應急柴油機渦輪增壓器怠速高報警故障處理

魏邦華

(福建福清核電有限公司，福建 福清 350318)

應急柴油發(fā)電機組對核反應堆的安全非常重要，其在核電站中的功能是在廠外主電源和廠外備用電源均失去的情況下，為核電站中的安全級設備提供可靠電源，保證堆芯充分冷卻，確保反應堆安全停堆，可以說應急柴油發(fā)電機組是反應堆的最后一道防線執(zhí)行反應堆的安全停堆功能。特別是在事故工況、全廠斷電或地震情況下，該設備必需可靠啟動，為堆芯冷卻設備提供可靠應急電源，確保反應堆安全。根據(jù)運行技術(shù)規(guī)范若應急柴油發(fā)電機組不可用將會產(chǎn)生第一組I0，檢修必須在3天內(nèi)完成[1]。

1 核級應急柴油發(fā)電機組主要技術(shù)指標

應急柴油發(fā)電機組涉及反應堆的安全，因此對核級應急柴油發(fā)電機組技術(shù)指標也特別高的要求，一般百萬千瓦等級核電站均配套兩組(LHP/LHQ)獨立的應急柴油機組，每臺機組的功率均在6 000 kW左右，任意一臺應急柴油發(fā)電機組啟動均能夠滿足核電站內(nèi)應急廠用設備用電要求，確保反應堆安全停堆[2]。因柴油發(fā)電機組在核電站中的重要性，在設計上對柴油發(fā)電機組的技術(shù)指標有非常嚴格的要求，在應急柴油機組招標的采購技術(shù)規(guī)格書中已明確供應商所提供的應急柴油機組設備應滿足RCC、IEC、HAF等標準及法規(guī)要求，具體如下：

?10 s內(nèi)啟動并達到額定轉(zhuǎn)速及額定電壓。

?100次啟停試驗不允許有一次失敗，啟動可靠性達到100%[3]。

?每臺柴油機組均配備兩套獨立壓空啟動系統(tǒng)(A列/B列)，每列啟動系統(tǒng)均可保證柴油機的可靠啟動。

?為保證柴油機組的可靠啟動每臺柴油機均配備兩套獨立的控制系統(tǒng)ECS系統(tǒng)，當主ECS系統(tǒng)故障時，備用ECS系統(tǒng)仍可保證柴油機組的啟動及運行。

?應急柴油機組機械部件安全等級為核三級或LS級；電氣設備為1E級[4]。

?應急柴油機組設備抗震等級為抗震1類，其中柴油機、發(fā)電機、燃油輸送泵及電機、風扇冷卻器及電機設備為1A類，即這些設備在所有地震條件下不僅能保證結(jié)構(gòu)完整，還要能持續(xù)可靠運行[5]。

?應急柴油發(fā)電機組應能具備全廠斷電的黑啟動功能[6]。

?應急柴油發(fā)電機組瞬態(tài)穩(wěn)定性較好，加載時電壓和頻率的趺落不超過75%和95%，并在2S之內(nèi)恢復到90%和98%[7]。

?機組每套壓空系統(tǒng)在不補氣的情況應能保證機組5次啟停。

?應急柴油機組應具備連續(xù)滿功率運行168 h的能力，確保事故情況下能安全停堆。

?應急柴油機組應具備苛刻的過負荷能力，每24 h允許在110%電功率下連續(xù)運行2 h。

2 某核電站4LHP柴油機B3廢氣渦輪怠速高情況簡介

2.1 某核電站柴油機組廢氣渦輪增壓器設計及投用介紹

某核電站4LHP柴油機(4號機組P列應急柴油機組)采用的是MTU(德國柴油機制造廠)制造的956 TB33(柴油機型號)系列柴油機，該型號柴油機組共設計5組廢氣渦輪增壓器(A1/A2/B1/B2/B3)，空載時A1/A2(柴油機A列)渦輪增壓器即投用，B1/B2/B3(柴油機B列)隨負荷的增加逐步投用，隨A1/A2渦輪增壓器轉(zhuǎn)速的升高，B1/B2廢氣渦輪增壓器逐步投入運行，當B2增壓器的轉(zhuǎn)速達到40 000 r/min時B3廢氣渦輪增壓器才投入運行[8]。

2.2 該核電站4LHP柴油機B3廢氣渦輪怠速高故障簡介

該核電站經(jīng)首次大修后，在4LHP柴油機組再鑒定空載試驗時出現(xiàn)了B3廢氣渦輪怠速高故障?，F(xiàn)場對B3廢氣渦輪進行轉(zhuǎn)速通道進行錄波，發(fā)現(xiàn)該故障有如下特征。

2.2.1 出現(xiàn)怠速高報警是非連續(xù)性且呈現(xiàn)周期性波動

出現(xiàn)怠速高報警的廢氣渦輪增壓器B3，在柴油機達到額定轉(zhuǎn)速的時候第一次出現(xiàn)怠速高報警，持續(xù)時間約為2 s，速度波動幅度0～30 000 r/min，如圖1所示。出現(xiàn)怠速高報警時速度呈現(xiàn)周期性波動，實際采集頻率的計算周期為885 ms，波動幅度3 000～30 000 r/min，幾乎每次都可以達到30 000 r/min，下降后的速度大小不一。具體錄波波形如圖2所示。

圖1 廢氣渦輪增壓器(B3)第一次出現(xiàn)怠速高報警Fig.1 First appearing of the idle speed alarm of the B3 exhaust turbocharger

圖2 廢氣渦輪增壓器(B3)錄波波形Fig.2 The wave shape record of the B3 exhaust turbocharger

2.2.2 出現(xiàn)怠速高報警的B3廢氣渦輪增壓器停機無惰轉(zhuǎn)時間

柴油機組停機階段，柴油機及A1/A2廢氣渦輪增壓器均有一定的惰轉(zhuǎn)時間，A1/A2廢氣渦輪增壓器從38 000 r/min到零轉(zhuǎn)速的惰轉(zhuǎn)時間為75 s，而B3廢氣渦輪增壓器從30 000 r/min轉(zhuǎn)到零轉(zhuǎn)速無惰轉(zhuǎn)時間，具體見圖3。

圖3 廢氣渦輪增壓器(B3)停機惰轉(zhuǎn)錄波波形Fig.3 The wave shape record of B3 exhaust turbocharger

3 該核電站4LHP柴油機B3廢氣渦輪怠速高初步原因分析

按照柴油機組的控制邏輯圖，柴油機空載情況下B3廢氣渦輪增壓器處于未投用狀態(tài)[9]，即B3廢氣渦輪增壓器廢氣側(cè)隔離閥及空氣側(cè)隔離閥在電磁閥的控制下應處于關(guān)閉狀態(tài)，B3廢氣渦輪增壓器轉(zhuǎn)速應為零，若此時B3廢氣渦輪增壓器出現(xiàn)轉(zhuǎn)速高報警，則表明柴油機組處于異常狀態(tài)，需要排查。

3.1 廢氣渦輪增壓器機械結(jié)構(gòu)

為了便于深入分析問題，需對廢氣渦輪增壓器機械結(jié)構(gòu)及功能進行簡單的介紹，廢氣渦輪增壓器主要作用是利用柴油機做過功后的高溫廢氣推動廢氣渦輪轉(zhuǎn)動，從而帶增壓器轉(zhuǎn)動，對柴油機燃燒空氣進行加壓，提高單位體積內(nèi)燃燒空氣的含氧量，從而提高柴油機組燃燒效率，增加柴油機組的功率。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 廢氣渦輪增壓器結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The structure of the exhaust turbocharger

3.2 廢氣渦輪增壓器(B3)怠速高報警故障樹分析表

分析B3廢氣渦輪怠速高故障原因可能是廢氣渦輪進氣閥內(nèi)漏造成的B3廢氣渦輪增壓器真實轉(zhuǎn)動，也有可能是轉(zhuǎn)速探頭損壞、轉(zhuǎn)速信號通道及控制系統(tǒng)ECS問題，為了排查故障列出所有可能原因故障樹如表1所示。

表1 4LHP柴油機B3廢氣渦輪怠速高故障樹分析表

3.3 廢氣渦輪增壓器(B3)怠速高報警初步原因分析

從廢氣渦輪增壓器的機械結(jié)構(gòu)上分析，在離心壓縮機空氣側(cè)閥門關(guān)閥的狀態(tài)下(無負載)，輕微的渦輪側(cè)漏氣都可能造成轉(zhuǎn)速快速升高，但是正是由于沒有負載，整個廢氣渦輪組降速的速度不可能很快，根據(jù)錄波測得的B3轉(zhuǎn)速曲線，B3渦輪轉(zhuǎn)速呈周期性波動，波動周期均在秒級以內(nèi)，尤其降速速率，如此高頻率波動不符合低負載轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動特性。

查MTU提供的備件手冊資料可知廢氣渦輪的重量是4 130 kg、空氣側(cè)的壓縮輪重量是1 160 kg[10]，加上渦輪軸及軸承等附件，整個轉(zhuǎn)子的重量至少為5 290 kg以上，渦輪直徑約500 mm，根據(jù)前面錄波測得的數(shù)據(jù)B3渦輪增壓器轉(zhuǎn)速波動周期平均為0.74 s，依據(jù)這些數(shù)據(jù)從理論力學的角度進行初步計算分析:

理論力學轉(zhuǎn)動慣量的計算公式:[11]

I=mr2

(1)

理論力學動量矩的計算公式:

L=mvr=mr2ω=Iω

(2)

理論力學動量矩定理的計算公式:

M=dL/dt

(3)

式中:I——轉(zhuǎn)動慣量;

m——轉(zhuǎn)動體的質(zhì)量;

r——轉(zhuǎn)動體的轉(zhuǎn)動半徑;

M——合外力矩;

ω——轉(zhuǎn)動的角速度。

根據(jù)式(1)計算出渦輪增壓器的轉(zhuǎn)動慣量:

I=5 290×0.252=330.6 kg·m2

假設升速及降速時間均等，則降速的時間為0.37 s，由圖2可以看出每個波動周期內(nèi)轉(zhuǎn)速下降后的速度大小不一，最大為20 000 r/min，該轉(zhuǎn)速對應的角速度ω1=2πn1=2π×20 000 r/min=120 000弧度/秒，由式(2)計算此時的動量矩L1=330.6 kg·m2×120 000弧度/秒=39 672 000 kg·m2/s。

30 000 r/min對應的角速度ω=2πn=2π×30 000 r/min=2π×600RPS=1 200π=216 000弧度/秒，根據(jù)式(2)計算出此時的動量矩L=330.6 kg·m2×216 000弧度/秒=71 409 600 kg·m2/s。

根據(jù)式(3)計算出當B3廢氣渦輪增壓器從30 000 r/min轉(zhuǎn)速降低到20 000 r/min轉(zhuǎn)速時所受的合外力矩M=dL/dt=(71 409 600 kg·m2/s-39 672 000 kg·m2/s)/0.37=85 777 297.3 kg·m。

渦輪增壓器軸系所受合外力F=M/r=85 777 297.3 kg·m/0.25 m=343 109 189 kg。

在B3渦輪增壓器無負載的情況下渦輪增壓器的軸系不可能受到如此大的外力，據(jù)此初步分析B3廢氣渦輪增壓器怠速高報警可能是非真實轉(zhuǎn)速，該轉(zhuǎn)速信號可能是電氣或儀控誤發(fā)的虛假信號。

4 該核電站4LHP柴油機B3廢氣渦輪怠速高根本原因排查

4.1 機械專業(yè)靜態(tài)排查

在柴油機未啟動的情況下機械專業(yè)對B3廢氣渦輪增壓器廢氣側(cè)隔離閥的控制電磁閥及執(zhí)行機構(gòu)進行了檢查，并手動操作電磁閥觀察該增壓器廢氣側(cè)隔離閥動作是否正常，從檢查的結(jié)果來看未發(fā)現(xiàn)異常，可以排除電磁閥故障及執(zhí)行機構(gòu)故障導致的B3廢氣渦輪怠速高報警問題。

4.2 儀控專業(yè)靜態(tài)排查

1)檢查轉(zhuǎn)速探頭至ECS間電纜的絕緣連續(xù)性，檢查結(jié)查電纜的絕緣連續(xù)性合格。

2)對5組渦輪增壓器內(nèi)的轉(zhuǎn)速探頭的阻值進行測量檢查，對比5組阻值數(shù)據(jù)，B3內(nèi)轉(zhuǎn)速探頭阻值無異常。五組轉(zhuǎn)速探頭阻值檢查記錄如表2所示。

表2 4LHP柴油機5組渦輪增壓器轉(zhuǎn)速探頭阻值

盡管測得的探頭阻值正常，還不能完全確定B3廢氣渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速探頭就無問題，主要原因是B3渦輪增壓器怠速高報警在機組運行階段僅隨機性出現(xiàn)，且呈現(xiàn)非持續(xù)的現(xiàn)象，因此，假如探頭有問題也只能在出現(xiàn)報警時才能發(fā)現(xiàn)阻值異常，因此探頭問題還不能完全排除。

4.3 電氣專業(yè)靜態(tài)排查

(1)檢查轉(zhuǎn)速探頭至ECS控制模塊間測量通道，ECS卡件精度符合要求，測量通道無異常。

(2)核實B3渦輪增壓器轉(zhuǎn)速信號的處理邏輯是否異常，用40 000r/min轉(zhuǎn)速模似信號輸入，B3渦輪增壓器轉(zhuǎn)速顯示正確。

通過電氣專業(yè)對測量通道的靜態(tài)檢查可以排除通道問題導致的B3廢氣渦輪怠速高報警。經(jīng)過機、電、儀專業(yè)的靜態(tài)排查后余下可能原因主要有B3廢氣渦輪隔離閥可能存在內(nèi)漏、主調(diào)速系統(tǒng)ECS系統(tǒng)模塊故障、B3廢氣渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速探頭故障。

4.4 機械專業(yè)動態(tài)排查

柴油機啟動后，機械專業(yè)拆除A1及B3廢氣渦輪增壓器排氣膨脹節(jié)下部的保溫層，使用熱成像儀和點溫儀對A1(投運)、B3排氣膨脹節(jié)同時進行測溫，以判斷B3廢氣渦輪增壓器隔離閥是否存在內(nèi)漏及B3廢氣渦輪增壓器是否真實轉(zhuǎn)動。測得的數(shù)據(jù)記錄如表3所示。

表3 4LHP柴油機A1、B3渦輪增壓器排氣管溫度測量記錄表

A1廢氣渦輪增壓器為投運的增壓器，其排氣管溫度約為170～200 ℃，而B3廢氣渦輪增壓器排氣管溫度始終為45～55 ℃，說明B3廢氣渦輪增壓器隔離閥沒有內(nèi)漏，B3廢氣渦輪增壓器未投運，結(jié)合前面4.3節(jié)的初步分析可以確定B3廢氣渦輪增壓器怠速高報警是非真實轉(zhuǎn)速，該轉(zhuǎn)速信號是電氣或儀控誤發(fā)的虛假信號。

4.5 電氣及儀控專業(yè)動態(tài)排查

電氣專業(yè)在在ECS控制模塊的前端端子箱中接入錄波儀對B3廢氣渦輪增壓器轉(zhuǎn)速信號進行錄波，在柴油機組轉(zhuǎn)速達到1 511 r/min， ECS前端錄波儀顯示主探頭出現(xiàn)波動，備用探頭始終顯示正常，詳見圖5所示。

圖5 B3廢氣渦輪增壓器轉(zhuǎn)速主、副探頭錄波波形記錄Fig.5 The wave shape record for the speed probe of B3 exhaust turbocharger

為了進一步驗證B3廢氣渦輪增壓器轉(zhuǎn)速信號的主探頭存在問題，決定對B3廢氣渦輪增壓器轉(zhuǎn)速信號的主探頭及A2廢氣渦輪增壓器轉(zhuǎn)速信號的主探頭在ECS前端同時進行錄波，以便對比A2/B3主探頭的錄波波形并分析原因，再次啟動4LHP柴油機，柴油機降速至時刻，B3主探頭如預期出現(xiàn)波動，A2主探頭轉(zhuǎn)速無波動，數(shù)值平穩(wěn)，錄得的A2/B3主轉(zhuǎn)速探頭波形如圖6所示。

圖6 B3廢氣渦輪增壓器主探頭與A2廢氣渦輪增壓器錄波波形Fig.6 The wave shape record for the main speed probe of B3 and A2 exhaust turbocharger

從錄波情況分析，B3廢氣渦輪增壓器轉(zhuǎn)速信號的主探頭及副探頭的波形存在明顯差異，且主探頭波動曲線顯示出明顯周期性；從錄得的A2/B3主探頭波形上看，B3廢氣渦輪增壓器轉(zhuǎn)速信號的主探頭在柴油機的轉(zhuǎn)速達到1 511 r/min時出現(xiàn)明顯波動，而A2主探頭轉(zhuǎn)速無波動。據(jù)此判斷B3廢氣渦輪增壓器轉(zhuǎn)速信號的主探頭有問題。

5 該核電站4LHP柴油機B3廢氣渦輪怠速高故障處理

經(jīng)機、電、儀各專業(yè)的細致排查已鎖定4LHP柴油機B3廢氣渦輪怠速高報警的原因是B3廢氣渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速主探頭存在問題，現(xiàn)場將B3廢氣渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速探頭用新備件更換后，再次啟動柴油機未出現(xiàn)B3廢氣渦輪怠速高報警，隨后進行的柴油機組低功率及滿功率過程中均未出現(xiàn)B3廢氣渦輪怠速高報警，經(jīng)試驗驗證該問題已經(jīng)解決，柴油機可用。

6 結(jié)論

4LHP柴油機B3廢氣渦輪增壓器的怠速高故障報警問題，經(jīng)機、電、儀三個專業(yè)靜態(tài)及動態(tài)排查最終鎖定B3廢氣渦輪增壓器的主探頭故障是導致本次柴油機組異常報警的根本原因，現(xiàn)場經(jīng)更換B3廢氣渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速主探頭后效果顯著，故障完全消除。

應急柴油發(fā)電機組是核電站中重要的核安全級設備，其能否穩(wěn)定可靠備用對整個核電機組的可運行性產(chǎn)生重要影響，根據(jù)運行技術(shù)規(guī)范若應急柴油發(fā)電機組不可用將會產(chǎn)生第一組I0，檢修必須在3 d內(nèi)完成，否則必須退防，確保核安全。因此在核電站運行期間，保證柴油機可靠備用尤為重要，而柴油機組設備上各類測點故障是導致柴油機組不可用的主要原因之一，因此后續(xù)在柴油機組的可靠性管理方面需重視儀控各類測點的可靠性。