核電應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組機(jī)外壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)及抗震計(jì)算研究

鄧賜邦 趙福建

（武漢海王新能源工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430000）

核電應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組機(jī)外壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)及抗震計(jì)算研究

鄧賜邦 趙福建

（武漢海王新能源工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430000）

為了提高核電站運(yùn)行的安全性能，規(guī)定核電站的建設(shè)中必須設(shè)置相應(yīng)的安全輔助保護(hù)系統(tǒng)，應(yīng)急柴油發(fā)動(dòng)機(jī)組作為應(yīng)急電源的核心設(shè)備，當(dāng)核電站的常規(guī)電源無法供電的時(shí)候，起到了及時(shí)為核電站的正常運(yùn)行提供所需用電的作用，確保了核電站的運(yùn)行安全。應(yīng)急柴油發(fā)動(dòng)機(jī)組的起動(dòng)反應(yīng)時(shí)間是由壓縮空氣系統(tǒng)決定的，機(jī)外壓縮空氣系統(tǒng)是為柴油發(fā)電機(jī)組提供壓縮所需空氣的裝置，做好機(jī)外壓縮空氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠有效縮短應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的起動(dòng)時(shí)間，及時(shí)為核電站提供應(yīng)急電源，文章對核電應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組外壓縮空氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及抗震計(jì)算進(jìn)行了詳細(xì)地分析。

核電應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組；外壓縮空氣系統(tǒng)；抗震計(jì)算

科技的進(jìn)步推動(dòng)了核電站建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，世界上多個(gè)國家相繼建立了核能發(fā)電站，但是核反應(yīng)的失控會造成重大的人員傷亡和嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，做好核電站的設(shè)計(jì)工作，從核反應(yīng)的各個(gè)環(huán)節(jié)出發(fā)，制定相應(yīng)的防護(hù)措施，是核電站建設(shè)的基礎(chǔ)和前提。應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組是核電系統(tǒng)的必要設(shè)備，在保證核電站安全方面起到的作用是不可替代的，從柴油發(fā)電機(jī)組的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備安裝出發(fā)，提高設(shè)備的使用性能、確保運(yùn)行的平穩(wěn)性，對促進(jìn)核電事業(yè)的發(fā)展具有重要作用。

1.核電應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組起動(dòng)的性能要求和起動(dòng)裝置的組成

1.1核電應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組起動(dòng)的性能要求

快速起動(dòng)核電應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的基本性能要求，通過對核電站常規(guī)電源失效現(xiàn)象做出快速反應(yīng)，為核電站提供應(yīng)急電能，保證了核電站運(yùn)行所需電能的正常供應(yīng)。按照相關(guān)規(guī)定，核電應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組在設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)該在柴油機(jī)輸出端支撐箱的左右兩邊各設(shè)置一套起動(dòng)裝置，兩套起動(dòng)裝置的起動(dòng)原理是將空氣進(jìn)行壓縮，來獲取足夠的動(dòng)力，在不借助儲氣瓶的前提下，要保證起動(dòng)裝置可以起動(dòng)6次柴油機(jī)。起動(dòng)裝置中空氣馬達(dá)的工作壓力有明確的規(guī)定，要求為0.8MPa，起動(dòng)裝置起動(dòng)時(shí)要有足夠量的空氣支持，一般都是以3000L為最低標(biāo)準(zhǔn)。

在應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組收到信號和命令時(shí)，將空氣進(jìn)行壓縮獲取足夠的動(dòng)力，轉(zhuǎn)換成設(shè)備加載啟動(dòng)所需的能量，使相關(guān)設(shè)備能夠達(dá)到額定的電壓和轉(zhuǎn)速。在完成柴油機(jī)的6次起動(dòng)之后，要求起動(dòng)系統(tǒng)可以進(jìn)行自行補(bǔ)氣，為后續(xù)工作提供保障，在之后的45min內(nèi)，自行補(bǔ)氣的氣體壓力要能夠滿足再次起動(dòng)6次的要求，如此循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)起動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行。

起動(dòng)系統(tǒng)在投入使用前需要經(jīng)過多次試驗(yàn)，確保起動(dòng)系統(tǒng)能夠達(dá)到使用要求，提供系統(tǒng)的可靠性，相關(guān)規(guī)定顯示，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組起動(dòng)系統(tǒng)的試驗(yàn)次數(shù)為100次，其中有10次需要在應(yīng)急狀態(tài)下進(jìn)行測試，如果每次都可以在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)正常起動(dòng)，才可以正式投入使用，否則就要進(jìn)行相應(yīng)地改進(jìn)。

1.2柴油機(jī)起動(dòng)裝置的組成

柴油機(jī)起動(dòng)裝置的組成有很多部分，主要包括空氣馬達(dá)、起動(dòng)閥、電磁閥、安全閥、減壓閥、進(jìn)出口自濾器等，工作的時(shí)候，通過各個(gè)部位之間相互作用，能夠完成起動(dòng)裝置的運(yùn)行。電磁閥在得到起動(dòng)信號的時(shí)候會完成通電，利用空氣壓力，使空氣馬達(dá)與齒輪與柴油機(jī)轉(zhuǎn)軸的齒輪要咬合在一起，帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速足夠快、達(dá)到點(diǎn)火要求時(shí)，電磁閥部位就會自動(dòng)斷電，不會繼續(xù)壓縮空氣，空氣馬達(dá)齒輪將會與轉(zhuǎn)軸齒輪松開，完成起動(dòng)裝置的起動(dòng)。

2.機(jī)外壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)外壓縮空氣系統(tǒng)主要是對空氣進(jìn)行壓縮，為柴油機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，同時(shí)還需要對壓縮的空氣進(jìn)行干燥處理、使其保持足夠的清潔，保證壓縮空氣的可靠性，系統(tǒng)的主要組成包括空壓機(jī)、儲氣瓶、冷干機(jī)、除油濾器、除塵濾器以及壓力開關(guān)。通過對系統(tǒng)進(jìn)行起動(dòng)性能試驗(yàn)、補(bǔ)充氣試驗(yàn)以及可靠性試驗(yàn)，檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否滿足要求和標(biāo)準(zhǔn)，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

在空壓機(jī)的選擇上，一般選用高壓往復(fù)式類型，這種空壓機(jī)的前后都設(shè)有冷卻器，具有良好的降溫性能，通過水氣分離器，能夠有效地將壓縮空氣產(chǎn)生的液態(tài)水進(jìn)行排除，起到干燥作用。儲氣瓶的作用是為空氣馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)提供足夠的動(dòng)力，至少可以使其起動(dòng)6次。起動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)行的時(shí)候，空氣在壓縮作用下，溫度會變得比平常高，并且還會存在一定的水分，當(dāng)這些空氣進(jìn)入到儲氣瓶后，高溫會對瓶內(nèi)環(huán)境造成一定的影響，瓶內(nèi)空氣中的水分會逐漸凝聚成水珠，降低了儲氣瓶內(nèi)的壓力，為了補(bǔ)充空氣壓力，空壓機(jī)便會經(jīng)常起動(dòng)，使用次數(shù)的增多會加快空壓機(jī)的磨損，降低了空壓機(jī)的使用性能、縮短了設(shè)備的使用年限，而空氣中的水分也會對系統(tǒng)的性能造成影響，不利于系統(tǒng)的正常運(yùn)行，所以需要使用冷干機(jī)對壓縮空氣進(jìn)行干燥，去除其中的水分。除油濾器、除塵濾器的作用是對壓縮空氣進(jìn)行凈化，壓縮空氣經(jīng)過空壓機(jī)的時(shí)候，會攜帶少量的潤滑油，再加上空氣中本就存在的雜質(zhì)顆粒，壓縮空氣的質(zhì)量比較差，空氣中的各種雜質(zhì)長時(shí)間積累下去，會沉積在空氣馬達(dá)上，極不利于空氣馬達(dá)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，容易發(fā)生故障現(xiàn)象，所以就需要做好對壓縮空氣的清潔工作。壓力開關(guān)的可以根據(jù)壓力的改變切換空壓機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，因?yàn)橄到y(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了自動(dòng)化技術(shù)，當(dāng)壓力比設(shè)定的下限值低的時(shí)候，空壓機(jī)便會自行啟動(dòng)，下限值的設(shè)定數(shù)值為2.5MPa；當(dāng)壓力比設(shè)定的上限值大的時(shí)候，空壓機(jī)便會停止運(yùn)作，上限值的設(shè)定數(shù)值為3MPa，這樣可以有效減少空壓機(jī)的頻繁啟動(dòng)，延長使用壽命。

3.抗震計(jì)算研究

3.1管路抗震計(jì)算

對管路抗震性能的研究，可以通過構(gòu)建外壓縮空氣系統(tǒng)管路三維模型來實(shí)現(xiàn)。建立相應(yīng)的模型，設(shè)計(jì)管卡位置，利用專業(yè)知識對響應(yīng)譜的結(jié)果進(jìn)行分析，經(jīng)過科學(xué)、準(zhǔn)確的計(jì)算，確定管路發(fā)生偏移的位置，得出地震激勵(lì)作用下管路的偏移數(shù)值，除此之外，還可以得出最大應(yīng)力值的具體大小和位置，然后將計(jì)算結(jié)果與《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)應(yīng)力計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，確保管路抗震性能達(dá)到規(guī)定要求。

3.2儲氣瓶抗震計(jì)算

儲氣瓶的抗震性能一般選用反應(yīng)譜法來進(jìn)行評估、計(jì)算，常用的分析軟件是ANSYS，應(yīng)用該軟件的時(shí)候，需要先將儲氣瓶的實(shí)體模型導(dǎo)入到軟件系統(tǒng)中，建立有限元模型，依次完成預(yù)應(yīng)力分析、模態(tài)分析、譜分析，然后在對模態(tài)進(jìn)行擴(kuò)展合并，對最后結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算，完成儲氣瓶抗震計(jì)算。

通過模態(tài)分析，可以對系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入的了解，明確各種設(shè)備的振動(dòng)特性，根據(jù)設(shè)備的振動(dòng)特性，可以調(diào)整抗震設(shè)計(jì)。當(dāng)儲氣瓶內(nèi)裝有壓縮空氣的時(shí)候，瓶內(nèi)就會存在一定的壓力，此時(shí)應(yīng)該進(jìn)行有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析，將壓縮空氣對振動(dòng)特定的影響也計(jì)算在內(nèi)，確保計(jì)算結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。模態(tài)分析的具體過程是，在儲氣瓶的表面施加于瓶內(nèi)壓縮空氣的同等壓力，對儲氣瓶進(jìn)行固定處理，提高儲氣瓶的穩(wěn)定性，一般通過對支腳施加約束來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)一切準(zhǔn)備就緒的時(shí)候，將預(yù)應(yīng)力效果打開，對靜應(yīng)力進(jìn)行分析，得出詳細(xì)的分析結(jié)果，通過分析結(jié)果可以得出儲氣瓶的位移情況，判斷其發(fā)生最大位移的位置和具體數(shù)值。

譜分析是一種對模型的位移和應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算的分析技術(shù)，進(jìn)行譜分析的時(shí)候，需要以模態(tài)分析結(jié)果為基礎(chǔ)，與一個(gè)已知的譜相結(jié)合，通過兩者之間存在的關(guān)系來完成相關(guān)計(jì)算。通過普的曲線形式，可以知道譜值與頻率之間的關(guān)系，獲取載荷的強(qiáng)度和頻率在不同時(shí)間點(diǎn)的具體信息。譜分析結(jié)果中沒有對應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行記錄，在用單點(diǎn)響應(yīng)譜分析法進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，為了確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要對模型進(jìn)行擴(kuò)展與合并。

模型擴(kuò)展的目的是為了后期處理結(jié)果的觀察提供方便，具體過程是將設(shè)備的振動(dòng)特性進(jìn)行記錄，將記錄結(jié)果統(tǒng)一管理，保存至對應(yīng)的文件中。模態(tài)合并規(guī)定方法是SRSS，激勵(lì)譜頻率不同會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不一樣的影響，將這些影響結(jié)果進(jìn)行組合，就得到了最終的相應(yīng)結(jié)果。最終的相應(yīng)結(jié)果包括模型合并后的總位移、模型擴(kuò)展后的總應(yīng)力和總應(yīng)變，得出模型發(fā)生位移的詳細(xì)位置和具體數(shù)據(jù)，

結(jié)語

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組是核電站建設(shè)的重要組成部分，做好機(jī)外空氣壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對其性能進(jìn)行測試，確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性、可靠性；對系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的抗震計(jì)算，評估系統(tǒng)的抗震性能，對保證應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行質(zhì)量具有重要意義，隨著核電研究力度的不斷加強(qiáng)，相信有關(guān)工作會取得更大的進(jìn)展。

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