1、12PC2-6B应急柴油发电机组国产化研制 杨发慧 张玉兴 刘荣 周莉娜 杨浩 陕西柴油机重工有限公司 摘 要： 随着国产核电堆型“华龙一号”的推出, 对应急柴油发电机组 (以下简称 “EDG”) 功率和技术指标有了更高要求, “华龙一号”作为中国核电“走出 去”的主打品牌, 其对应急柴油发电机组的技术要求预示了该类设备的发展趋 势, 即大功率、高技术含量、高安全可靠性。为满足这一需求, 针对性的开发研 制国产大功率应急柴油发电机组十分必要, 因此公司以12PC2-6B型柴油机为原 动机, 开展 8 000kW 12PC2-6B 应急柴油发电机组的的国产化研制。该型 EDG的 国产化研制分三部
2、分, 即柴油机研制、系统成套设计和样机鉴定试验。EDG的研 发过程需要对诸多因素进行考核, 除满足最基本技术指标外, 还需对冗余设计、 程序带载、事故状态运行等复杂情况进行考虑。各项数据表明国产化研制的 12PC2-6B 应急柴油发电机组性能和技术指标均能满足核电站的需要, 可以在 “华龙一号”核电站进行推广使用。 关键词： “华龙一号”; 应急柴油发电机组; 国产化; 成套设计; 作者简介：杨发慧 (1984) , 男, 新疆沙湾人, 工程师, 学士, 现主要从事应 急柴油发电机组的设计和调试工作陕西柴油机重工有限公司西安电站工程分公 司调试服务部副主任, 12PC2-6B应急柴油发电机组主
3、设人员 (E-mail:) 。 Localization and Development of 12PC2-6B Emergency Diesel Generator YANG Fa-hui ZHANG Yu-xing LIU Rong ZHOU li-na YANG Hao Shaanxi Diesel Heavy Industry Co., Ltd.; Abstract： With the launch of domestic nuclear power technology HPR1000, there is higher requirement for power and techni
4、cal indicators of emergency diesel generator (EDG) , HPR1000, as the main brand for Chinas nuclear power “going out“ strategy, its technical requirements for EDG predicts the development trend of this kind of equipment in the future, which is high power, high-tech content, high safety and reliabilit
5、y.Therefore, it is necessary to develop highpower EDG to meet this requirement.And the medium speed diesel engine of 12 PC2-6 Btype is chosen as the prime mover to carry out study on localization of 8000 kW EDG.The study on development of this type of EDG is mainly divided into three parts, which ar
6、e diesel engine, system design and qualification test.During the study, many factors need to be considered, in addition to basic technical requirements, the redundant design, loading procedure and accidental operation are also taken into account.We used MATLAB, ANSYS, FIUIDFLO and other software to
7、simulate the conformance of the diesel engine and other auxiliary equipment, and performing the qualification test according to IEEE387-1995.The data indicated that the performance of 12 PC2-6 Bemergency diesel generator can meet the requirement of nuclear power plant and can be used for the HPR1000
8、 NPP. Keyword： HPR1000; emergency diesel generator; localization; system design; 近年来伴随着经济的快速发展, 全社会用电总量不断攀升, 用电高峰季节电量 短缺的情况时有发生, 同时由于多种原因的影响, 国内大气污染现象严重, 严 重影响国民身体健康, 因此, 大量发展清洁核电能源是保障我国能源供给, 维 护社会发展的战略选择。2014年, 公司签订了福清核电站“华龙一号”全球首 堆示范工程的EDG供货合同, 机组功率8 000kW, 公司选用12PC2-6B 型柴油机 作为原动机开展EDG 研制工作。 1 柴油机
9、设计 1.1 柴油机选型 “华龙一号”反应堆型要求 EDG持续电功率为 8 000kW, 结合项目现场的环境条 件, 初步选用 12PC2-6B柴油机作为原动机, 根据技术文件对该机型进行功率修 正1, 现场环境条件下的柴油机机械功率修正公式为: 式中:P 现场现场条件下的柴油机机械功率, kW; PISO标准环境下的柴油机机械功率, kW, PISO=720 (单缸功率) 12=8 640kW; 式中:T1现场最大环境温度, , T1=42; Teau空冷器冷却水进口温度, , 式中:h海拔高度, m。 其中, 如果 P095kPa, 则取P0=95kPa。 式中:P=|P1|+|P5|/1
10、.5 P11.5kPa (进气背压) , P52.5kPa (排气背压) 可知P4kPa, 则 取值为1。 综上, P 现场=8 6400.958 61=8 282kW 则现场条件下的柴油发电机组电功率为: 式中:发电机效率, =0.973 从计算结果看, 选用 12PC2-6B 型柴油机作为应急柴油发电机组原动机可满足功 率要求 (见图1) 。 图1 12PC2-6B型柴油机剖视图 Fig.1 The cutaway view of 12PC2-6Bdiesel engine 下载原图 1.2 机身研制 12PC2-6B 柴油机机身外型尺寸:长宽高=5 487mm2 947mm1 845mm
11、。如图 2所示。 图2 12PC2-6B柴油机机身 Fig.2 12PC2-6Bdiesel engine casing 下载原 图 缸孔中心距740mm, 缸孔V型夹角为45, A、B排缸孔中心距125mm;缸孔外侧 为凸轮轴腔, 最小壁厚 25mm;底脚板部位宽度 1 694mm, 厚度为200mm;整个铸件 轮廓尺寸大, 壁厚相差悬殊, 内外结构复杂, 毛坯重量为35t。 技术要求如下: 1) 材质:QT400-15A (GB/T 1348-2009) 或 EN-GJS-400-15U (EN1563-2011) ; 2) 机械性能:抗拉强度390MPa, 屈服强度250MPa, 延伸率
12、14%, 布氏硬 度:130185HBW; 3) 基体组织结构:铁素体90%, 石墨形态:+90%; 4) 尺寸:46级; 5) 化学成分:P0.1%, S0.02%, Ti0.02%。 从机身的技术要求、结构特点来看, 机身铸造主要难点在于: 1) 尺寸超差:机身外型尺寸大, 内部结构复杂, 尺寸精度要求高, 对工装、 模具 的保障系数要求高; 2) 质量要求高:容易产生缩孔、缩松、夹渣、夹砂、氧化夹渣等缺陷; 3) 机身浇注重量大, 需两包铁水, 浇注过程时间长, 易出现球化和孕育衰退, 按传统工艺方法生产, 很难达到文件要求的球化率。 通过采用缸孔面朝下的工艺方案, 设计合理可行的浇注方
13、案、 采用底注式开放性 浇注系统, 内浇道分散注入, 减小金属液对铸型冲击力;充型平稳, 机身的缸 孔、凸轮轴、主轴承等重要部位的补缩和整个型腔的排气通畅, 有利于保证浇注 质量;机身底脚板、 主体坭芯之间设计冒口, 提供机身液态补缩和部分凝固补缩, 并配合适当的工艺冷铁, 有效消除了缩孔、 缩松缺陷, 保证了整个机身的内部质 量。 通过采用优质生铁, 合理确定生铁、各种原材料配料及原铁水化学成分。选用高 质量球化剂及孕育剂, 设计延长球化及孕育反应时间的装置, 制定有效的球化 和孕育工艺, 延长球化及孕育反应的时间, 多包浇注并合理分配铁水重量及把 握最佳孕育时机, 防止球化和孕育衰退, 保
14、证了球化及孕育效果, 从而达到了 技术文件对机身球化率的要求。 2 发电机设计 EDG是为核电厂提供应急电源的设备, 发电机在规定的环境条件和地震载荷下, 在规定的事故期间和事故后都能安全、可靠地启动和运行。发电机选用无刷交流 同步发电机, 遵循 IEC60034标准, RCC-E标准及 ISO标准。发电机采用自带风 扇的风冷式冷却, 内部装有防冷凝电加热器, 发电机安装一套轴承, 轴承采用 自润滑方式, 轴承上装有铂电阻温度传感器。 发电机励磁系统采用无刷励磁方式, 由一个旋转主励磁机和一个安装在主发电机轴上的永磁式发电机 (PMG) 组成。 发电机励磁系统在自动电压调节器 (AVR) 的控
15、制下运行, AVR系统在孤岛模式 和并网模式下均可使用。 3 机组轴系设计 机组轴系设计是保证机组正常运行的关键步骤, 因轴系设计不合理而导致轴系 扭转应力过大损坏轴系的事例已屡见不鲜。 柴油机是一种往复式机械设备, 曲轴 承受一个周期性激振力矩, 该力矩是轴系发生扭转振动的能量来源。 轴系按激振 的频率进行强制振动, 当强制振动的频率与轴系固有频率相同时就会发生共振 现象, 当轴系的应力超过曲轴许用应力时可能会发生曲轴断裂事故。 而应急柴油 发电机组要求在短时间内启动并迅速加载, 对轴系的冲击更大。 12PC2-6B 机组的柴油机和发电机采用刚性连接, 无联轴器, 对整个轴系进行扭 振应力计
16、算, 结果见表 1。 表1 自由振动计算结果 Table 1 Calculation results of rree vibration 下载原表 机组轴系强迫振动的计算是在频域下采用解析法进行, 分为正常发火和单缸熄 火两种情况 (见表 2) 。 表2 强迫振动计算结果 Table 2 Calculation results of forced vibration 下载原表 通过计算得知, 该机组在正常发火和单缸熄火的状态下, 曲轴的应力都低于规 定的许用应力。 4 机组隔振设计 根据技术要求, 机组需要进行隔振, 机组振幅小于 0.5mm2。因此, 对该机组 进行隔振设计, 机组使用弹簧阻
17、尼隔振器安装在基础上。 通过分析机组隔振系统 的固有特性, 计算固有频率及振型, 避免激励力频率达到固有频率而产生共振。 计算各阶模态下的阻尼比, 进一步校对各阶模态对于机组振动的贡献量以及隔 振系统的隔振效率。 计算各个转速下机组质心的振动响应情况以及减震器安装点 的振动响应情况3。EDG隔振计算坐标系的选择如图 3所示。 图3 12PC2-6BEDG隔震计算坐标系 Fig.3 12PC2-6BEDG isolators coordinates 下载原图 把柴油机与发电机看成整体质量, 刚性安装在筏架上, 筏架与基础之间有 24个 减震器, 6个阻尼器, 以xoz平面呈对称分布。质量质心以及
18、各减震器、阻尼器 参数如表3所示。 表3 质量参数 Table 3 Quality parameters 下载原表 表4 隔震参数 Table 4 Isolation parameters 下载原表 (1) 模态分析 该隔振系统有6个自由度, 即沿3个坐标轴的平动 x、y、z, 绕3个坐标轴的转 动、。如表 5所示。 表5 模态分析结果 Table 5 Modal analysis results 下载原表 表5 模态分析结果 Table 5 Modal analysis results 下载原表 (2) 机组响应 柴油机的额定转速为 600r/min, 额定功率为 8 640kW。在额定转速
19、下的激励力分 别为: 在各个转速下的力和力矩为:F= (N/Nn) /Fn, 式中F为各转速下的力与力矩;N为 转速, Nn为额定转速;Fn为额定转速下的力与力矩。 (3) 机组总体质心响应 不同转速下机组质心响应如图 4、图5所示。 图4 不同转速下机组质心沿坐标轴三个方向的位移 Fig.4 Forced vibrations-Genset COG-displacements 下载原图 图5 不同转速下机组质心绕坐标轴三个方向的角位移 Fig.5 Forced vibrations-Genset COG-angular displacement 下载原图 (4) 2号、23号减震器响应 根据
20、隔振计算结果, 机组在300600r/min过程中, 机组的振动远小于技术规范 要求。如图6、图7 所示。 图6 2 号减震器安装点沿坐标轴三个方向的位移 Fig.6 Forced vibrations-mount No.2-displacements 下载原图 图7 23 号减震器安装点沿坐标轴三个方向的位移 Fig.7 Forced vibrations-mount No.23-displacements 下载原图 5 公共底座设计 该应急柴油发电机组公共底座外形尺寸 (LWH) 为11 883mm4 050mm1 390mm, 总重量42.3t。 公共底座整体采用双层框架式结构。 该底座
21、支承部分由 4个大型工字钢组成, 同 时在其底部及两边辅以同样型号的三种短型型钢 (见图8部件3) 和钢板 (见图 8部件2) 予以结构加强, 构成整个底座最重要的承压部分。设计完成后, 需要 按照ASME III NF 分卷要求校核承压部件在最大载荷组合下的力学性能。 柴油机安装在两块95mm厚的钢板 (见图9部件12) 上, 柴油机的安装平面与工 字钢平面之间采用两块立板连接, 在其两边和内部各有筋板 (见图 9部件11) 对其进行加固, 以工字钢上平面为基准使用钢板焊接, 使其与四周形成一个封 闭的空间, 则为柴油机的油底壳。 图8 公共底座侧视图 Fig.8 Side elevatio
22、n of the pedestal 下载原图 1发电机区域底部加强型钢;2底部加强板;3加强型钢;4底座底部前后平 板;5底座底部左右平板;6阻尼器;7隔振器 图9 公共底座轴视图 Fig.9 Axial view of the pedestal 下载原图 1阻尼器;2底座左右平板;3吊耳;4外侧筋板;5内侧筋板;6隔振 器;7发电机侧加强筋;8发电机垫板;9底座后平板;10发电机区域内侧筋 板;11油底壳中间筋板;12油底壳上平板;13前立板;14管道法兰;15底 座前平板 油底壳外侧分别有两块立板, 支撑两块厚70mm 厚的平板, 这两块平板同自由端 的平板用于安装阻尼器、隔振器、滑油自净
23、式滤器、燃油自净式滤器以及管道支 架, 简化外部管道设计, 其与下底板之间均有筋板加强。 6 机组抗地震计算 按IEEE387-1995规范, 应急柴油发电机组需进行抗地震计算, 以保证在地震事 件过程中, 机组性能不降低, 机组抗地震计算按以下步骤进行: 1) 将机组作为一个整体, 根据当地地震响应谱计算地震通过隔振器对机组的响 应; 2) 建立柴油机、发电机、公共底座数学模型; 3) 根据已计算的机组响应, 利用有限元对柴油机、发电机进行受力分析。 机组抗地震分析主要分为 3部分, 第一部分将柴油机、发电机、公共底座作为一 个整体, 分析机组在地震发生时, 机组对地震反应波的响应情况, 同
24、时计算机 组在弹性安装时, 机组的自由震动频率, 根据机组对地震波的反应以及机器运 行时状态, 计算柴油机上一些悬挂部件的应力, 如增压器支架, 空冷器支架等; 第二部分主要是对柴油机的管系进行自振频率分析以及在地震响应及机组运行 状态下的受力分析;第三部分是对柴油机一些零部件进行等效应力分析4。 7 机械辅助系统设计 7.1 燃油系统设计 燃油系统主要是通过燃油主储油罐、燃油日用油箱、燃油输送泵等设备保障燃油 的正常补给和储存;通过机带燃油泵、燃油增压泵、压力调节阀等设备提供机组 正常运行所需的燃油流量和压力。 在机组运行时, 主储油罐中的燃油通过燃油输送泵输送至日用油箱。 燃油机带泵 从日
25、用油箱吸油向柴油机供油, 当机带泵故障, 燃油压力降低时, 燃油增压泵 自动投运, 以保证机组燃油的正常供应。燃油系统原理设计如下: (1) 冗余设计 为了提高机组可靠性, 对机组燃油回路进行冗余设计, 正常情况下有机带燃油 泵对机组进行燃油供给, 当燃油监测压力低于设定值时, 燃油电动泵回路自动 投入工作, 提高机组的可靠性。 (2) 防火设计 燃油油气具有较强的可燃性, 设计燃油系统时, 燃油主油灌以及日用油箱的通 气口不允许直接排至机房内, 必须通过管道引至机房外, 同时在通气管路上安 装阻燃器;在燃油日用油箱底部安装快速放泄阀, 在机房发生火灾时, 可以通过 放泄阀迅速将燃油放泄至主油
26、罐。 (3) 控制设计 燃油输送泵设置手动和自动两种模式, 当设置为手动时, 需要人工操作泵的起 停;当设置为自动时, 日用燃油箱液位控制燃油输送泵的起动。燃油增压泵设置 手动和自动两种模式, 当设置为手动时, 需要人工操作泵的起停;当设置为自动时, 燃油进机压力控制燃油增压泵的起停, 当燃油进机压力低于设定值时, 燃 油增压泵自动起动。 7.2 滑油系统设计 为保证机组的快速启动性能, 在柴油机处于备用状态时, 须设计一套连续预润 滑回路, 该回路流量大约为机组正常运行时滑油流量的 10%左右。由于预供滑油 系统为非核级系统, 在滑油主回路与预供油回路利用核级单向阀隔开。 在设计滑油油量时,
27、 须保证机组连续满功率运行 7d, 在油底壳上需要设计三个 报警点, 一个高液位报警点, 两个低液位报警点。 其中一级低液位报警作为提示 油底壳内油位已不能满足 7d运行的要求, 提醒操作人员及时补充油位;二级低 液位报警为停机报警, 告知机组油位已到警戒油位, 继续运行机组会发生故障。 滑油进机压力监测信号对于柴油机运行至关重要, 滑油压力低会导致机组故障, 为此在滑油压力监测设计时采取3取2逻辑设计, 防止由于压力传感器误动作而 发出错误的指令。 7.3 冷却水系统设计 水质的要求, 冷却水的水质将会严重影响机组的寿命, 水质较硬时将会在柴油 机的缸套外表面结垢, 导致散热性能降低。 在寒
28、冷地区还必须考虑在水中添加适 量的防冻液。 换热量设计, 根据现场的条件, 以及机组的特性计算机组换热量, 在计算时需 考虑由于防冻液的添加导致冷却水比热的变化, 在计算换热量后一般留 15%的 设计余量。 7.4 启动空气系统原理设计 (1) 冗余设计 在设计启动系统时, 必须考虑系统的冗余性, 从而提高机组的可靠性, 采用两 套独立的启动系统来起动机组, 即使在某一路系统发生故障时, 机组仍能在规 定时间内启动。 (2) 安全性设 压缩空气系统的压力较高, 一旦发生过压将会导致较为严重的后果, 所以在气 瓶以及减压阀后需要设计安全释放阀, 来保证系统的安全性。 (3) 系统隔离设计 由于压
29、缩空气系统中同时有核级和非核级设备, 所以用单向阀对这两类设备进 行隔离, 另外为了既要保证两套启动系统相互独立, 又要保证同时给超速保护气瓶和控制空气供应气源, 所以在超保空气瓶、 控制空气与两个空气瓶之间加单 向阀。 (4) 控制系统设计 空压机单元起停设计:空压机单元设置自动和手动两种模式。手动位置, 人工控 制空压机的起停, 为了安全起见, 当空气瓶压力达到设计值时, 空压机自动停 止工作;自动位置, 空压机的起停受空气瓶内压力控制, 当压力低于低设计值时, 空压机自动启动, 但压力达到高设计值时, 空压机自动停止工作。 超速 (紧急停车) 保护设计:该系统是用于在柴油机在紧急情况下快
30、速停车从而 保护柴油机, 超速保护设计分为 110%和112%两次保护。 8 电气辅助系统 电气辅助系统作为整个机组的核心执行着启动、停车、控制、调速及保护的关键 功能。这个“指挥中心”设计的合理性和可靠性是机组安全运行的有效保障。 在电气辅助系统设计成套开发过程中, 无论是方案、 原理设计还是设备选型都严 格遵循相关标准, 并以适用条款和工程通用技术规范作为指导依据。 电气原理设 计遵循RCCE-2005、IEEE384-2008、IEEE387-1995等标准, 确保了 1E/N1E回路 间的隔离;涉及机组安全运行的回路采取了冗余设计, 提高了系统的可靠性。 8.1 系统组成 根据IEEE
31、387-1995核电站柴油发电机组用柴油发电机组准则的规定, 应急 柴油发电机组的系统组成如图 10所示5。 图1 0 应急柴油发电机组系统组成图 Fig.10 Composition of the EDG system 下载原图 (1) 就地控制监测系统 由于核电厂对安全的特殊需求, 其对于技术成熟性和器件可靠性的要求远远超 过了先进性, 因此在本次“华龙一号”12PC2-6B应急柴油发电机组的研制过程 中, 对于启动、停车等安全级控制回路采用独立、可靠的继电器进行逻辑搭建, 非安全级的控制 (如预加热单元的控制、非优先级的启动连锁控制、高温水温度 高保护输出控制、所有报警信号的输出等) 采
32、用PLC的控制模式。而且, 所有模 拟量的信号均可输入PLC并通过通讯接口将该信息送入HMI, 通过可视化的界面 将应急柴油发电机组系统中油、水、气的温度、压力、液位等信息展示给操作人员, 并记录机组启/停、断路器的开/合、各种泵、空压机等的启、停状态;记录 当前及历史发生故障的内容、时间等。 (2) 速度调节系统 采用两路转速信号输入作为闭环速度调节系统的冗余设计, 有效避免了一路转 速信号失效而造成的系统失控。 (3) 励磁调压系统 该系统配置了双通道自动电压调节器 (AVR) , 一用一备。 具有手动和自动电压调节功能, 且手动和自动间切换不会引起调节器的故障。 同 时配置有电压调节系统
33、必须的保护, 如旋转二极管故障、 励磁机磁场电流过流和 欠流故障保护。 励磁回路中设置了机械联锁装置 (带钥匙) , 防止机组维修时由于意外启动对 人员造成伤害。 (4) 机械电气保护系统 安全级和非安全级的机械保护通过继电器的搭建和PLC的程序控制分别实现。 电气保护中非安全级的保护采用综保装置来完成发电机过压、过/欠频、差动等 的保护输出, 而仅对安全级的欠压保护回路采用独立的电压继电器来实现。 在应急运行工况下, 只有欠压 (三取二逻辑) 、 115%超速 (三取二逻辑) 和滑油 低压 (三取二逻辑) 保护停机会起效, 其余保护均只报警。 (5) 中压系统 中压系统主要配置了电压互感器、
34、电流互感器 (安装在发电机上) 用于给测量、 保护、励磁控制及同期并网提供电压及电流信号。 8.2 设备组成 根据各系统特点、 工程需求和功能关系, 确定电气辅助系统由以下设备实现应急 柴油发电机组的控制、保护及监测功能。如表 6所示。 表6 电气辅助系统设备组成 Table 6 Auxiliary electrical system 下载 原表 9 鉴定试验 EDG设备在成套设计完成后按照 GB/T28202008要求完成常规试验, 同时需按 照IEEE387-1995标准和相关采购技术要求完成鉴定试验, 已验证其性能满足核 电厂需要, 下面例举两个具有代表性的试验。 9.1 机组启动性能试
35、验 机组在两套独立的启动系统分别作用下能够连续启动5次, 并在12s内达到额定 电压和额定频率, 技术要求在 15s内达到额定电压和额定频率。如表 7所示。 表7 机组启动性能试验结果 Table 7 Results of the EDG startup performance test 下载原表 9.2 起动及带载可靠性试验 机组在接到启动命令之后, 15s 内达到额定电压和额定频率, 并突加 50%额定负 载, 试验连续进行 100次, 中间没有出现一次失败。 1 0 结论 12PC2-6B 应急柴油发电机组的设计理念和性能指标均能满足目标产品的技术要 求, 符合“华龙一号”全球首堆示范工程1E 级应急电源的要求。 参考文献 1孙培廷, 李斌, 杜荣铭, 等.船舶柴油机M.大连:大连海事大学出版社, 2008:24-29. 2往复式内燃机驱动的交流发电机组第 9部分:机械振动的测量和评价:GB/T 2820.9-2002S.2002. 3王臣臣.某柴油机发电机组隔振系统设计J.柴油机, 2016, 38 (5) :33-38. 4李黎明.ANSYS有限元分析实用教程M.北京:清华大学出版社, 2005. 5用作核能发电站备用电源的柴油发电机组的 IEEE标 准:IEEE387-1995S.1995:1-2.
