核电厂应急柴油发电机讲解.docx

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核电厂应急柴油发电机讲解

华北电力大学（保定）

硕士学位论文 

核电厂应急柴油发电机电气运行关键问题研究

姓名：

梁传富申请学位级别：

硕士

专业：

电气工程

指导教师：

赵成勇2011-06华北电力大学硕士学位论文

摘要随着我国核电行业的蓬勃发展，核电厂最为关键的问题之一——应急柴油发电机的电能质量也显得越来越重要和紧迫。

论文主要从应急柴油发电机电气运行关键问题方面分析、论证改善应急柴油发电机电能质量的主要措施。

首先介绍了应急柴油发电机电能质量的基本要求；接着对核电厂应急柴油发电机的一般继电保护设置给出实例，作出归纳，并对应急工况下的继电保护跳闸设置进行分析，优先推荐低电压保护；然后对柴油发电机的励磁系统作出较为深入的介绍，建议以后选用微机型励磁调节器、采用较为成熟的带永磁机的三机无刷励磁系统；最后，对负载组合要求其兼顾可接受的电压降，提出可采取的措施有6kV电动机启动时间错开、适当调整起动顺序、合理选择柴油机和发电机的容量等。

通过这些措施的改善，可给核电厂应急柴油发电机在应急工况下的程序带载提供更好的电能质量，也能对我国后续应急柴油发电机的引进提供技术指标参考。

关键词：

应急柴油发电机；关键问题；核电厂I

选题背景及其意义2008年联合国波兰气候大会，对替代碳机的各种清洁能源进行排名，按照合理利用、成熟性、经济性和竞争力划分了四个档次，排在第一档次第一位的是核能，可见，发展核电已成为清洁能源必走之路。

根据全球气候变暖的形势以及节能减排和环境保护的要求，我国政府就提出“积极发展核电”的方针，规划到2020年大陆核电装机容量达到4000万kW以上，占总发电量将有1.4％提高到4％左右[1]。

毫无疑问，中国核电正迎来行业的大发展。

但美国的三哩岛核事故、前苏联的切尔诺贝利核事故、特别是今年的东日本大地震引起的福岛核电站事故，再一次牵动着全世界的神经。

这表明核电厂核安全事故后果的难以消除性、国内国际社会公众的极度敏感性以及核安全的极其重要性。

 核电厂应急柴油发电机作为全厂应急安全电源与核安全直接相关，目的是为了在核电站的厂用工作电源和辅助电源都发生故障时，确保机组安全停堆和防止关键设备损坏。

从而在保护燃料元件不受损坏和保证核安全方面发挥非常重要的作用[2]。

应急柴油发电机在全厂失电时从接到启动指令后：

1）一般应在10～15s内启动并达到额定电压和频率，并按事先规定的带载程序分批次带载；

2）频率恢复到其额定值的98%以及电压恢复到其额定值的90%的时间应小于这一程序步骤开始和下一程序步骤开始之间的时间间隔的40%；

3）负荷加载期间，频率不应下降到额定值的95%（47.5Hz）以下；

4）电压不应下降到额定值的75%（4.95kV）以下；

5）加载的每一步骤之后，运行条件的瞬变均不应导致柴油发电机组转速的增加超出超速跳闸最小整定值与额定转速之差的75%[3]。

我国的核电厂运行经验表明，确有全厂断电事故而紧急启动应急柴油发电机的情况发生[4]。

倘若在此时应急柴油发电机的应急运行电能质量不符合上述标准而跳闸,后果将不堪设想.

目前我国现有核电柴油发电机组几乎全部从德国MTU/AREVA和法国ALSTOM进口，国内目前尚不具备自主设计和制造能力。

因此深入分析核电厂应急柴油发电机的电气运行关键问题有着很强的国内核电建设运营背景和防止发生类似日本福岛核电站核事故的现实意义。

1.2国内外研究动态 核电厂应急柴油发电机的特点是：

大容量、高可靠性（启动成功率不小于99%）、快速启动（十几秒钟内建立合格的电压和功率），良好的带载性能[1]。

目前，国际上柴油机生产制造行业已发生了剧烈的并购和重组，同时，由于欧美的核电发展不前，使得研究、生产核电应急柴油发电机的厂家、机构日益减少，甚至有些应急柴油发电机组产品系列已经停产，只剩下了德国的MTU公司和法国的ALSTOM公司能生产1E级柴油发电机组。

我国现有的核电机组除秦山一期以外全部从法国ALSTOM和德国MTU/AREVA进口，新建核电项目正在进行国产化引进：

陕柴与MTU成立陕西北方安特优发动机有限公司合资企业承接福清、方家山项目；陕柴与MTU/AREVA组成联合体承接阳江项目；陕柴-ALSTOM/MAN组成联合体承接宁德、红沿河项目，通过合作生产逐步掌握技术。

可以说，目前国内、外的核电应急柴油发电机组面对新形势下的核电发展需要，还要不断的创新。

尤其是国内在这方面的研究，还有很长的路要走。

 核电厂应急柴油发电机电气运行关键问题的最终体现是应急供电的质量。

应急运行时，应急柴油发电机的电压建立、暂降以及供电连续性等方面由于有其十分特殊的意义——直接涉及到核安全，故核电厂应急柴油发电机的电气运行关键问题研究是核电电气从业者的共同心声。

在我国核电应急柴油发电机组的引进中，对继电保护的配置、励磁选择、程序带载时负载搭配、柴油机与发电机的容量搭配等方面存在的差距较大，而国内没有可查询的依据或者相关标准，根据核电厂应急柴油发电机的最终使用目的——提供较高的应急电能质量，来研究核电厂应急柴油发电机的电气方面配置，是我们核电电气工作者必然要面对的现实问题。

电能质量，从普遍意义上讲是指优质供电，可定义为：

导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压波动与闪变、电压偏差、三相不平衡、波形畸变（谐波）、暂时或瞬态过电压、电压暂降、中断、暂升以及供电连续性等[5-7]。

在我国目前运行的核电厂中，应急柴油发电机应急运行时的电压建立、中断、暂降和恢复已成为核电厂最重要的电能质量问题[8]。

1.3课题研究内容本课题主要是对我国已运行核电厂应急柴油发电机电气运行关键问题进行探讨，以便进一步提高应急柴油发电机应急带载的电能质量及为后续应急柴油发电机建设提供参考。

研究内容如下:

1） 核电厂应急柴油发电机应急运行供电质量要求。

核电厂设置应急安全电源的目的是为了在核电站的厂用工作电源和辅助电源同时发生故障时，确保机组安全停堆和防止关键设备损坏；目前在我国二代堆型中，应急柴油发电机对保护燃料元件不受损坏和保证核电厂核安全方面发挥非常重要的作用[2]。

本章对核电厂应急柴油发电机的作用和应急运行时的技术要求作出归纳，明确改善应急柴油发电机电气运行关键问题的方向。

2）应急柴油发电机的继电保护设置。

目前，我国大陆核电厂的应急柴油发电机继电保护设置差异比较大，通过本节的研究，给出应急柴油发电机的继电保护设置部分实例、一般方法及工程经验反馈，对应急模式下的继电保护配置作出论证和改进，使柴油发电机的应急供电能力得到进一步的提高。

在应急情况下，低电压保护由于能较好的反映柴油发电机因严重故障而不能继续带载运行，故本节通过论证推荐其为应急方式下唯一允许跳闸的电气信号。

3） 核电厂应急柴油发电机的励磁调节系统。

在国内核电厂众多的应急柴油发电机励磁调节器中，属于数字式励磁调节器的并不多，起励电路、励磁方式等也各有差异。

而在提高柴油发电机供电稳定性方面，励磁方式的选择、励磁调节器的选型、起励电路的设计以及励磁的限制与保护是提高励磁系统供电稳定性的先天条件，关系重大。

通过本章节的探讨，结合应急柴油发电机的特殊工作环境，对不同励磁方式性能作出对比，论证带永磁机的三机无刷励磁方式的优点，也对励磁保护方面作出一些归纳等，为后续建设的应急柴油发电机励磁系统提供参考。

4）应急柴油发电机的程序带载试验及改善方法分析。

程序带载试验是应急柴油发电机设计功能的最终检验。

试验模拟全厂断电情况下，自动触发柴油发电机应急启机，及时建立电压并按事先设计的带载顺序逐一带载。

本章节通过对程序带载的负载结构、电动机起机引起的电压降、柴油机和发电机的容量配置等方面的研究，提出降低电压暂降可采取的措施为：

启动时间错开，避免多台6kV电动机的同时起动；在兼顾了相对紧急程度的情况下，调整起动顺序；合理选择柴油机和发电机的容量；经济许可情况下，可适当提高柴油发电机的容量，改善程序带载过程中的电压降，提高应急供电性能。

最后希望我国的核电厂应急柴油发电机的电气运行关键方面研究能够完全自主、建立一套自己的标准、规范。

第2章 核电厂应急柴油发电机应急运行供电质量要求

2.1 核电厂应急柴油发电机的作用

2.1.1 核电厂应急柴油发电机的认识在核电厂中，利用235U的裂变来产生热量。

由于裂变产物衰变放出缓发γ射线，堆芯成为强放射源，因此在反应堆停止运行时，堆芯除了裂变产物的衰变热外，还自行存在放热，形成总的堆芯余热。

典型堆心余热曲线图如图

2-1所示：

图2-1典型堆芯余热曲线图[0]

停堆后长期存在的剩余发热是影响裂变反应堆安全问题的关键因数。

由于堆芯余热的存在，如果不能有效冷却，就会足以导致堆芯持续升温以致熔化，自发突破反应堆设计中的多重实体屏障，将大量放射性物质释放到环境中，发生灾难日本福岛核电站的部分堆芯熔化就是因为堆芯余热未能及时有效导性的后果。

在我国现役及在建的二代堆型中，余热导出采用的途径是设置外动力源持续驱动相关系统，不断冷却堆芯，导出余热。

这种外动力源就是核电厂应急柴油发电机。

核电厂的应急柴油发电机组是能够自动快速启动、按程序带载的应急交流电源。

一般情况下，核电厂每台机组配备2～4台相互独立的应急柴油发电机组，当高压厂用变压器提供的正常电源和高压厂用辅助变压器提供的后备电源失效时、或发生安全壳压力高高时、或发生安注动作，它们能够立即紧急启动，并自动对相应的6kV专设安全设施供电，为应急电源供电的设备提供可靠的电源，以确保反应堆安全关闭、堆芯余热的及时顺利导出、以及一回路压力边界的完整性，从而阻止放射性物质向大气泄漏。

柴油发电机是一种小型发电设备，以柴油机为原动机带动发电机发电的动力机械。

一般由柴油机、发电机、燃油箱、控制柜、控制用蓄电池、保护装置等部件组成整套机组。

 核电厂应急柴油发电机的容量一般比较大，除主要组件外，要使其正常、安全而又稳定地运转，还必须保证气、油、水的充分供应和循环。

其中机械部分主要包括燃油系统、高温水系统、润滑油系统、低温水系统、进气系统、排气系统、空气启动系统及其有关装置。

电气部分主要包括发电机、励磁机、励磁调节系统、继电保护装置、同期装置等部件。

仪控部分主要有各种探头表计、仪控控制柜、速度控制器等。

这些装置在日常维护保养中往往要对它进行大量工作，否则将影响柴油机正常工作，甚至造成严重事故。

世界各核电厂的概率安全评价表明：

应急电源系统失效导致电厂完全失电，进而丧失堆芯冷却能力是导致堆芯损坏最为可信的事件序列之一。

2.1.2应急柴油发电机的作用

应急柴油发电机作为核电厂最后一道应急电源，在应急工况下有着不可替代的核安全功能和设备保护功能，

主要作用如下：

1）核电厂应急安全电源设置的目的是为了在核电站的厂用工作电源和辅助电源同时发生故障时，确保机组安全停堆和防止关键设备损坏。

2）应急电源对保护燃料元件不受损坏和保证核电厂核安全方面发挥非常重要的作用。

3）2.1.3应急柴油发电机的设备属性目前我国已运行核电厂及大部分在建核电厂的应急柴油发电机一般都具有核安全保护的功能，属于核级设备，在设计、制造、调试、运行、维护等方面有着严格的要求，以保证应急运行的可靠性，以下是设备属性的表现方面：

1）应急柴油发电机属于1E级设备，所带系统设备大多属安全级设备。

2）安全级设备对地震、火灾、台风等要求有较高的抗