等.非能动安全先进压水堆核电技术
[M].北京：原子能出版社，2010.
[2] EJ/T640-92.核电厂备用电源柴油发电机组定期试验[S].
收稿日期：2011-09-06
作者简介：
金益（1977—），男，本科，工程师，从事核电站运行管理工作。
(责任编辑  陈沐垚)
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