華君　馬翼　鄭添　張智祿

摘要：對(duì)核電站柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行選型設(shè)計(jì)以確保核電站運(yùn)行安全。明確應(yīng)急發(fā)電機(jī)組選型要求，根據(jù)2套柴油發(fā)電機(jī)組加載負(fù)荷的順序和容量，按負(fù)荷計(jì)算、分步加載計(jì)算、核電站設(shè)計(jì)推薦的發(fā)電容量中的最大者為依據(jù)選擇發(fā)電機(jī)型號(hào)，以電壓降為指標(biāo)對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行校核；以ISO 3046推薦的方法確定柴油機(jī)的額定功率及核電站設(shè)計(jì)要求功率的較大者為依據(jù)選擇柴油機(jī)型號(hào)，并以首次可加載功率為指標(biāo)進(jìn)行校核。計(jì)算結(jié)果表明：發(fā)電機(jī)組的電壓降為18.32%，滿足電壓降不大于20%的要求，柴油發(fā)電機(jī)組的首次加載功率大于發(fā)電機(jī)組的首次加載功率，滿足選型要求。

關(guān)鍵詞：核電廠；應(yīng)急；柴油發(fā)電機(jī)組；選型；加載；電壓降

中圖分類號(hào)：TM623;TM314文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-6397（2023）05-0031-06

引用格式：華君，馬翼，鄭添，等. 核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組選型［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2023，40（5）：31-36.

HUA Jun， MA Yi， ZHENG Tian， et al. Capacity selection of the emergency diesel generator set for nuclear power plant［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（5）：31-36.

0 引言

為確保核電站的安全運(yùn)行，要求核電站具備非?？煽康墓╇娤到y(tǒng)。在國(guó)內(nèi)核電站中，除了以500 kV和220 kV開(kāi)關(guān)站作為核電站的外部主備用電源外，還以柴油發(fā)電機(jī)組作為后備電源在應(yīng)急情況下向設(shè)備供電。應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組對(duì)于核電站的安全意義重大，在失去電廠外部交流電源時(shí)，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)能夠滿足應(yīng)急廠用設(shè)備用電要求，確保反應(yīng)堆安全停堆，并防止由于失電而導(dǎo)致重要設(shè)備損壞[1]。

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組成套設(shè)計(jì)的首步工作為設(shè)備選型計(jì)算，設(shè)備選型直接影響機(jī)組是否滿足核電廠的運(yùn)行需求。本文中以某核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的選型設(shè)計(jì)為例，研究柴油發(fā)電機(jī)組的選型和校核方法。

1 機(jī)組選型要求與方法

某核電站配置2套應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組（記為A序列、B序列），分別為帶有應(yīng)急廠用設(shè)備的2個(gè)交流應(yīng)急配電系統(tǒng)EMA、EMB供電，2套柴油發(fā)電機(jī)組均采用冗余設(shè)計(jì)。該核電站的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的額定功率為8.30 MW，瞬時(shí)功率為9.13 MW，額定電壓為10.5 kV，額定功率因數(shù)為0.8。

1.1 機(jī)組選型要求

柴油發(fā)電機(jī)組的容量應(yīng)有一定裕度，一般為機(jī)組基本設(shè)計(jì)容量的10%，以確保柴油發(fā)電機(jī)組在12 h運(yùn)行期間內(nèi)有1 h過(guò)載運(yùn)行的能力。

在順序加載負(fù)荷時(shí)，對(duì)于每個(gè)加載步驟，均應(yīng)確保轉(zhuǎn)速不低于額定轉(zhuǎn)速的95%，電壓不低于額定電壓的80%。

1.2 機(jī)組選型方法

依據(jù)核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組確定的加載程序計(jì)算機(jī)組容量，并根據(jù)發(fā)電機(jī)效率計(jì)算相應(yīng)柴油機(jī)的所需功率[2]；參照發(fā)電機(jī)和柴油機(jī)型號(hào)規(guī)格選擇相應(yīng)的發(fā)電機(jī)和柴油機(jī)，組成應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組，并根據(jù)所選機(jī)型的參數(shù)以及核電廠現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件，進(jìn)行負(fù)載起動(dòng)時(shí)發(fā)電機(jī)電壓降的校核和柴油機(jī)加載能力的校核[3]，確保選型的柴油發(fā)電機(jī)組滿足要求。

2 負(fù)荷分析

2套柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行負(fù)荷、加載負(fù)荷曲線如圖1～4所示。

經(jīng)分析統(tǒng)計(jì)，各加載工步負(fù)荷如表1、2所示。

分步最大加載容量為每分步起動(dòng)容量與已連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的容量（即上一步運(yùn)行總?cè)萘浚┑暮停渲?，每步起?dòng)容量以成組電機(jī)同時(shí)起動(dòng)進(jìn)行計(jì)算[4-5]。

根據(jù)圖1～4和表1、2可知：A、B序列中，最大運(yùn)行總有功和最大運(yùn)行總?cè)萘繛锳序列的加載工步9，分別為7.264 MW、8.223 MV·A;A序列加載步6的加載容量最大，為12.976 MV·A；最大加載功率為A序列工步9，運(yùn)行和加載總有功為7.676 MW。

3 發(fā)電機(jī)選型及校核

3.1 發(fā)電機(jī)選型

機(jī)組容量首先要滿足運(yùn)行和加載總?cè)萘考斑\(yùn)行和加載總有功的要求、滿足核電站設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)組容量的要求。即以按負(fù)荷計(jì)算的發(fā)電機(jī)容量、按分步加載計(jì)算的發(fā)電機(jī)容量、核電站設(shè)計(jì)推薦發(fā)電機(jī)容量中的最大者為依據(jù)，選擇發(fā)電機(jī)型號(hào)。

3.1.1 按負(fù)荷計(jì)算的發(fā)電機(jī)容量

發(fā)電機(jī)負(fù)荷包括運(yùn)行和加載總?cè)萘?，并?yīng)有一定過(guò)載能力。按負(fù)荷計(jì)算的發(fā)電機(jī)容量[6-7]

SG1≥S/KG， （1）

式中：S為最大加載容量；KG為發(fā)電機(jī)允許短時(shí)過(guò)載因數(shù)，一般取1.4～1.6，本文中KG=1.5。

發(fā)電機(jī)功率

PG1≥λSG （2）

式中：λ為發(fā)電機(jī)額定功率因數(shù)，λ=0.8。

由表1、2和式（1）（2）可知：最小SG1為8.651 MV·A， 最小PG1為6.921 MW。

3.1.2 按分步加載計(jì)算的發(fā)電機(jī)容量

按分步加載計(jì)算的發(fā)電機(jī)容量[8-10]

SG2≥Smax/λ，

式中：Smax為運(yùn)行與加載總?cè)萘康暮汀⑦\(yùn)行與加載總有功的和的最大者。

本文中：Smax=7.676 MV·A，最小SG2為9.595 MV·A。

3.1.3 選型

核電站設(shè)計(jì)推薦的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的額定功率為8.3 MW，對(duì)應(yīng)總?cè)萘繛?0.375 MV·A，為按負(fù)荷計(jì)算的發(fā)電機(jī)容量、按分步加載計(jì)算的發(fā)電機(jī)容量、核電站設(shè)計(jì)推薦發(fā)電站容量中的最大者，因此以核電站設(shè)計(jì)推薦的發(fā)電機(jī)組參數(shù)為發(fā)電機(jī)選型依據(jù)。據(jù)此選擇的某型號(hào)發(fā)電機(jī)的主要參數(shù)如表3所示。

3.2 發(fā)電機(jī)電壓降校核

根據(jù)文獻(xiàn)[4]，電壓降

ΔU= Zd/（SG/Sst + Zd）×100%，

式中：Zd為發(fā)電機(jī)暫態(tài)不飽和阻抗，Ω；

SG為發(fā)電機(jī)容量，kV·A;Sst為最大起動(dòng)容量，kV·A。

由表1、2可知： A序列第6步和B序列第5步的起動(dòng)容量最大，均為8.283 MV·A，ΔU =18.32%，滿足應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)電壓降不大于額定電壓20%的要求。

4 柴油機(jī)選型及校核

4.1 柴油機(jī)選型

柴油機(jī)的功率應(yīng)滿足所有負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行工況功率需求，還應(yīng)滿足最大起動(dòng)負(fù)荷要求，此外還需考慮發(fā)電機(jī)的效率以及環(huán)境條件[12-13]。根據(jù)文獻(xiàn)[2]推薦的方法確定柴油機(jī)修正功率，并與核電站設(shè)計(jì)要求的應(yīng)急發(fā)電機(jī)組功率相比較，取其大者為依據(jù)選擇柴油機(jī)型號(hào)。

柴油機(jī)額定輸出功率

Pr=Px/α，

式中：α為功率修正因數(shù)，α=0.962 9；Px為柴油機(jī)實(shí)際輸出功率，kW。

由第2章分析可知：柴油發(fā)電機(jī)組最大運(yùn)行功率為7.264 MW，運(yùn)行加起動(dòng)最大功率為7.676 MW，考慮發(fā)電機(jī)效率，則柴油機(jī)最小功率需求為7.889 MW，修正后的柴油機(jī)最小功率為8.193 MW。

核電站設(shè)計(jì)要求發(fā)電機(jī)組額定功率為8.3 MW，大于修正后的柴油機(jī)最小功率，因此按核電站設(shè)計(jì)要求功率選擇型號(hào)柴油機(jī)，該柴油機(jī)的額定功率為10 MW，額定轉(zhuǎn)速為750 r/min，額定功率下的平均有效壓力為2.26 MPa。

考慮柴油機(jī)功率修正因數(shù)和發(fā)電機(jī)效率，在現(xiàn)場(chǎng)條件下，該發(fā)電機(jī)組可輸出的功率為9.369 MW，大于核電站設(shè)計(jì)要求，同時(shí)保留一定的加載裕量。

4.2 柴油機(jī)負(fù)載能力校核柴油機(jī)首次可加載功率應(yīng)大于應(yīng)急發(fā)電機(jī)組首次加載功率[14-15]。文獻(xiàn)[3]推薦的柴油機(jī)首次加載指導(dǎo)功率與平均有效壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5所示，圖中ΔP為現(xiàn)場(chǎng)條件下相對(duì)于額定功率的功率增加百分比。所選柴油機(jī)的平均有效壓力為2.26 MPa，根據(jù)圖5可得柴油機(jī)首次可加載功率約為額定功率的35%，因此，在現(xiàn)場(chǎng)條件下，柴油機(jī)首次可加載功率為3.370 MW，結(jié)合發(fā)電機(jī)效率可知：機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)可首次加載的功率約為3.279 MW。

由表1、2可知：B序列1工步最大起動(dòng)功率為1 975 kW，小于所選柴油發(fā)電機(jī)組的首次加載功率，所選柴油機(jī)通過(guò)負(fù)載能力校核。

5 結(jié)束語(yǔ)

以某核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組為例研究柴油發(fā)電機(jī)組的選型和校核方法。機(jī)組容量首先應(yīng)滿足運(yùn)行和加載總?cè)萘考斑\(yùn)行和加載總有功的要求，其次應(yīng)滿足核電站設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)組容量的要求，再對(duì)發(fā)電機(jī)選型進(jìn)行校核，確保在負(fù)荷加載時(shí)電壓不應(yīng)下降到額定電壓的80%以下；對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行校核，確保柴油機(jī)的首次可加載負(fù)荷滿足加載程序的要求。通過(guò)理論方法與實(shí)際選型案例相結(jié)合，研究了核級(jí)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的選型方法，可為核電應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組成套設(shè)計(jì)提供參考。

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Capacity selection of the emergency diesel generator set for

nuclear power plant

HUA Jun， MA Yi， ZHENG Tian， ZHANG Zhilu

Wuxi Division of No.703 Research Institute of CSSC， Wuxi 214151， China

Abstract：To ensure the safe operation of nuclear power plants， diesel generator sets are designed for nuclear power plants. Clarify the requirements for emergency generator sets， the generator model is selected based on the order and capacity， calculating according to load， step by step load， and the maximum recommended generation capacity for nuclear power plant design， and the engine is verified by voltage drop. A diesel engine model is chosen based on the method recommended by ISO 3046 to determine the rated power of the diesel engine and the power required for nuclear power plant design， and verified with the first loadable power as the indicator. The calculation results show that the voltage drop of the generator set is 18.32%， which meets the requirement of no more than 20% voltage drop. The first load power of the diesel generator set is greater than the first load power of the generator set， which meets the selection requirements.

Keywords：nuclear power plant；emergency；diesel generator set；capacity selection calculation；load; voltage drop

（責(zé)任編輯：郎偉鋒）

收稿日期：2023-06-05

第一作者簡(jiǎn)介：華君（1978—），男，江蘇無(wú)錫人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹穗姀S用應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組成套設(shè)計(jì)及研究，E-mail：dmuzhangfeng@163.com。