核电厂水压试验泵柴油发电机容量及运行分析

【摘 要】水压试验泵是核电厂的重要设备，保证水压试验泵供电的可靠性对于核电厂运行的安全性具有重要的影响。本文将对柴油机供电式水压试验泵的发电机容量进行分析，并结合影响水压试验泵柴油发电机容量的因素对保证应急柴油发电机稳定运行的条件进行分析。

【关键词】容量计算；电机降压起动；运行条件分析

某核电厂每个机组备有一套水压试验泵柴油发电机，在失去全部电源情况下（包括厂外电和厂内应急电源），系统向水压试验泵提供380V电源，以确保一回路冷却剂泵密封的注入水流量，从而保证反应堆冷却剂泵系统的完整性。目前水压试验泵的均采用电动泵，但电动泵的电源有不同的方式。部分核电厂机组水压试验泵通过一台小汽轮发电机组供电，汽轮发电机组的采用蒸汽作为动力源，在实际运行中存在设备稳定性不高、工业安全条件差等缺点，目前在新建设核电厂机组上，水压试验泵采用柴油发电机组供电。

水压试验泵柴油发电机组容量的确定，应综合考虑三方面的因素：向稳定负荷供电、满足大容量电动机起动的需要、起动电动机时发电机母线电压的下降不应影响其他负荷的正常运行。

1 水压试验泵起动方式

1.1 全压直接起动

柴油发电机组所带最大负荷为水压试验泵，其运行功率为75kW。若采用直接起动，则需根据相关标准校核发电机电压降。

发电机电压降可按下式计算：

VD=■

其中，X′■为发电机暂态电抗；

XI=■，

kVARated为机组运行功率kVA；

kVAStarting为直接起动电机泵时电机的起动kVA；

X′■=0.119 （表1）

kVARated=250kVA

kVAStarting=92.8×6.5=603.2kVA

可得，XI=■=■=0.414

∴VD=■=0.223

采用全压直接起动电机的方式，发电机电压降大于20%。而按照《工业与民用配电设计手册》，全压起动大容量电动机时，母线电压不得低于额定电压的80%，直接起动电机不满足电压降要求。

1.2 自耦降压起动

鉴于直接起动不满足电压降要求，故采用自耦降压起动方式起动水压试验泵。自耦降压起动是利用自耦变压器降低电动机端电压的起动方法，自耦变压器有三组抽头可以得到不同的输出电压（采用电源电压的47%、52%和57%），选择为起动时使自耦变压器中的一组抽头接在电动机的回路中，当电动机的转速接近额定转速时，将自耦变压器切除，使电动机直接接在三相电源上进入运转状态。通过自耦降压起动，可以有效地保护电网电压不至于在瞬间变得很低从而保护电网中的其他设备，保证设备正常运行与生产连续进行。

2 柴油发电机组功率修正

水压试验泵柴油发电机组是在核电厂失去所有电源情况下，向水压试验泵供电，以保证一回路冷却剂泵密封的注入水流量。机组燃油系统设计容量按保证两台柴油发电机组在不额外补充燃油时可连续运行24小时考虑。针对该运行工况，柴油发电机组的额定功率应标定为基本功率。该项目选择型号为KV275E的柴油发电机组，其机组参数如表1所示。

标定功率是在标准基准状况下发出的功率。国家标准GB/T6072.1-2000规定的标准大气状况为：大气压力100kPa、环境温度25℃（298K）、相对湿度30%。当柴油机工作地点的大气状况与标准大气状况不符时，其输出功率应按GB/T6072.1-2000的规定进行修正。

表1 所选柴油发电机组参数

2.1 机组输出功率影响因素

柴油机能否发出标定功率，主要取决于吸入的燃烧空气量。当海拔升高大气压力降低；大气温度升高或大气湿度增大时，都使大气中空气密度减小，因此进入柴油机的空气量也减小，导致柴油机输出功率下降。影响柴油机输出功率的大气压力、环境温度和环境湿度三个因素中，湿度的影响较小，温度影响明显，但大气压力对非增压柴油机影响较大。

功率因数也会对机组的输出功率产生影响，见图2。

图1 海拔高度对机组输出功率的影响

图2 功率因数对机组输出功率的影响

该核电厂现场海拔高度为8米，因此可忽略海拔对机组输出功率的影响。该机组选定功率因数定值为0.8，因此不考虑功率因数的变化对机组输出功率的影响。由（图3）知，环境温度对柴油发电机组输出功率的影响较为明显。环境相对湿度由30%升高到60%时对机组输出功率影响较小（功率修正系数仅减小了0.01）。下文通过计算对温度和对机组输出功率的影响。

图3 温度对机组输出功率的影响

2.2 环境温度对机组输出功率的影响

所选机型包括柴油机、发电机以及柴油机驱动的冷却风扇等主要设备组成。需要说明的是，柴油机冷却风扇为机组基本从属辅助设备，该设备装与不装将影响发动机中断轴输出功率。

单台机组的实际输出功率按下式计算：

P={Ne[c-（1-c1）]-Np}×ηF

式中，P——机组的实际输出功率，kW；

Ne——柴油机的标定功率，kW；

Np——柴油机冷却风扇消耗的功率，kW；

ηF——发电机效率；

c——大气状况功率修正系数；

c1——进、排气阻力影响功率的修正系数，对于地面电站，一般c1取1.0。

大气状况功率修正系数是根据实际大气状况按国家标准GB6072.1-2000《标准基准状况、功率、燃料消耗和机油消耗的标定及试验方法》中功率的修正公式计算，其计算公式如下：

c=■=k+0.7（k-1）（■-1）

k=（■）m·（■）n·（■）q

上两式中：

c——大气状况功率修正系数；

Ne——有效功率，kW；

k——柴油机指示功率比；

ηm——柴油机的机械效率；

p——大气压力，kPa；

？准——相对湿度；

psw——饱和蒸汽压力，kPa；

？准·psw——水蒸汽分压，kPa；

T——环境温度，绝对温度，K；

Tc——中冷器冷却介质进口实际温度，K；

Tco——中冷器冷却介质进口设计温度，K；

a——可调油量法功率校正系数；

m、n、q ——功率校正用指数。

上两式中，除Tco外，有脚注“o”的为标准大气状况下的数值，没有脚注“o”的表示实际大气状态下的数值。

对于非增压柴油发电机组，参照GB/T6072.1-2000表3中公式参考代码A，指示功率比k的计算公式为：

k=（■）·（■）0.75

由GB/T6072.1-2000中附录B表1查得，大气压力100kPa、环境温度25℃（298K）、相对湿度30%下，水蒸汽分压？准·pswo值为0.94。

（a） 在大气压力100kPa、环境温度为35℃，相对湿度为60%下，水蒸汽分压？准·psw值为3.36。

k=（■）·（■）0.75=（■）·（■）0.75=0.952

机械效率ηm=0.92

由GB/T6072.1-2000中附录B表1查得，此时大气状况功率修正系数c=0.945

（b） 在大气压力100kPa、环境温度为40℃，相对湿度为60%下，水蒸汽分压？准·psw值为4.44。

k=（■）·（■）0.75=（■）·（■）0.75=0.93

查表（同（a））得，此时大气状况功率修正系数c=0.914

（c） 在大气压力100kPa、环境温度为45℃，相对湿度为60%下，水蒸汽分压？准·psw值为5.78。

k=（■）·（■）0.75=（■）·（■）0.75=0.906

查表（同（a））得，此时大气状况功率修正系数c=0.892

（d） 在大气压力100kPa、环境温度为50℃，相对湿度为60%下，水蒸汽分压？准·psw值为7.38。

k=（■）·（■）0.75=（■）·（■）0.75=0.881

查表（同（a））得，此时大气状况功率修正系数c=0.871

表2为温度对机组功率修正系数的影响。

表2 温度对机组功率修正系数的影响

可见，当温度每升高5℃时，柴油机的额定功率修正系数下降2～3%。

2.3 不同温度下机组输出功率计算

由表1可知，柴油机冷却风扇消耗功率Np=24kW

根据机组实际输出功率计算公式：

P={Ne[c-（1-c1）]-Np}×ηF

可得当机房温度升高时机组的输出功率变化情况，见下表3。

表3 大气状况变化下的机组输出功率

3 柴油机运行条件分析

根据上述计算可以得出，环境温度对于柴油机的输出效率有着明显的影响。在实际运行中，厂房环境温度随着气候、工业条件的变化会发生明显的变化。为了保证柴油发电机的稳定运行，在实际运行中必须要严格控制厂房温度，从以下几点入手，保证柴油机的稳定运行：

（1）加强厂房通风，核电厂应急柴油发电机组所在的厂房基本为密封性厂房，必须设有专门的通风系统保证厂房通风。通风系统在设计上应该遵守单一故障准则，并考虑冗余度。通风系统应考虑设计冷冻水源，以保证在环境高温情况下的厂房温度。通风系统应考虑按照应急电源供电，如厂房现场无法装设通风系统，应考虑装设移动式制冷装置。

（2）合理布置柴油机位置。从上述分析可知，在电厂正常的厂房设计高度内（小于100m），柴油机所在厂房位置的高度对于柴油机的效率影响不大。考虑到水压试验泵应急柴油机承担的应急功能，必须考虑在海啸、地震等极端情况下保证柴油机的可用性，因此柴油机所在的位置可以适当设置的高一些，防止海啸时被水淹没。柴油机所在厂房应保证有足够的抗震等级，保证可靠性。

（3）加强厂房管理，在实际运行中严格控制柴油机所在厂房内的高温作业，厂房应考虑实体隔离，适当降低厂房内的环境湿度。

4 结束语

柴油发电机组在核电厂为水压试验泵提供电源是作为备用机组使用的，在容量选择时应采用机组的基本功率。在保证核电厂安全可靠性的前提下，准确地统计负荷，根据柴油发电机组的用途、运行时间、供电对象的特性经济合理地选择柴油发电机组的容量，并且在机组采购的过程中将要求切实地落实到制造厂的产品上是追求的目标。另外，为了保证柴油发电机组的输出功率，做好厂房通风也是很有必要的。

【参考文献】

[1]GB/T 6072.1-2000 往复式内燃机 性能 第一部分：标准基准状况，功率、燃料消耗和机油消耗的标定及试验方法[S].

[2]GB/T 2820.1-1997 往复式内燃机驱动的交流发电机组 第1部分：用途、定额和性能[S].

[3]工业与民用配电设计手册[M].中国电力出版社，2005.

[4]JBJ 16-2008 民用建筑电气设计规范[S].

[5]柴油电站设计手册[M].中国电力出版社，1997.

[6]NEMA MG1， 32.18.5.3. Standard for Motors and Generators[Z].

[责任编辑：汤静]

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