核電廠18PA6B柴油發(fā)電機(jī)組低壓燃油系統(tǒng)增壓泵頻繁啟動(dòng)問題分析處理

于洋 華樹明

【摘??要】本文基于核電廠18PA6B柴油發(fā)電機(jī)組低壓燃油系統(tǒng)發(fā)生的增壓泵103PO頻繁啟動(dòng)問題，結(jié)合燃油系統(tǒng)管路內(nèi)壓力波動(dòng)特性，詳細(xì)全面的分析了系統(tǒng)中導(dǎo)致壓力異常波動(dòng)觸發(fā)增壓泵頻繁啟動(dòng)的各種因素，并結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)分析，對后續(xù)日常工作中該類問題分析和迅速處理有著積極借鑒參考意義。

【關(guān)鍵詞】柴油發(fā)電機(jī)組;低壓燃油;壓力波動(dòng);增壓泵;頻啟

1.柴油機(jī)燃油系統(tǒng)簡述

燃油系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)柴油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況，在最佳時(shí)刻，在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)，將一定數(shù)量的燃油，以一定的壓力，霧狀形態(tài)噴入氣缸內(nèi)，以便與進(jìn)入氣缸內(nèi)的空氣充分混合燃燒，使燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，實(shí)現(xiàn)功率輸出，故穩(wěn)定的燃油供給至關(guān)重要。

然而，柱塞式高壓油泵間歇性供油特征，使得低壓燃油回路不可避免的產(chǎn)生燃油波動(dòng)。燃油波動(dòng)也會引發(fā)管路振動(dòng)，當(dāng)壓力波振動(dòng)頻率與系統(tǒng)管路的固有頻率接近時(shí)，就會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，近而造成疲勞損壞，故通常對系統(tǒng)壓力波動(dòng)是有嚴(yán)格要求的，本機(jī)型上游文件中對系統(tǒng)平均壓力要求為3.5±0.25bar。

低壓燃油回路包含設(shè)備：燃油增壓泵103PO、機(jī)載燃油泵104PO、自凈式燃油過濾器、止回閥、截止閥、儀表（111SP控制103PO啟停＼153MP監(jiān)測燃油進(jìn)機(jī)壓力）及其附件（儀表前置阻尼器）、A/B蓄能器、超速滑閥、壓差指示器、自力式壓力調(diào)節(jié)閥100VF、其他管路附件等。

1.1.低壓燃油系統(tǒng)中燃油輸送

103PO（燃油增壓泵）/104PO（機(jī)載燃油泵）為燃油注油器提供燃油，正常情況下，由機(jī)載燃油泵104PO提供一個(gè)正常的燃油流量，在柴油機(jī)啟動(dòng)初期以及機(jī)載泵104PO失效情況下，103PO（燃油增壓泵）啟動(dòng)并給柴油機(jī)提供燃油。低壓燃油系統(tǒng)采用的輸油泵多為具備穩(wěn)定輸出的齒輪泵。

1.2.燃油增壓泵的控制邏輯及技術(shù)參數(shù)

柴油機(jī)燃油增壓泵103PO的控制，103PO的啟動(dòng)和停運(yùn)是由111SP1開關(guān)來控制的，該開關(guān)布置在103PO的下游。當(dāng)103PO泵下游管線壓力低于200Kpa時(shí)，103PO啟動(dòng)。當(dāng)103PO泵下游管線壓力高于200Kpa時(shí)，103PO停運(yùn)。

2.故障分析

故障直接原因較為明確，導(dǎo)致出現(xiàn)油壓低報(bào)警原因?yàn)橛蛪翰▌?dòng)曲線下移或油壓波動(dòng)幅度變大，谷值超過報(bào)警值從而產(chǎn)生報(bào)警。為了便于近一步分析，現(xiàn)場重啟柴油機(jī)并對燃油進(jìn)機(jī)壓力進(jìn)行錄波，近而從壓力波動(dòng)的產(chǎn)生（脈動(dòng)源），到過程中波動(dòng)的疊加，再到管路附件等因素進(jìn)行波動(dòng)產(chǎn)生分析，并結(jié)合抑制波動(dòng)措施設(shè)備進(jìn)行分析排查，最終通過燃油自凈式過濾器排污，111SP儀表阻尼器調(diào)整和100VF自力式壓力調(diào)節(jié)閥微調(diào)，消除故障。

2.1.壓力波動(dòng)分析

1）脈動(dòng)源：油管內(nèi)流動(dòng)基本方程如下，其中輸油泵為流量穩(wěn)定的齒輪泵，故燃油系統(tǒng)進(jìn)口與出口壓力邊界為恒定壓力，高壓油泵為柱塞泵，其往復(fù)運(yùn)動(dòng)并從低壓燃油系統(tǒng)吸油和回油，將對低壓系統(tǒng)造成擾動(dòng)，阻力系數(shù)等一定情況下，不難發(fā)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的高壓油泵是造成低壓燃油系統(tǒng)壓力波動(dòng)的主要原因。

針對此故障我們對系統(tǒng)壓力波動(dòng)信號進(jìn)來行了數(shù)據(jù)采集，柴油機(jī)空載采集信號（時(shí)域信號、頻域信號）和帶載采集信（時(shí)域信號、頻域信號）。根據(jù)采集的壓力波動(dòng)信號，可以較為容易判斷平均壓力是否存在異常，近而確定機(jī)載燃油泵輸送是否存在異常。本次采集無論柴油機(jī)空載還是帶載平均壓力較穩(wěn)定，帶載時(shí)系統(tǒng)的平均壓力穩(wěn)定在3.315bar滿足系統(tǒng)平均壓力要求為3.5±0.25bar，機(jī)載泵工作正常。

2）高壓油泵產(chǎn)生的脈動(dòng)疊加

18PA6B機(jī)型存在18個(gè)缸頭對應(yīng)18臺高壓油泵，60度夾角，按照如下發(fā)火順序工作，

A1-B4-A6-B9-A3-B5-A2-B1-A8

B6-A7-B3-A4-B2-A9-B8-A5-B7

從而使各高壓油泵按照一定相位差往復(fù)運(yùn)行工作，各高壓油泵引發(fā)的壓力波動(dòng)存在一定疊加，從加大對管路和設(shè)備的沖擊。

3）管路附件對壓力波動(dòng)影響

低壓燃油系統(tǒng)管路附件包括單向閥、自力式壓力調(diào)節(jié)閥、自凈式燃油過濾器。在回路中對燃油產(chǎn)生流阻，當(dāng)流截面積發(fā)生變化時(shí)，實(shí)現(xiàn)局部壓力調(diào)整。同時(shí)經(jīng)過各管路附件的固有頻率不同，當(dāng)與系統(tǒng)脈沖頻率相同時(shí)，產(chǎn)生諧振，近而增加了系統(tǒng)脈動(dòng)。

自凈式燃油過濾器具備反沖洗功能，故其上方設(shè)有附有排污口，可以進(jìn)行在線排污，若過濾器過濾能力下降，存在一定堵塞，對整個(gè)燃油系統(tǒng)存在一定影響。此次排查過程中我們對其進(jìn)行了在線排污，排出一定的棉絮狀物，系統(tǒng)壓力排出前后如下圖所示，壓力波動(dòng)幅度有一定降低，影響較小。

2.2.低壓燃油系統(tǒng)上采取的壓力波動(dòng)抑制措施

本系統(tǒng)中采用的壓力波動(dòng)抑制措施主要是采用蓄能器和節(jié)流孔板。此外，設(shè)計(jì)上也可考慮增加管路直徑的方法抑制波動(dòng)。

蓄能器采用皮囊填充結(jié)構(gòu)，流體經(jīng)過蓄能器后改變了流體的剛度與阻尼，近而降低流體波動(dòng)幅度，吸收脈動(dòng)。本次對檢查蓄能器頂端皮囊監(jiān)測無異常。

增大節(jié)流孔板對于壓力波動(dòng)抑制作用較明顯，系統(tǒng)主要設(shè)置在回油管線上，流體流經(jīng)節(jié)流孔板，孔板的局部阻力，使得流體能量損耗增加，該方式比采用調(diào)節(jié)閥門更經(jīng)濟(jì)和簡單。某試驗(yàn)驗(yàn)證節(jié)流孔板效果顯著，參數(shù)及對比表格如下，節(jié)流孔徑從1.0mm增至2.0mm，進(jìn)油壓力波動(dòng)最大波動(dòng)幅度明顯下降，進(jìn)油壓力均值降低10%，對大波幅降低43%，回油壓力均值波動(dòng)不大。所以不難看出，節(jié)流孔板孔徑變，壓力波動(dòng)幅度明顯變化。

增加低壓燃油管路直徑，相應(yīng)的通過增加管路容積，某試驗(yàn)表明其對壓力波動(dòng)有一定衰減作用但不明顯，參考試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下，從數(shù)據(jù)和圖曲線中可明顯觀察改變直徑對壓力波動(dòng)抑制效果不理想。

2.3.內(nèi)漏與外漏

外漏包括管道接頭、儀表接頭、管路附件密封件失效等，內(nèi)漏包括齒輪泵安全閥、齒輪間隙變大、逆止閥泄漏、背壓閥等。異常的外漏和內(nèi)漏，均會造成壓力曲線整體下移，造成壓力谷值超過2bar，從而引發(fā)增壓泵啟動(dòng)。

綜上，通過低壓燃油系統(tǒng)給的排查和波形分析，103PO增壓泵的頻繁啟動(dòng)和自力式壓力調(diào)節(jié)100VF的啟閉之間存在耦合現(xiàn)象現(xiàn)場通過在線排污、自力式壓力調(diào)節(jié)100VF微調(diào)、儀表阻尼器調(diào)整打破該耦合現(xiàn)象，最解決現(xiàn)場頻啟問題。

3.結(jié)論

高壓油泵往復(fù)運(yùn)動(dòng)吸油和回油是產(chǎn)生低壓燃油系統(tǒng)壓力波動(dòng)的主要原因，當(dāng)壓力波動(dòng)異常時(shí)，應(yīng)采用如下方法：

1）低壓燃油系統(tǒng)壓力錄波，確認(rèn)平均壓力，分析泄漏情況和機(jī)載燃油泵供油效率是否下降。

2）低壓系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)排查，確認(rèn)泄漏，高油泵出油管異常振動(dòng)情況。

3）自凈式過濾器在線排污。

4）自力式壓力調(diào)節(jié)閥100VF微調(diào)。

5）111SP儀表阻尼器調(diào)整，增大阻尼，對采集信號濾波

經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，在柴油機(jī)熱備期間，不影響設(shè)備可用性情況下，上述方法可迅速的消除低壓燃油系統(tǒng)壓力波動(dòng)異常，確定故障點(diǎn)，縮短檢修時(shí)間。

此外，從對系統(tǒng)壓力波動(dòng)的因素考慮優(yōu)化系統(tǒng)，有條件電站亦可通過系統(tǒng)改造，適當(dāng)增加節(jié)流孔板孔徑、改變管徑、選用更為靈敏吸收能力更強(qiáng)的蓄能器到等方法降低壓力波動(dòng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊?第五冊?2008.1第五版?化學(xué)工業(yè)出版社

[2]郭立軍，浦衛(wèi)華?柴油機(jī)低壓系統(tǒng)壓力波動(dòng)仿真?柴油機(jī)?2016年第四期

楊瑞軍?降低液壓系統(tǒng)壓力脈動(dòng)方法?現(xiàn)代制造工程?2006（8）

（作者單位：廣西防城港核電有限公司）