百万千瓦核电机组离相封闭母线采购技术要点分析

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【摘 要】强迫风冷封闭母线是一种用于百万千瓦核电机组的特殊的母线型式，技术复杂，国产化尚不成熟，若不了解其技术特点、采购要点，则无法制订出合理的采购策略，可能导致合同变更，费用难以控制。本论文针对采购时常遇到的问题，分析母线及附属设备技术特点、选型及市场状况，总结采购要点并给出对策以实现合理高效采购，控制采购费用。

【关键词】百万千瓦核电机组；强迫风冷离相母线；采购；技术要点

Procurement technical essential of Individual Phase Bus in 1000MWe NPP

TU Xin-shi JIANG Hui

（CNNC China Nuclear Power Engineering co.， Ltd. Beijing 100840， China）

【Abstract】Forced Air Cool individual phase bus is a special type bus that used in 1000MWe NPP. It is sophisticated product， and its localization is not mature. We can’t formulate a properly procurement strategy if we can’t understand its technical characteristics， that may lead to contract changes. To solve these problems encountered in purchasing， The article analyzes the specification， model selection and market condition of individual phase bus in 1000MWe NPP， summary procurement points， formulate procurement strategy to achieve a reasonable and efficient procurement.

【Key words】1000MWe NPP； Forced Air Cool individual phase bus； Procurement； Technical essential

0 前言

封闭母线是连接发电机与主变压器及高压厂用变压器的一组大电流传输装置。封闭母线按照冷却型式主要分为自然冷却和强迫风冷。强迫风冷离相封闭母线（以下简称“风冷母线”）是一种特殊的母线型式，国际上尚无相关标准，国内使用较少，技术复杂，与普通的自冷离相封闭母线差别较大。初次接触该设备的采购者，往往感觉比较陌生，对其设计选型、设备成套、以及市场状况不甚了解，而又无从了解。

如果对母线缺乏深入的了解，仅凭技术规范书进行采购，可能会遇到很多困惑和困难。笔者根据采购工作经历，总结经验教训，对风冷母线进行采购技术要点分析，并尝试给出应对方法，以期指导帮助后来者。

根据核电站的典型接线方式，离相封闭母线具体包括主回路母线、主变压器低压侧母线、高压厂用分支回路母线、电压互感器（PT）分支回路母线、发电机中性点回路母线等。其中主回路母线中间安装有发电机出口断路器。

1 选型分析

1.1 技术参数

以方家山核电工程为例，发电机组额定功率1089MW，额定电压24kV，额定电流29418A，最大电流30966A，全连式强迫风冷离相封闭母线额定电流33000A。

1.2 设备选型

1.2.1 母线选型

封闭母线额定电流大于8000A时，一般都采用全连式离相封闭母线，这是因为全连式封闭母线彻底解决了周围钢结构发热的问题，减少了相间短路的可能，同时离相封闭母线密封性能好，防护等级能达到IP65。

全连式封闭母线按冷却方式主要分两种，自然冷却（以下简称自冷）和强迫风冷（以下简称风冷）。在国际上离相封闭母线采用何种冷却方式并没有明确的规定或统一的标准，例如在欧洲额定电流大于25000A时封闭母线一般采用风冷，而在美国和日本额定电流大于15000时就采用了风冷。目前国内机组封闭母线额定电流不大于28000A时皆采用自冷。但为了降低封闭母线制造成本及加工难度，减少封闭母线的占据空间，以及具体工程母线布置尺寸的限制，国内大容量核电机组普遍采用强迫风冷离相封闭母线。

我们下面通过对自冷母线和风冷母线进行技术经济比较，来说明风冷母线的技术特点。

1）技术比较

封闭母线冷却方式在技术上进行比较，主要考虑以下因素：设计的复杂性，制造及安装的难易程度，运行的安全可靠性，维护检修的方便性等。

（1）设计的复杂性。自冷封闭母线热平衡计算较简单，容易验证，正确性高，一段母线就能反映整套母线的温度分布情况，通过热试验很容易进行热平衡计算结果的验证。而风冷母线设计较为复杂，验证困难。由于风冷母线导体及外壳的温度是沿长度变化的，必需根据具体工程母线布置实际情况整体分析计算，根据计算结果确定母线尺寸，风冷系统相关设备的参数，如风量及热交换器容量、效率等，另外还需设计一套自动控制系统确保母线和风冷系统的安全运行。另外，母线长度及布置的不同，冷却系统参数的差异，皆会影响局部热点的位置及温度值，并且风冷母线表面温度随环境温度变化较小，不存在简单的线性关系，因此很难通过热试验来直接验证热平衡计算结果，只能通过间接的方法来校核，这就要求母线厂家具有较强的设计能力及丰富的风冷封闭母线实际运行经验。

（2）制造及安装的难易程度。相同的工作电流下，自冷封闭母线尺寸相对较大，由于铝材机械强度较低，加工制造，运输及安装时母线外壳容易变形，也增加了现场安装调整难度及焊接工作量。一般来说，风冷母线的导体尺寸按自冷方案导体尺寸的60%设计，尺寸较小，制造及安装方便，同时相关连接设备接口尺寸也可以缩小。以方家山核电工程为例，机组额定电流为29418A，要求母线额定电流33000A。如采用自冷方案，主回路封闭母线外壳外径将达到2米左右，加工困难，布置时占居空间较大，与相关设备连接较困难。如采用风冷方案，母线外壳外径大约1.37m，节省布置空间，易于制造及安装。

（3）运行的安全可靠性。自冷母线靠导体和壳体辐射及空气对流散热，出现故障的机率很小，运行安全可靠高。风冷封闭母线多了一套风冷系统，整体故障概率增大，当风冷系统出现故障而不能及时维修投运时，机组只能在60%额定负荷下稳定运行，影响机组出力，运行的安全可靠性不如自冷母线。但风冷装置一般采用冗余设计，一套运行，同时另一套热备用，极大的提高了风冷母线的运行可靠性。

（4）维护检修的方便性。自冷封闭母线投入运行后，只需监视母线导体及外壳温度是否超标即可，维护检修工作量小。风冷封闭母线在运行时除了要监视母线导体及外壳温度外，还要监控风冷系统的运行情况，如风机是否运行正常，进出口空气温度、水温及风量等参数是否正常，风机出现故障时，备用风机能否自动切换等，另外风冷系统还要定期检修，因此风冷封闭母线维护检修工作较大。

通过上面的分析可以得知，自冷母线方案设计简单，可靠性高，但对空间布置设计要求较高，制造及安装难度大，适用于小容量机组。而强迫风冷方案设计复杂，可靠性不如自冷母线，运行维护的工作量也较大，但能够节省空间，适用于大容量机组。强迫风冷母线方案对供货商的技术能力提出了更高的要求。

2）经济比较

下面我们再对两种方案的经济性进行分析比较。同容量机组全连离相封闭母线如采用自冷方案，由于母线外壳及导体尺寸较大，材料成本，加工运输费用及现场安装费用较高，但运行损耗较低。而采用风冷方案，母线外壳及导体尺寸较小，材料成本、加工运输费用及现场安装费用较低，但母线外壳及导体运行损耗较高，另外其所需配套的风冷系统也增加了投资成本及检修维护费用。对自冷和风冷两种方案进行经济分析比较，按总费用的多少来衡量，即总投资费用加总运行费用来比较。

根据测算，在母线额定电流30000A时，两种方案总费用基本相当，强迫风冷方案略优，但损耗控制是影响其经济型的重要因素。

另考虑到强迫风冷母线直径小约25%，采用此方案后，厂房可以缩小，能节省部分土建投资。再者，百万千瓦机组的发电机出口断路器均为风冷模式，发电机出口断路器可以使用风冷母线的风冷却系统进行冷却，如果采用自冷方案，则需要额外的一套风冷装置，相比而言能节省设备投资。

综上所述可以看出，在封闭母线布置空间允许的情况下，额定电流在不大于30000A时宜采用自冷；额定电流超过30000A时，选用强迫风冷模式是最优方案。且机组容量越大，选用风冷母线的优势越大。百万千瓦核电机组容量普遍大于1000MW， 徐大堡AP1000的机型容量达到了1291MW，ACP1000机型容量达到了1161 MW，而发电机出口电压均维持在24kV，这意味着母线额定电流更大，风冷方案的优势更为明显。这是百万千瓦核电机组均选用强迫风冷方案的内在逻辑。

1.2.2 辅助配套

除了母线本体外，强迫风冷型式封闭母线采购包还包括如下关键设备（部件），这些设备（部件）有些是构成封闭母线系统，保障母线正常运行和检修的必不可少的一部分，有些属于打包采购部分：

（1）强迫风冷装置。该装置为封闭母线冷却提供冷风源，并能冷却经与母线换热的热风，为风冷母线必不可少的部分。主要由风机，空气-水热交换器，控制柜、风门以及各种流量计、温度计等设备（部件）构成。主要部件如风机及电机等加强质量控制，采用冗余配备，提高装置可靠性。部件的冗余程度越高，设备的可靠性越高。在国产化初期，为了保证可靠性，一般要求装置采用进口产品。依托在建项目，几个主要母线厂家已经逐步实现了国产化。

（2）热风保养装置（或其替代产品）。该装置在机组停运检修期后重新投用前，用以提升母线外壳内的温度，降低湿度，恢复绝缘，为母线必不可少的部分。但热风随着母线纵深，温度逐渐降低，湿度逐步加大，在较长母线的末端，干燥效果会大打折扣。据了解，特别是在潮湿地区，效果已不能满足使用需求。故现在有部分厂家开发出了的替代产品，并申请了专利，比如华东电力设备制造厂开发出了空气循环干燥装置，北京电力设备总厂开发出了智能防结露装置，均是通过将母线内部的空气循环流动并进行持续干燥，效果更好但价格也更高。

（3）发电机出口断路器两侧的电流互感器（CT）及二次侧接线箱。该设备属于与母线打包采购。其中主变侧用于差动保护的电流互感器应与发电机中性点电流互感器属于同一个厂家同一个型号产品，以保障其特性曲线的一致性。

2 国产化状况

2.1 市场状况

随着国内火电的发展，百万机组燃煤电厂已经遍地开花。同时伴随着的是配套设备的技术进步，国内各厂家均具备了百万火电机组用自冷封闭母线供货能力，且已经有相当多的稳定的运行业绩，形成了充分竞争的格局。

目前国内较有实力的母线厂家有5个，分别是北京电力设备总厂、镇江华东电力设备制造厂、江苏大全封闭母线有限公司、山东达迟阿尔法封闭母线有限公司、阜新封闭母线有限公司，其技术支持方分别是法国阿尔斯通、法国Simelectric、GE（也曾和AZZ有合作）、意大利阿尔法斯坦、日立。其中前3家设计及制造能力较强，百万千瓦火电离相母线供货及运行业绩较多，均有百万千瓦核电机组离相母线供货业绩，其中前两家已经有运行业绩。

2.2 国产化状况

风冷封闭母线自大亚湾核电站开始在国内有应用业绩。但大规模国内使用还是从2007年以来核电大发展开始。此前的供货均由国外厂家负责。如大亚湾及岭澳二期由法国的Simelectric供货，岭澳一期由法国ALSTOM供货。田湾1、2号机组由俄罗斯供货商供货。岭澳二期的母线导体以及外壳的制造已经由镇江华东电力设备制造厂完成，实现了一定程度的本地化。

由于设备国产化以及发展国内装备制造能力的迫切需求，从红沿河（1-4号机组）、宁德（1-4号机组）核电站开始，已经立足于国内招标，邀请国内厂家参与投标，并提出如下要求：

为推进本项目的国产化进程和保证设备性能，各投标方应在保证设备技术条件和性能的前提下，对强迫风冷系统、绝缘件、密封件等关键部件和技术采用进口产品，强迫风冷计算、动热稳定计算等设计计算分析工作需由外方完成或由外方进行校审、批准这两个级别的签字把关，其他部件则鼓励各投标商实现国产化。

为响应招标要求，国内厂家纷纷与国外技术成熟的厂家寻求合作，以引进技术及强迫风冷装置。

最终北京电力设备总厂以较大的商务优势夺标，率先拿到强迫风冷封闭母线供货合同。依托8台机组母线合同，制订了国产化计划，前2台风冷装置整体进口，后续逐步实现本地化、国产化。

由此，国内厂家在强迫风冷封闭母线的竞争上逐渐拉开差距。由选型分析可知，离相母线的技术核心以及难点首先是热平衡计算及验证，其次才是风冷装置的设计制造。只有具备了热平衡计算能力，才能进行设备设计及选型。这两年，国内厂家纷纷进行技术攻关，研发热平衡计算方法及工具，据了解，镇江华东电力设备制造厂与北京电力设备总厂已经研发成功。后者及江苏大全封闭母线有限公司也已经完成强迫风冷装置的国产化。

3 采购要点分析

3.1 母线采购要点

在满足技术规范书限制性技术要求的基础上，我们还需要关注一下两点，以便选出最具性价比的方案：

一是，要关注母线的损耗指标。由选型分析可知，母线损耗是影响其经济性的重要指标，损耗越小经济性越高。机组电压、容量等参数不变的情况下，影响损耗的因素有母线导体电阻，风机功率。导体电阻取决于母线截面尺寸，同等条件下，尺寸越大，电阻越小，母线发热损耗也越小，风机也可以设计较小功率，母线损耗也越低。反之，尺寸越小，损耗越大。我们在采购时要尽量选择母线截面尺寸大，而风机功率小的方案。

二是，要关注温升控制水平。母线的温升控制也是母线的一个重要指标，同等条件下，温升越低，相关绝缘件寿命就越长，母线损耗也越小。我们要关注厂家的温升控制及验证水平，选择温升最低的方案。

3.2 强迫风冷装置采购要点

要关注强迫风冷装置的可靠性。由选型分析可知，强迫风冷装置的可靠性是影响母线可靠性的最大因素，一旦强迫风冷装置故障，母线靠自然冷却仅能承载60%的额定持续负荷。我们要看供货商是否选用了可靠性高的部件，系统设计上冗余度是否足够高。

3.3 热风保养方案选择

加强横向沟通，认真论证项目需求。热风保养装置可能无法满足环境湿度大的项目需求。部分厂家分别研发了热风保养装置的替代产品并申请了专利，比如镇江华东电力设备制造厂的空气循环干燥装置、北京电力设备总厂的智能防结露装置。热风保养装置每台机组报价不到5万元/台，而上述装置大约25万元/台。一般来说设备技术规范书明确要求热风保养装置。为了中标，各厂家在投标文件中往往响应要求，而把替代方案作为选项或不提及，在澄清阶段或者合同执行时推出，不利于采购费用控制。这就需要加强横向沟通，提前认真论证项目需求，如果热风保养装置可以满足需要，则按要求配置即可，如不能满足，则需要提前考虑要求厂家以更优化的方案响应投标。

3.4 电流互感器选型问题

由选型分析可知，封闭母线采购包里有一组电流互感器，需要跟发电机中性点电流互感器配对使用，但是后者属于汽轮发电机采购包，型号确定较晚，一旦确定为进口产品，可能导致母线合同发生变更，费用难以控制。如某项目技术规范书未明确该电流互感器的详细要求，导致合同变更，费用增加。后续项目的技术规范书要求这2组电流互感器应属于同一厂家的产品，各母线厂家仍按国产产品报价，合同执行中仍可能更换为进口产品，可操作性差。因此需要打破按安装位置打包的思路，将这对电流互感器放在一个采购包中，能够从根本上避免不确定性。

3.5 国产化方案

由前文分析可知，国内厂家掌握强迫风冷封闭母线关键技术的程度不一，在竞争上逐渐拉开差距。不利于营造有序的竞争环境。为保证设备国产化进程，已不宜再以国外技术支持或部件进口作为硬性要求。

为形成有序竞争，同时确保设备成熟可靠，经济型好，我们应重点对厂家的热平衡计算技术成熟程度和风冷设备可靠性做仔细的考量，加以量化区分。如热平衡是否有成熟的计算工具，是否有验证方法；风冷设备装置设计冗余程度，所选部件的可靠性是否高等。用这些策略引导各厂家根据自身能力选择合理的技术方案。

4 结论

通过分析强迫风冷封闭母线的技术特点，市场状况，我们对采购过程中的遇到的各种问题进行了深入分析并给出了对策。根据这些对策，我们能够提高针对性，实现合理采购，有效地控制采购费用。这对其他设备的采购也应该具有广泛启示。

【参考文献】

[1]GB/T8349-2000 金属封闭母线[S].

[2]900MW压力堆核电站系统与设备[Z].