核电厂应急柴油发电机替代问题

邵家泉，董玉领，傅仁浦，李开盈，邱 磊

（中核核电运行管理有限公司，浙江嘉兴 314300）

0 引言

应急柴油发电机通常作为核电厂应急电源的标准配置，是保证电厂应急电源安全的核心设备，保证其备用能力是核电厂必须面对的问题。目前国内核电厂以二代改进型的M310 堆型为主，在对柴油机的配置设计时一般仅考虑到常规维修导致的短期停运，并未考虑应急柴油机可能发生长期缺失的问题。2017 年以来，国内已经发生过5 次柴油发电机重大机损事件。

尽管堆型不同，核安全的总体要求是一致的，任何核电厂均需要考虑设计基准事故状态下的孤岛运行情况。在这种情况下，核电厂需要确保自身的应急电源能快速启动并提供持续稳定的电源供给，确保核电机组安全停堆及停堆后的余热导出。应急电源可靠性是核电厂安全评价的关键指标之一。目前现有的核电厂中，其应急电源基本为大型柴油发电机组。因此，保证应急电源的可靠性就要求保证应急柴油发电机的备用能力。

1 国内商用核电机组的应急柴油发电机现状

广义上的应急柴油发电机应包含所有提供应急功能的柴油发电机，包括每台核电机组配置的专设柴油发电机，也包括机组公用的附加柴油机及应急柴油发电车等柴油发电装置。狭义的应急柴油发电机指每台核电机组单独配置的柴油发电机，直接为本核电机组对应的应急母线供电。

实际上，根据设计规范的不同，核电机组的配置也有别的架构，机组柴油机的配置也不尽相同。传统意义上的应急电源供给的柴油发电机（EDG），非安全级备用的柴油发电机（SDG）则不执行安全功能。

目前，国内的核电厂一般属于濒海场址，且多为多个反应堆集中在很小地理范围内的群堆场址。在役电厂以M310 堆型为主。M310 堆型的应急柴油发电机一般为EDG，具体配置为：一台核电机组配备两组应急柴油发电机（简称正常柴油机），分别连接在机组的两条应急母线上。电厂范围内设置附加柴油机，通过电气切换，替代电厂中任意一台应急柴油机与其对应的应急母线进行连接。附加柴油机的设计目的主要应对SBO（全厂断电）工况下，正常设置的安全电源不能在规定时限内恢复，则需要通过附加柴油机来保证恢复对核辅助设施的供电。

因附加柴油机并不直接作为一列应急电源，仅仅为正常应急电源不能及时恢复情况下的临时备份，其整体设计等级一般低于应急柴油机。考虑到SBO 工况纵深防御需求，电厂也需要维持附加柴油机的备用功能。现今附加柴油机还不能长期替代正常应急柴油机，仅允许短时替代。根据现有规范，任何一组正常柴油机发生故障导致不可用，允许恢复时限为3 d，若使用附加柴油机进行替用，则时限为14 d。核电机组运行期间一旦正常柴油机停运时间超出上述时限，该核电机组必须进行状态后撤。

2 面临的问题

应急柴油发电机作为核电厂事故情况下的应急电源这一属性，要求在核电机组功率运行期间需一直维持在随时可用启动的备用状态。仅在定期试验等一些特殊条件下，允许短时间置于非完全备用的状态，同时记录电厂运行限制，并纳入WANO（World Association of Nuclear Operators，世界核电运营者协会）考核指标的统计。

国内核电厂选用的柴油机一般为世界上已成熟稳定的机型，同时电厂一般也会严格要求按照柴油机制造商的要求进行定期维护。因此，理论上核电厂的柴油机一般不会发生重大故障。设计院在对柴油机的配置设计时仅考虑了短期故障不可用的情况。实际上国内的核电厂从1991 年首台机组开始运行，至今应急柴油机也确实并未出现严重故障。但是，自2017 年以来，先后出现了多起核电机组柴油机严重机损事件。幸运的是，EDG发生机损的电厂正在进行扩建，通过拆借其扩建项目还未发电的核电机组中的柴油机完成了在役机组柴油机功能的恢复。SDG 的柴油机则备用了整机备件或厂家恰好备有了完整的备件，故障后及时完成了替换。因此，几起柴油机重大机损故障未对在役的核电机组产生长时间停运的重大影响。

但是，在役电厂需要考虑应急柴油机出现重大机损导致长期失去功能的情况，而现有配置并不满足这种状况。问题的核心在于应急柴油机因某些原因需要较长时间退出的情况下，如何快速恢复设计所需的完整的应急电源能力问题。

3 应急柴油发电机的替代

应急柴油机的退出本质上是存在某些问题，导致整个系统的局部或全体功能不能实现原设计要求。因此，恢复其功能的主要解决方式转变为“修复”缺陷和“替代”失效部分。单纯从恢复时间角度考虑这两种方式，从现有的工程实践可以明确，当设备或系统局部出现较大问题时“替代”的方式明显要快于“修复”。在应急柴油机系统中，柴油机是最为核心的一个设备，也是最复杂、价值最高的单一设备，其恢复时间基本上决定了整个系统的恢复时间。本文将针对柴油机，按“替代”的逻辑探讨两种可行方案。

3.1 整机替代

该方案主要内容是备用同型号的柴油机整机备件，具体操作方式有：各电厂单独购买整机，多电厂联合购买整机或向租赁服务提供商租赁。目前国外的核电厂，特别是欧洲核电机组，电厂之间或电厂与柴油机厂家的距离相对较近，整机的调运速度完全可以满足电厂安全要求。因此，整机替代是其较为常用的方案。

国内电厂由于核电机组堆型不同，设计功率也存在较大差异，对应配置的柴油机功率也存在较大差异，即使是同型号柴油机也不能很好的实现互换。租赁服务提供方必须备用多种型号的柴油机，导致前期投资大，备用机周转率低，非租赁期间的维护费用高的问题，继而必然导致租赁服务收费较高。从国内电厂角度看，采用租赁方式仍然是最经济的，但是经济性并不突出。该方式的替换活动受限于租赁服务商提供备机的能力，缺乏灵活性。此时，电厂也就面临着因该情况导致的发电机组进入技术规格书限制从而发生较大的发电损失的风险。即租赁方式较为经济，但是面临无法及时获得备用机的风险。

根据国内电厂实际情况，从电厂自身的角度，特别考虑紧急替代需求时，无疑由各电厂自备各自机组对应整机的方式最有保障，这种方案同时还具备管理流程简单的优势。但是缺点也很明显，即经济性差。备用的柴油机需要占用较大的金额且整体利用率非常低，备用的整机仓储要求较高并且需要定期维护，长期存放后的状态是否能保持在较高水平也存在不确定性。

租赁方式和电厂自备作为备机替用方案的两个极端，优缺点都很突出。从管理的角度，在风险可接受的情况下选择费用最小的方案才是最优方案。针对如何备用备机，可以从集团层面或者电厂联合体方式，根据合理的风险水平进行评估，联合按机型备用一定数量的整机备件，根据电厂的现场需求进行相互调配。

采用备机策略的整体替换方式，整个替换过程仍然需要几周的时间。对电厂而言，虽然消除了长期发电损失导致的经济损失的风险，但是仍然存在因替换过程导致的短时发电损失问题。实际上，替换过程中的发电损失仍然还是一个很大的金额。采用备机的策略可能并非为电厂期望的最佳选择。

3.2 设置备用应急柴油机

根据现有的电源设计，应急柴油机的直接用户是对应的应急母线，在进行附加柴油机替代该列的应急柴油机时，附加柴油机的直接用户也是该应急母线。那么，如果以该应急母线这个用户来说，接受的产品是提供符合应急电源设计要求的稳定供电，只要供方能满足设计需求，由哪个供方实际提供则并不关注。根据该思路，正常的应急柴油机系统（包括其支持系统）整体上是一电源组模块，当其功能失去后，如果能替换上一个同标准的电源组模块，这样的替代也是可接受的。即：在现有采用M310 堆型的电厂中，在配备正常附加柴油机基础上，新增一套备用应急柴油机系统，其主机及包括厂房、设备、管沟、电缆、连锁钥匙装置、实体保卫等在内的各辅助单元均按应急柴油机同标准进行设计及建造，使新增的备用应急柴油机在配置上完全等效正常应急柴油机。因其设计标准与应急柴油机完全相同，通过电气连接方式切换接入任何一台应急柴油机对应的应急母线，实际上完成对该列应急柴油机的完全替代。

该替代方式有明显优点，替代时间仅仅是电源的切换过程和替换完成后验证可用性的试验所需时间的总和，远远低于更换整台柴油机的方式。在现有的规定时限内就能够实现，从而不会影响对应核电机组的运行。同时，因在现有柴油机配置基础上增加了一台应急电源组模块，在该模块未进行替换时，对应电厂的应急电源整体而言，是增加了一列冗余，即增加了电厂的整体安全配置，提高了安全性。另外，只要电厂各正常应急柴油机的检修计划排定合理，通过把新增的电源组模块按计划进行替代正常应急柴油机的操作，可以实现在核电机组正常功率运行期间切出一列应急柴油机进行维护和维修工作，大大提高正常柴油机的可维护性。作为企业，追求效益是其根本的使命，在保证安全性的前提下，提高核电厂的效益最有效的方式就是提高机组的发电时间，其中的一个方向就是如何优化机组大修管理来实现缩短机组停机时间。现有的应急柴油机因规范要求所限，目前只能安排在核电机组大修内执行。若通过新增备用应急柴油机系统方式把正常应急柴油机检修窗口调整至平时的功率运行期间，那么对机组大修活动的优化安排提供较大的支持，从而给电厂带来实际的收益。对群堆厂址的电厂，收益尤为显著。

该替代方式的缺点为一次性投资成本高，因涉及与在役设备的连接，施工复杂，施工及试验排期困难。同时由于引入了新的冗余柴油机，在新增备用应急柴油机未替换至正常柴油机时的试验要求需要对现有技术规范进行大范围修改，周期较长。

综合各种因素，采用备用应急柴油机系统的方案较其他替代方案仍具有明显优势，是现有法规及监管要求下解决面临问题的一个优解。

4 总结

（1）在核电厂应急柴油机的配置设计时，应该考虑单台柴油机可能出现较长期的缺失情况。现有M310 堆型的电厂中设计应急备用柴油机是一种新的思路，可以很好地解决目前核电厂可能发生的正常柴油长期缺失的问题。

（2）新增的备用应急柴油机作为现有应急电源的冗余，在不进行替换正常应急柴油机时提高了整个电厂应急电源的安全性。通过使用替换操作，可以把应急柴油机的检修工作安排至机组运行期间执行，为优化大修工期提供帮助。这不仅对M310 堆型有利，对柴油机为EDG 功能的其他核电堆型同样有所帮助。

（3）新建的核电机组，应从全首期角度分析，在设计阶段就考虑增设备用柴油机问题，能获得最大收益，同时在群堆厂址中收益尤为显著。