核電廠增設(shè)SBO 軸封注水泵柴油發(fā)電機(jī)改造

      反應(yīng)堆冷卻劑泵（主泵）是核電廠的重要設(shè)備之一，大部分在役核電廠的反應(yīng)堆冷卻劑泵選用的是軸封泵。設(shè)有主泵軸封水注入系統(tǒng)，并由設(shè)備冷卻水為泵機(jī)組提供冷卻，以保證主泵正常運(yùn)行。主泵軸封水注入依靠化學(xué)和容積控制系統(tǒng)完成，該系統(tǒng)設(shè)置兩臺(tái)離心式上充泵，為主泵提供軸封注水并收集主泵密封泄漏流，該系統(tǒng)還設(shè)有往復(fù)式上充泵用于水壓試驗(yàn)，必要時(shí)也可為主泵提供軸封水。離心式上沖泵由主交流電源供電；喪失主交流電源時(shí)，離心式上充泵由安全級(jí)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)供電。在發(fā)生全廠斷電（SBO）事故工況時(shí)，電廠交流電源全部喪失，包括應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)。此時(shí)，軸封注水和設(shè)備冷卻水同時(shí)喪失，主泵軸密封直接與高溫高壓的反應(yīng)堆冷卻劑接觸，將在較短時(shí)間內(nèi)由于高溫?fù)p壞，冷卻劑從軸封處泄漏，形成LOCA。為了防止在SBO 事故工況下，主泵軸封泄漏，需要設(shè)置能夠在SBO 工況使用的軸封注水系統(tǒng)。
      某在役核電廠原有主泵軸封水注入系統(tǒng)設(shè)有兩臺(tái)非核級(jí)往復(fù)式上充泵，由主交流電源供電，用于反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的水壓試驗(yàn)和必要時(shí)提供主泵的軸封水。系統(tǒng)改造擬將其中一臺(tái)替換為非核級(jí)軸封注水泵，在SBO 事故工況下供應(yīng)主泵軸封水。在SBO 事故工況，操縱員能夠在主控制室手動(dòng)啟動(dòng)SBO 軸封注水泵，該泵應(yīng)能至少連續(xù)運(yùn)行8h。但在SBO 事故工況下，電廠交流電源全部喪失，新增的軸封注水泵需要重點(diǎn)考慮SBO 事故工況下的運(yùn)行動(dòng)力問(wèn)題。
      一、設(shè)計(jì)方案
      1、方案描述
      鑒于新增的非核級(jí)軸封注水泵及其相關(guān)閥門要求在電廠交流電源全部喪失的情況下能夠運(yùn)行，則有兩種可行的技術(shù)方案。
      方案A：借鑒柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)輔助給水泵的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，軸封注水泵采用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)泵的形式，閥門電裝由柴油機(jī)泵同軸驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)供電。
      方案B：設(shè)置專用的400V/50Hz 柴油發(fā)電機(jī)組，為新增軸封注水泵及相關(guān)電動(dòng)閥門供電。
      2、方案選擇
      兩種方案應(yīng)用到在役核電廠改造中，各自體現(xiàn)出不同的優(yōu)缺點(diǎn)，如表1 所示。
      
      3、方案確定
      原有往復(fù)式上沖泵安裝在核輔助廠房—14m層，如果采用方案A，根據(jù)工藝需要，新增柴油機(jī)泵配同軸發(fā)電機(jī)安裝在此房間。為柴油機(jī)進(jìn)排氣需要，原有廠房需要新增大面積進(jìn)、排風(fēng)百葉和豎井，而在抗震I 類廠房大面積的開洞會(huì)嚴(yán)重影響廠房的抗震性能，重新修建進(jìn)、排風(fēng)豎井技術(shù)上也難以實(shí)現(xiàn)，因此方案A可實(shí)施性差。
      方案B“專用的柴油發(fā)電機(jī)組方案”所采用設(shè)備技術(shù)成熟。柴油發(fā)電機(jī)和泵可以分開布置，不破壞原有廠房結(jié)構(gòu)，因此方案B 較好。
      本改造擬增加“非核級(jí)電動(dòng)軸封注水泵”，該設(shè)備由380V/3相/50Hz 交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)備布置在核輔助廠房—14m 層；新增“SBO 軸封注水泵柴油發(fā)電機(jī)” 采用400V/50Hz 固定箱式柴油發(fā)電機(jī)組，考慮到福島事件影響，柴油發(fā)電機(jī)布置在廠址高位平臺(tái)上。另外，還要對(duì)主控制室盤臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)的改造，設(shè)置新增軸封注水泵、閥門、柴油發(fā)電機(jī)的控制按鈕。
      二、容量計(jì)算
      1、負(fù)荷分析
      SBO 軸封注水泵柴油發(fā)電機(jī)加載的主要負(fù)荷是SBO軸封注水泵電動(dòng)機(jī)、軸封注水泵入口閥電裝以及相應(yīng)的控制箱等設(shè)備。
      SBO 軸封注水泵電動(dòng)機(jī)為380V/3 相/50Hz 交流電動(dòng)機(jī)，功率約為160kW。
      軸封注水泵入口閥電裝為380V/3 相/50Hz 交流電動(dòng)機(jī)，功率為0.37kW，如表2 所示。
      
      2、柴油發(fā)電機(jī)組容量計(jì)算
      SBO 軸封注水泵柴油發(fā)電機(jī)加載的主要負(fù)荷是SBO軸封注水泵電動(dòng)機(jī)，處于保守考慮，假設(shè)電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)電流為額定電流的6.5倍。為了減少SBO軸封注水泵電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)對(duì)于柴油發(fā)電機(jī)組的沖擊，啟動(dòng)方式擬采用星－三角或軟啟動(dòng)（限制啟動(dòng)電流2.5 倍）。
      在SBO 事故工況，操縱員在主控制室手動(dòng)啟動(dòng)SBO軸封注水泵柴油發(fā)電機(jī)，手動(dòng)操作打開軸封注水泵入口閥，確認(rèn)閥門打開后，再手動(dòng)啟動(dòng)SBO 軸封注水泵。此時(shí)，入口閥電動(dòng)裝置動(dòng)作結(jié)束，柴油發(fā)電機(jī)接近空載狀態(tài)，則所選柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)能承受突加軸封注水泵電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬態(tài)沖擊，其瞬態(tài)性能應(yīng)滿足所加載負(fù)荷運(yùn)行的需要。而由表3 計(jì)算可知，SBO 軸封注水泵電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)有功最大為122.6kW。
      
      注：該設(shè)備為短時(shí)負(fù)荷，不計(jì)入總?cè)萘拷y(tǒng)計(jì)。
      假設(shè)所選機(jī)組平均有效壓力為2.0MPa。根據(jù)GB/T2820 標(biāo)準(zhǔn)的要求，得到機(jī)組第1步突加負(fù)荷指導(dǎo)值P%是40%，而按照保守考慮柴油發(fā)電機(jī)應(yīng)該承受122.6kW假設(shè)所選機(jī)組平均有效壓力為2.0MPa。根據(jù)GB/T2820 標(biāo)準(zhǔn)的要求，得到機(jī)組第1步突加負(fù)荷指導(dǎo)值P %是40%，而按照保守考慮柴油發(fā)電機(jī)應(yīng)該承受122.6kW的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)功率沖擊，則所選柴油發(fā)電機(jī)組功率至少為307kW。
      而由于柴油發(fā)電機(jī)的長(zhǎng)期運(yùn)行限制，柴油發(fā)電機(jī)最低帶載率為至少40% 額定輸出功率。則所選柴油發(fā)電機(jī)組的額定容量不能超過(guò)450kW。表4為CUMMINS公司滿足此307~450kW 功率范圍內(nèi)產(chǎn)品信息。
      SBO軸封注水泵柴油發(fā)電機(jī)要能承受122.6kW的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)功率的沖擊，依據(jù)表4的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)算，C440D5和C450D5e型柴油發(fā)電機(jī)不滿足要求，C500D5e和C550D5e機(jī)型滿足要求。
      
      3、加載時(shí)電壓降校驗(yàn)
      SBO 軸封注水泵柴油發(fā)電機(jī)加載的最大單個(gè)負(fù)荷為一臺(tái)160kW的電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)壓降要求小于15%。發(fā)電機(jī)直軸暫態(tài)電抗為0.16時(shí)，其容量應(yīng)大于453.3kVA，以滿足加載時(shí)電壓降要求。
      C500D5e機(jī)型的柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)滿足初步估算要求，但其SHUNT勵(lì)磁方式的機(jī)型電壓降為20%，不滿足要求，而采用PMG勵(lì)磁方式的HCI534/544C發(fā)電機(jī)滿足啟動(dòng)電壓降15% 的要求，其對(duì)應(yīng)的柴油發(fā)電機(jī)組C500D5e滿足要求。
      對(duì)于C550D5e 機(jī)型，采用PMG勵(lì)磁方式的HCI534/544D發(fā)電機(jī)電壓降為13%，滿足要求。本工程為確保SBO軸封注水泵柴油發(fā)電機(jī)能夠可靠加載水泵運(yùn)行，選擇了C550D5e柴油發(fā)電機(jī)組。
      三、箱式柴油發(fā)電機(jī)組成
      固定箱式柴油發(fā)電機(jī)為非1E級(jí)、非抗震類設(shè)備，由柴油發(fā)電機(jī)組（包括供油系統(tǒng)、底座和/ 或獨(dú)立油箱、啟動(dòng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、排煙消聲系統(tǒng)、降噪系統(tǒng)等）、箱體、充電與配電設(shè)備、試驗(yàn)負(fù)載接口以及配套輔助設(shè)施（進(jìn)排風(fēng)、接地、消防、照明等）部分組成。
      1、起動(dòng)系統(tǒng)
      柴油發(fā)電機(jī)組采用24V DC電起動(dòng)方式，采用閥控式密封鉛酸蓄電池，在蓄電池充滿電后斷開充電電源其容量能保證機(jī)組連續(xù)起動(dòng)6次。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的充電發(fā)電機(jī)對(duì)啟動(dòng)蓄電池進(jìn)行浮充；在機(jī)組停止運(yùn)行時(shí)，通過(guò)箱式柴油發(fā)電機(jī)上配置的廠用電充電裝置，向發(fā)電機(jī)組蓄電池進(jìn)行充電，維持蓄電池處于滿充狀態(tài)。
      2、燃油系統(tǒng)
      箱體內(nèi)部設(shè)置油箱，其容量滿足柴油發(fā)電機(jī)組滿功率運(yùn)行8h以上。油箱預(yù)留日常加油管接口，允許運(yùn)行時(shí)在線補(bǔ)充燃油，箱式柴油發(fā)電機(jī)設(shè)置電動(dòng)補(bǔ)油裝置及補(bǔ)油接管，當(dāng)需要補(bǔ)油時(shí)可通過(guò)該接管向機(jī)帶油箱在線補(bǔ)油；為避免過(guò)補(bǔ)油，機(jī)帶油箱設(shè)置液位指示以及高、低液位報(bào)警裝置。
      3、試驗(yàn)負(fù)載
      參照IEEE387 等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，為確保SBO軸封注水泵柴油發(fā)電機(jī)的可靠性和可用性需要進(jìn)行定期帶載試驗(yàn)。而常規(guī)的月度試驗(yàn)并非加載SBO軸封注水泵，而是采用試驗(yàn)負(fù)載進(jìn)行帶載試驗(yàn)。試驗(yàn)負(fù)載采用干式交流阻性負(fù)載，采用強(qiáng)制風(fēng)冷冷卻方式。
      四、結(jié)束語(yǔ)
      本文提出的增設(shè)SBO軸封注水泵柴油發(fā)電機(jī)方案，目前改造已實(shí)施完畢，經(jīng)過(guò)與SBO軸封注水泵、泵進(jìn)口閥門等系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，系統(tǒng)已通過(guò)驗(yàn)收并投入運(yùn)行，滿足國(guó)家核安全局提出的整改要求。在施工、調(diào)試過(guò)程中，本方案充分體現(xiàn)出了安裝快速、技術(shù)成熟的特點(diǎn)，該方案對(duì)其他在役核電廠的相關(guān)系統(tǒng)改造具有借鑒意義。
      作者：胡煒亮 蘇成 朱立群  上海核工程研究設(shè)計(jì)院