低溫廠址柴油發電機組防凍優化設計

深圳中廣核工程設計有限公司 郭 偉 陳振洪

柴油發電機組是核電廠最后一道電力屏障，用于在事故狀態下為電站提供緊急電力。當廠外正常電源全部喪失的情況下，柴油發電機組在規定的時間內啟動供電，維持反應堆核心功能和安全停堆，守護核電機組“心臟”的作用。某核電廠地處我國北方寒冷地區，廠址氣候條件中低溫的特點是其有別于其他核電廠的最大技術差異項，保證柴油發電機組在低溫環境下的穩定運行，對機組安全可靠運行有重要的意義。

1 防凍分析

柴油發電機組主要分為主機和五大輔助系統，主機防凍要求主要由供應商來完成設計。本文主要針對五大輔助系統進行分析，柴油發電機組五大輔助系統為：燃油系統、潤滑油系統、冷卻水系統、壓縮空氣啟動系統和進排氣系統，對于各輔助系統中的防凍要求分析如下[1]。

一是燃油系統。燃油系統的主要功能是為柴油機提供柴油。根據《普通柴油》（GB252-2015），柴油的選用需根據各地區風險率為10%的最低氣溫來選擇，選擇原則如下：-10號普通柴油：適用于風險率為10% 的最低氣溫在-5℃以上的地區使用；-20號普通柴油：適用于風險率為10% 的最低氣溫在-14℃以上的地區使用；-35號普通柴油：適用于風險率為10% 的最低氣溫在-29℃以上的地區使用；-50號普通柴油：適用于風險率為10% 的最低氣溫在-44℃以上的地區使用。柴油機對柴油粘度和閃點有要求，在選擇燃油牌號時，需要考慮柴油粘度和閃點適用性問題。燃油系統的防凍設計主要需要考慮燃油牌號的選擇。

二是潤滑油系統。潤滑油系統包括柴油機預潤滑回路和潤滑油主回路。柴油發電機組處于熱備用運行工況時，預潤滑回路對柴油機本體進行預潤滑，以保證柴油發電機組在接到啟動指令在規定的時間內能夠達到額定電壓和頻率；柴油發電機組處于正常運行工況時，潤滑油主回路為柴油機本體內部機械運動部件提供潤滑油。柴油機的運行對潤滑油的粘度有要求，根據柴油機性能要求，一般要求潤滑油的預熱溫度至少45℃以上。潤滑油系統防凍設計主要需要靠廠房保暖。

三是冷卻水系統。冷卻水系統包含高溫冷卻水系統和低溫冷卻水系統，高溫水系統包含高溫水預熱回路和高溫水主回路。柴油發電機組處于熱備用運行工況時，高溫水預熱回路對柴油機本體進行預熱，以保證柴油發電機組在接到啟動指令內能夠達到額定電壓和頻率；柴油發電機組處于正常運行工況時，高溫水主回路和低溫冷卻水系統對柴油機高溫機械部件進行冷卻。冷卻水吸收柴油機高溫部件的發熱量，然后循環至風冷散熱器，通過風冷散熱器吸入的室外空氣對冷卻水進行冷卻降溫。

冷卻水系統中關鍵設備——風冷散熱器采用的是風冷式，廠房必須與大氣相通，無法通過廠房保暖來實現防凍設計。冷卻水系統的防凍設計主要考慮管道伴熱和冷卻液的配置。

四是壓縮空氣啟動系統。壓縮空氣啟動系統主要為柴油機提供高壓啟動用和低壓控制用壓縮空氣。在壓縮空氣啟動系統中防凍設計中，主要需要考慮壓縮空氣的露點，干燥器的露點需要低于廠房內保暖后的溫度。

五是進排氣系統。進氣系統主要為柴油機運行提供燃燒用空氣。排氣系統主要用于將柴油機氣缸內燃燒后的煙氣排出廠房，并對柴油機本體噪聲進行降噪。排氣系統無須考慮防凍問題。

進氣系統一般采用室內進氣和室外進氣兩種方式，即使是采用室內進氣，由于進量較大，難以通過暖通保暖的方式來保證進氣溫度，如進氣溫度過低，將會影響柴油機的燃燒特性。進氣系統防凍設計主要考慮進氣溫度問題。

綜合上述分析，在柴油發電機組的防凍設計中主要需要考慮如下問題[1]：廠房保溫，潤滑油系統和壓縮空氣啟動的防凍設計主要靠廠房保溫來實現；燃油牌號的選擇，燃油系統防凍設計重點需要考慮燃油牌號的選擇；冷卻水管道防凍，冷卻水系統的防凍設計主要考慮管道伴熱和冷卻液的配置；進氣防凍，進氣系統防凍設計主要考慮進氣溫度問題。

2 改進措施及效果分析

2.1 廠房保溫設計

根據柴油發電機組及其他輔助功能設備間的防凍要求，結合柴油發電機組在事故工況的使用情況，確定暖通系統防凍設計基準，其防凍設計主要控制目標如下：

一是維持柴油機間的環境溫度，滿足柴油發電機備用和運行期間溫度要求。

二是維持日用油箱間、潤滑油箱間、油罐間等房間最低溫度要求，保證柴油發電機備用和運行期間相關功能的可用性。

三是保持儀控、電氣房間和蓄電池間溫度在適宜范圍。結合防凍需求各廠房的設計溫度如下見表1。

表1 各廠房的設計溫度

2.2 燃油牌號的選擇

在《普通柴油》（GB252-2015）中，根據廠址風險概率為10%的最低氣溫有3個月低于-14℃，且高于-44℃，燃油牌號需選用-35#柴油。

根據柴油機供貨商反饋，柴油機廠房溫度為5～46℃，即在柴油機運行期間，其柴油機最高可達到46℃，由于柴油機至日用油罐的回油溫度相較進機溫度溫升約10℃，因此會導致日用油箱油溫升高，使得油溫高于-35#柴油閃點，因此存在柴油閃燃風險。同時由于-35#柴油粘度偏低，若采用該型號柴油，并保證柴油機正常運行，需要保證柴油機本體進機油溫保持在30℃以下，需要改善廠房通風措施，降低廠房內整體溫度。若維持目前的廠房溫度，（即柴油機本體進機油溫在45℃以下），需要采用粘度較高的-20#或-10#柴油。

保證柴油機本體進機油溫保持在30℃以下，主要需要保證廠房的溫度維持在30℃以下涉及房間有：主油罐間、日用油罐間、燃油管道間（-7.6m和-2.4m）、柴油機間，其中主油罐間、日用油罐間、燃油管道間（-7.6m 和-2.4m）房間本身無散熱源，目前的通風方案基本可保證房間溫度在30℃以下，全年約有5天左右無法保證。對于柴油機間，運行期間散熱量約為340kW，目前的通風方案無法保證，需要考慮空調降溫。

對于柴油機間空調降溫從設備供貨、布置和供電分析如下。

一是設備供貨，國內無成熟的安全級風冷冷水機組供貨經驗，存在供貨困難。

二是設備布置，應急柴油機廠房內部及周圍沒有風冷冷水機組的安裝位置空間，布置存在困難。

三是供電負荷，約新增122kW 的加載負荷，目前EDG 電負荷裕度為4.5%，剩余容量280kW，將會給加載帶來很大困難，對審評也有不利影響。綜上所述，改善廠房通風設施保證廠房溫度實施難度大。

對于柴油機選用-20#燃油從廠房保溫、補油、燃油特性和一致性等方面進行了分析，分析如下。

一是廠房保溫：目前相關通風設施能保證廠房平均溫度5℃以上，無影響。

二是補油：儲油、燃油運輸、在線補油均為室外作業，有析蠟和凝固風險。在燃油主油罐設計中，需要考慮試驗用油補油周期設計，建議至少考慮3個月補一次油，方便運行時可以避開極端低溫下補油。

三是燃油特性：柴油機對燃油特性的需求主要是閃點和粘度需求，-20#柴油閃點為不小于55 ℃，滿足柴油機要求，-20#粘度為（2.5-8.0mm2/s）滿足柴油機要求。

綜上分析，該核電廠選用-20#柴油滿足柴油機的運行要求。

2.3 冷卻水管道防凍

一是管道材質選擇，因在風冷散熱器間廠房和大氣相通。相關設備材料和管道材料需要考慮廠址的極端溫度情況，根據ASME 31.3-2012任何碳鋼材料對D 類流體工況都可使用的最低溫度須≥-29 ℃，若選用碳鋼材料需根據《Process Piping》（ASME B 31.3-2020表323.2.2要求補做沖擊試驗。

二是為防止冬季管道內介質結凍，設置電伴熱系統，保持管道溫度在結凍溫度以上。加熱元件的加熱功率與被加熱管道的直徑、保溫層厚度和最低環境溫度與最高流體溫度之差相匹配。

三是防凍液的配置，冷卻水防凍一般是在增加乙二醇進行防凍，乙二醇與水的比例對應的冰點見表2。

表2 防凍液冰點與乙二醇含量關系表

在紅沿河項目廠址的極端溫度為-31.6℃，可以選用乙二醇比例49.6%。

2.4 進氣防凍

由于主機進氣量大（約10.4m3/s），導致暖通系統無法保證空氣進氣溫度高于5℃的要求。為保證氣缸內的最大壓力始終保持在氣缸內燃燒時的壓力限值以內，在柴油機的增壓進氣系統上新增了減壓系統（DBV）來根據邊界環境（如進氣溫度、海拔）和機組的實際荷載調整燃燒用空氣的最大壓力。

減壓系統（DBV）主要包括以下三部分。

一是用于調節壓力的三個氣動閥（每個閥門的開關只有全開或全閉兩種狀態）。

二是從渦輪增壓器后引回增壓器前柴油機空氣入口處的增壓空氣用風道。

三是用于控制三個氣動閥的電子監測閥組，控制氣體來自增壓空氣冷卻器后面的空氣增壓系統。

通過此套系統， 可以保證柴油機在-40～+38℃的進氣溫度條件下，仍能滿功率運行，進入氣缸前的燃燒空氣的壓力不會大幅度上升，進而保證氣缸內的峰值壓力低于連接螺栓、缸蓋和曲軸箱等設備部件的最大設計壓力，延長了設備的使用壽命。

3 結論

一是在柴油發電機組的防凍設計中主要需要考慮，廠房保溫，燃油牌號的選擇，冷卻水管道防凍，進氣防凍。

二是在廠房保溫設計中，保持柴油機間、日用油箱間、潤滑油箱間、油罐間等房間最低溫度、電氣房間和蓄電池間溫度，保證柴油發電機組的正常運行。

三是在燃油牌號的選擇上，根據風險概率為10%的最低氣溫選擇牌號時，還需考慮燃油的粘度和閃點是否滿足柴油機運行要求。如選用的燃油牌號低于標準要求，在通過廠房保溫的同時，還需要在主油罐容積設計時，考慮定期試驗補油周期，建議至少3個月。

四是冷卻水管道防凍設計主要在于選用耐低溫的材料和選取合適的防凍液，電伴熱保溫。

五是進氣溫度防凍設計主要需柴油機主機廠家根據柴油機的燃燒特性配置進氣分配器。

六是柴油發電機組防凍措施對于后續在寒冷廠址柴油發電機組設計具有指導意義。