核电厂增设SBO 轴封注水泵柴油发电机改造

      反应堆冷却剂泵（主泵）是核电厂的重要设备之一，大部分在役核电厂的反应堆冷却剂泵选用的是轴封泵。设有主泵轴封水注入系统，并由设备冷却水为泵机组提供冷却，以保证主泵正常运行。主泵轴封水注入依靠化学和容积控制系统完成，该系统设置两台离心式上充泵，为主泵提供轴封注水并收集主泵密封泄漏流，该系统还设有往复式上充泵用于水压试验，必要时也可为主泵提供轴封水。离心式上冲泵由主交流电源供电；丧失主交流电源时，离心式上充泵由安全级应急柴油发电机供电。在发生全厂断电（SBO）事故工况时，电厂交流电源全部丧失，包括应急柴油发电机。此时，轴封注水和设备冷却水同时丧失，主泵轴密封直接与高温高压的反应堆冷却剂接触，将在较短时间内由于高温损坏，冷却剂从轴封处泄漏，形成LOCA。为了防止在SBO 事故工况下，主泵轴封泄漏，需要设置能够在SBO 工况使用的轴封注水系统。
      某在役核电厂原有主泵轴封水注入系统设有两台非核级往复式上充泵，由主交流电源供电，用于反应堆冷却剂系统的水压试验和必要时提供主泵的轴封水。系统改造拟将其中一台替换为非核级轴封注水泵，在SBO 事故工况下供应主泵轴封水。在SBO 事故工况，操纵员能够在主控制室手动启动SBO 轴封注水泵，该泵应能至少连续运行8h。但在SBO 事故工况下，电厂交流电源全部丧失，新增的轴封注水泵需要重点考虑SBO 事故工况下的运行动力问题。
      一、设计方案
      1、方案描述
      鉴于新增的非核级轴封注水泵及其相关阀门要求在电厂交流电源全部丧失的情况下能够运行，则有两种可行的技术方案。
      方案A：借鉴柴油机驱动辅助给水泵的设计经验，轴封注水泵采用柴油机驱动泵的形式，阀门电装由柴油机泵同轴驱动的发电机供电。
      方案B：设置专用的400V/50Hz 柴油发电机组，为新增轴封注水泵及相关电动阀门供电。
      2、方案选择
      两种方案应用到在役核电厂改造中，各自体现出不同的优缺点，如表1 所示。
      
      3、方案确定
      原有往复式上冲泵安装在核辅助厂房—14m层，如果采用方案A，根据工艺需要，新增柴油机泵配同轴发电机安装在此房间。为柴油机进排气需要，原有厂房需要新增大面积进、排风百叶和竖井，而在抗震I 类厂房大面积的开洞会严重影响厂房的抗震性能，重新修建进、排风竖井技术上也难以实现，因此方案A可实施性差。
      方案B“专用的柴油发电机组方案”所采用设备技术成熟。柴油发电机和泵可以分开布置，不破坏原有厂房结构，因此方案B 较好。
      本改造拟增加“非核级电动轴封注水泵”，该设备由380V/3相/50Hz 交流电动机驱动，设备布置在核辅助厂房—14m 层；新增“SBO 轴封注水泵柴油发电机” 采用400V/50Hz 固定箱式柴油发电机组，考虑到福岛事件影响，柴油发电机布置在厂址高位平台上。另外，还要对主控制室盘台进行相应的改造，设置新增轴封注水泵、阀门、柴油发电机的控制按钮。
      二、容量计算
      1、负荷分析
      SBO 轴封注水泵柴油发电机加载的主要负荷是SBO轴封注水泵电动机、轴封注水泵入口阀电装以及相应的控制箱等设备。
      SBO 轴封注水泵电动机为380V/3 相/50Hz 交流电动机，功率约为160kW。
      轴封注水泵入口阀电装为380V/3 相/50Hz 交流电动机，功率为0.37kW，如表2 所示。
      
      2、柴油发电机组容量计算
      SBO 轴封注水泵柴油发电机加载的主要负荷是SBO轴封注水泵电动机，处于保守考虑，假设电动机直接启动电流为额定电流的6.5倍。为了减少SBO轴封注水泵电动机启动对于柴油发电机组的冲击，启动方式拟采用星－三角或软启动（限制启动电流2.5 倍）。
      在SBO 事故工况，操纵员在主控制室手动启动SBO轴封注水泵柴油发电机，手动操作打开轴封注水泵入口阀，确认阀门打开后，再手动启动SBO 轴封注水泵。此时，入口阀电动装置动作结束，柴油发电机接近空载状态，则所选柴油发电机组应能承受突加轴封注水泵电动机启动瞬态冲击，其瞬态性能应满足所加载负荷运行的需要。而由表3 计算可知，SBO 轴封注水泵电动机启动有功最大为122.6kW。
      
      注：该设备为短时负荷，不计入总容量统计。
      假设所选机组平均有效压力为2.0MPa。根据GB/T2820 标准的要求，得到机组第1步突加负荷指导值P%是40%，而按照保守考虑柴油发电机应该承受122.6kW假设所选机组平均有效压力为2.0MPa。根据GB/T2820 标准的要求，得到机组第1步突加负荷指导值P %是40%，而按照保守考虑柴油发电机应该承受122.6kW的电动机启动功率冲击，则所选柴油发电机组功率至少为307kW。
      而由于柴油发电机的长期运行限制，柴油发电机最低带载率为至少40% 额定输出功率。则所选柴油发电机组的额定容量不能超过450kW。表4为CUMMINS公司满足此307~450kW 功率范围内产品信息。
      SBO轴封注水泵柴油发电机要能承受122.6kW的电动机启动功率的冲击，依据表4的数据进行复算，C440D5和C450D5e型柴油发电机不满足要求，C500D5e和C550D5e机型满足要求。
      
      3、加载时电压降校验
      SBO 轴封注水泵柴油发电机加载的最大单个负荷为一台160kW的电动机，起动压降要求小于15%。发电机直轴暂态电抗为0.16时，其容量应大于453.3kVA，以满足加载时电压降要求。
      C500D5e机型的柴油机和发电机满足初步估算要求，但其SHUNT励磁方式的机型电压降为20%，不满足要求，而采用PMG励磁方式的HCI534/544C发电机满足启动电压降15% 的要求，其对应的柴油发电机组C500D5e满足要求。
      对于C550D5e 机型，采用PMG励磁方式的HCI534/544D发电机电压降为13%，满足要求。本工程为确保SBO轴封注水泵柴油发电机能够可靠加载水泵运行，选择了C550D5e柴油发电机组。
      三、箱式柴油发电机组成
      固定箱式柴油发电机为非1E级、非抗震类设备，由柴油发电机组（包括供油系统、底座和/ 或独立油箱、启动系统、冷却系统、进气系统、排烟消声系统、降噪系统等）、箱体、充电与配电设备、试验负载接口以及配套辅助设施（进排风、接地、消防、照明等）部分组成。
      1、起动系统
      柴油发电机组采用24V DC电起动方式，采用阀控式密封铅酸蓄电池，在蓄电池充满电后断开充电电源其容量能保证机组连续起动6次。机组运行时，由柴油机驱动的充电发电机对启动蓄电池进行浮充；在机组停止运行时，通过箱式柴油发电机上配置的厂用电充电装置，向发电机组蓄电池进行充电，维持蓄电池处于满充状态。
      2、燃油系统
      箱体内部设置油箱，其容量满足柴油发电机组满功率运行8h以上。油箱预留日常加油管接口，允许运行时在线补充燃油，箱式柴油发电机设置电动补油装置及补油接管，当需要补油时可通过该接管向机带油箱在线补油；为避免过补油，机带油箱设置液位指示以及高、低液位报警装置。
      3、试验负载
      参照IEEE387 等相关标准的要求，为确保SBO轴封注水泵柴油发电机的可靠性和可用性需要进行定期带载试验。而常规的月度试验并非加载SBO轴封注水泵，而是采用试验负载进行带载试验。试验负载采用干式交流阻性负载，采用强制风冷冷却方式。
      四、结束语
      本文提出的增设SBO轴封注水泵柴油发电机方案，目前改造已实施完毕，经过与SBO轴封注水泵、泵进口阀门等系统的联调试验，系统已通过验收并投入运行，满足国家核安全局提出的整改要求。在施工、调试过程中，本方案充分体现出了安装快速、技术成熟的特点，该方案对其他在役核电厂的相关系统改造具有借鉴意义。
      作者：胡炜亮 苏成 朱立群  上海核工程研究设计院