核電廠某型應急柴油機啟動超時的原因分析

閔濟東 賴斌生 余澤輝 王飛龍

（福建福清核電有限公司，福建 福清 350318）

0 引言

某核電廠采用了M310二代改進型壓水堆技術，每臺反應堆配置2臺應急柴油機，獨立為兩條應急母線供電。根據安全準則，要求柴油機從啟動到建立額定電壓、額定頻率的時間必須小于10 s。

設備使用的是20V956TB33型進口柴油機，在某次月度試驗中，應急啟動時間由PLC計算為10.038 s，超出了定期試驗監(jiān)督要求。本文對影響應急柴油機應急啟動超時的可能因素進行分析，介紹了壓空系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)以及燃油系統(tǒng)排查過程以及結論，為后續(xù)類似故障處理提供借鑒和參考。

1 壓縮空氣啟動系統(tǒng)

單臺柴油機配置兩個獨立的壓縮空氣啟動系統(tǒng)，是柴油機啟動的動力來源。兩套獨立的系統(tǒng)均啟動應急柴油機，其包含的主要是設備有空壓機（含干燥器）——氣瓶——出口隔離閥——柴油機主啟動閥——啟動空氣分配器——氣缸進氣閥。

柴油機利用壓縮空氣推動氣缸啟動。裝在柴油機兩端的啟動空氣分配器由凸輪軸驅動，它按發(fā)火順序將少量壓縮空氣送至裝在氣缸蓋上的啟動閥。啟動空氣分配器將壓縮空氣作為控制空氣分配給各個起動閥，并推動啟動閥開啟，從而將準備好的大量的起動壓縮空氣引入氣缸，壓縮空氣膨脹推動活塞向下運動，使得曲軸轉動，膨脹后的壓縮空氣由排氣門排出。20個氣缸按發(fā)火順序依次推動曲軸轉動，應急柴油機轉速加快。

一旦柴油機達到了最低轉速（350 rpm）并點火，該控制回路就被速度傳感器的繼電器中斷，主啟動閥的電磁先導閥被關閉，這同樣導致主啟動閥開啟的動力氣源被切斷，壓縮空氣啟動系統(tǒng)停止工作。如果啟動過程中柴油機6s內沒有點火，則送出“啟動失敗”的信號，同時控制電磁閥被斷電關閉。

在排查過程中，電廠逐漸排除了氣瓶壓力緩慢下降、出口隔離閥未打開、主啟動閥電磁閥漏氣/未打開、壓縮空氣進氣管線存在泄漏等可能的隱患，將壓縮空氣系統(tǒng)的問題定位在啟動空氣分配器和進氣閥等問題。

1.1 空氣分配器

空氣分配器由凸輪軸控制，主要作用是根據發(fā)火循序將壓縮空氣輸送至氣缸頭的進氣閥，由Nova-Werke AG制造，其中空氣分配器因連接組件磨損等造成發(fā)火順序紊亂，分配盤連接軸和連接組件之間存在磨損，極有可能導致氣缸的壓力不去，啟動時間偏長。

電廠在大修過程中，對啟動空氣分配器進行了解體檢查，A側無磨損痕跡，B側有輕微磨損但不影響功能，啟動空氣分配器不是造成應急柴油機啟動時間偏長的主要原因。

1.2 進氣閥

壓縮空氣的進氣閥安裝在氣缸蓋上，屬于由活塞驅動的止回閥。進氣閥卡澀將導致壓縮空氣不能完全進入活塞做功。在大修期間對20個氣缸的進氣閥進行了檢查，使用一字螺絲刀進行下壓時，發(fā)現B7氣缸的進氣閥存在輕微卡澀，主要表現在打開時存在較大阻力，隨后進行了更換。

1.3 啟動模式切換閥254VA

254VA用于柴油機啟動模式的切換。在應急柴油機軟啟動時，該閥門處于關閉位置，壓縮空氣進入氣缸啟動柴油機，但柴油機處于快啟時，254VA閥門開啟，切換軟啟回路，壓縮空氣將執(zhí)行啟動和燃燒用空氣的功能。若電磁閥不能動作或者關閉不嚴，部分啟動壓縮泄漏至軟啟動回路，啟動時間將不能滿足要求。但電廠大修期間檢查254VA動作正常，為確保沒有內漏，保守更換了電磁閥。

此外對啟動壓空系統(tǒng)的檢查未見異常，但是在大修再鑒定過程中，柴油機的氣動時間為9.3 s且后續(xù)試驗中仍存在一定波動，最高達到9.7 s。

2 冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)

柴油機在低溫環(huán)境下啟動時，進氣、燃油溫度低，燃油蒸發(fā)緩慢，霧化不良，由于缸壁的冷卻，在燃燒室壁形成激冷層，使火焰?zhèn)鞑ブ兄苟?，容易撞擊汽缸壁產生“冷激效應”。低溫使?jié)櫥宛ざ认禂翟龃?，啟動阻力增大，可燃混合氣在壓縮終點燃燒不充分。這些原因導致了柴油機低溫啟動性能差，啟動時間長。

一組試驗結果表明，當冷卻液溫度提高到20℃、30℃和40℃時，啟動轉速峰值分別下降了2.76%、3.98%和5.55%，達到穩(wěn)定的時間分別減少了9.86%、12.86%和15.49%。隨著冷卻液溫度提高，轉速的峰值和穩(wěn)定的時間有著減小的趨勢。但減少幅度在不斷降低，冷卻液溫度對啟動性能的改善效果也在降低。

檢查該柴油機的預熱溫度表明，該柴油機預熱系統(tǒng)投運正常，柴油機保持在恒定60～65℃，能夠優(yōu)化缸體內的燃燒環(huán)境，對啟動時間無影響。

同樣檢查發(fā)現，該設備預潤滑流量和壓力保持正常，對啟動時間無影響。

3 燃油系統(tǒng)

在排查壓空、冷卻、潤滑等系統(tǒng)后，該型柴油機的定期試驗的啟動時間仍靠近10 s上限，進一步排查發(fā)現柴油機的啟動時間存在部分差異，350 rpm之前由壓縮空氣啟動，到達點火轉速350 rpm后柴油機將靠燃燒提升轉速并到達額定轉速。比對結果如圖1和圖2所示。

圖1 電廠各柴油機的啟動時間

圖2 應急柴油機ECS油門曲線

柴油機啟動試驗表明啟動油量越大。起動初期轉速上升響應時間越快，轉速峰值越大，說明在啟動加速期，采用大油量容易啟動。當油量超過某一定值時，轉速超調峰值反而下降。原因在于起動加速期轉速還處于低速期，進氣量少，油量過多導致缸內空燃比減??；另一方面噴油器噴射大油量時軌壓有所下降。油滴顆粒直徑增大，霧化效果變差；這兩方面均使燃燒惡化。大量油滴蒸發(fā)需要吸收氣缸內熱量，降低混合氣溫度，從而影響蒸發(fā)效果。

常見的啟動油門開度有固定油門開度起動、平滑降油控制起動、階梯降油控制起動等[1]。

固定油門開度起動，即如果在起動階段的第一個噴油循環(huán)給定固定的油門開度，在起動后應急柴油機保持恒定油量，直到轉速超過怠速，然后油量才進行自動調節(jié)。有試驗表明，固定油門開度起動時，無論是取較大的油門開度還是較小的油門開度，柴油機的啟動都不能達到理想的效果，小的油門開度時存在失火循環(huán)，燃燒不充分導致啟動時間無法滿足。而大油門開度時混合氣太濃，空氣量太少導致同樣的燃燒不充分，中等起動油量的排放結果也在二者之間，對于啟動時間均無明顯改善。

平滑降油控制起動，即以大油門開度起動，達到起動油量結束轉速時將油量下降，然后小幅度平滑降低油門開度，直到進入ECS控制在相應目標轉速。啟動階段由于采用了大油門開度起動，并沒有失火循環(huán)發(fā)生，且燃燒也比較充分；過渡階段會存在一個失火循環(huán)，且存在很多燃燒不完全循環(huán)。這導致了啟動時間同樣不能完全滿足。

階梯降油控制起動，以大油量起動，油量的變化呈階梯狀。起動階段的大油量起動保證了無失火現象和燃燒不完全現象，由于階梯降油過渡階段沒有失火循環(huán)發(fā)生，這樣就保證了整個起動過程無失火現象，從而燃燒相對連續(xù)，但是從缸內壓力試驗證明缸內燃燒并不是很充分，主要受制于啟動壓空退出燃燒后，進氣氧氣含量不足[2]。

因此可以看出，1LHP的柴油機啟動曲線明顯異常，在柴油機到達200rpm以后，油門曲線迅速拉小，降油方式燃燒導致柴油機在達到發(fā)火轉速后無法得到充足的潤滑油量，無法得到燃燒所必須的柴油，燃燒不充分。在修改了ECS曲線后，緩慢下降啟動后油門開度，能夠有效改進啟動階段應急柴油機的燃燒情況，應急啟動時間基本恢復正常。

4 結束語

在對啟動空氣分配器、進氣閥和軟啟動切換電磁閥進行消缺后，應急柴油機啟動時間略有好轉但未根治。對應急柴油機的啟動油門曲線修改為階梯降油控制起動方式后，應急柴油機啟動時間有明顯好轉，取得了良好的治理效果，確保了機組的正常運行。通過結合本案例啟動油門曲線的修改，對核電廠應急柴油機的啟動時間控制提出了優(yōu)化，對類似缺陷處理有一定的借鑒意義。