MTU柴油機(jī)單缸排氣溫度高跳機(jī)的故障分析與處理措施

施雪峰，陳年時(shí)，徐毅哲

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

方家山核電機(jī)組應(yīng)急柴油機(jī)采用德國(guó)MTU公司生產(chǎn)的20V956TB33型柴油機(jī)，共20個(gè)缸呈V型布置，額定轉(zhuǎn)速1500 r/min，持續(xù)額定功率6000 kW。使用此型號(hào)應(yīng)急柴油機(jī)的核電機(jī)組有田灣核電1～4號(hào)機(jī)組、嶺澳核電3～4號(hào)機(jī)組、秦二廠3～4號(hào)機(jī)組、福清核電1～4號(hào)機(jī)組、陽(yáng)江核電1～6號(hào)機(jī)組，共有51臺(tái)在運(yùn)行應(yīng)急柴油機(jī)。

1 應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)故障描述

1.1 方家山柴油機(jī)單杠排氣溫度高跳機(jī)

2019年11月1日，方家山2LHQ應(yīng)急柴油機(jī)執(zhí)行月度滿功率試驗(yàn)。柴油機(jī)啟動(dòng)信號(hào)發(fā)出約50 s后A10缸排氣溫度309MT達(dá)到758 ℃，超出720 ℃上限值，導(dǎo)致柴油機(jī)保護(hù)停機(jī)，試驗(yàn)失敗；停機(jī)后進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)過程中B10氣缸排氣溫度319MT異常升高，達(dá)到了571 ℃。檢查309MT和319MT熱電偶緊固情況，未發(fā)現(xiàn)松動(dòng)，打開A、B兩側(cè)進(jìn)氣總管底部螺堵發(fā)現(xiàn)殘留大量潤(rùn)滑油，A側(cè)進(jìn)氣總管排出約90 ml潤(rùn)滑油，B側(cè)進(jìn)氣總管排出約60 ml潤(rùn)滑油。

排油完成后第二次起機(jī)試驗(yàn)成功，A10、B10缸排氣溫度正常，其他運(yùn)行參數(shù)正常。

2019年11月29日，方家山2LHQ應(yīng)急柴油機(jī)執(zhí)行月度滿功率試驗(yàn)時(shí)，再次出現(xiàn)相同故障。B10缸排氣溫度319MT達(dá)到736 ℃，導(dǎo)致柴油機(jī)保護(hù)停機(jī)，試驗(yàn)失敗。隨后打開A、B兩側(cè)進(jìn)氣總管底部螺堵進(jìn)行排油，A側(cè)排出150 ml，B側(cè)排出270 ml；排油后第二次試驗(yàn)成功，A10、B10缸排氣溫度正常。

1.2 福清核電柴油機(jī)單缸排氣溫度高報(bào)警

2019年2月22日，福清核電1LHQ應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組低功率試驗(yàn)期間，柴油機(jī)啟動(dòng)初期(約在50 s之內(nèi))A10氣缸排氣溫度309MT和B10氣缸排氣溫度319MT溫度探頭顯示達(dá)到800 ℃以上，并觸發(fā)報(bào)警(福清采用應(yīng)急啟動(dòng)試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，氣缸排溫高僅會(huì)出現(xiàn)報(bào)警，不會(huì)導(dǎo)致保護(hù)停機(jī))。309MT報(bào)警持續(xù)時(shí)間約21 s，319MT持續(xù)時(shí)間約26 s，隨后溫度逐漸下降至720 ℃，報(bào)警消失。低功率試驗(yàn)穩(wěn)定運(yùn)行階段，309MT和319MT溫度正常，柴油機(jī)各項(xiàng)參數(shù)正常。

2019年4月，1LHQ應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組低功率試驗(yàn)期間再次發(fā)生相同故障，2019年6月、8月試驗(yàn)未再發(fā)生。

2 原因分析

柴油機(jī)排氣溫度高是一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)問題，受多個(gè)因素影響。根據(jù)柴油機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行數(shù)據(jù)、運(yùn)行環(huán)境等情況進(jìn)行分析判斷，設(shè)計(jì)如圖1中故障樹所示。

2.1 燃油供油系統(tǒng)故障分析

供油系統(tǒng)包括高壓油泵、噴油器及相關(guān)連接管路。通常高壓油泵齒條臟污、齒條卡死在最大位置會(huì)使氣缸處于多供油的位置，從而導(dǎo)致該缸功率增加、排氣溫度上升，對(duì)應(yīng)的現(xiàn)象是單個(gè)或某幾個(gè)氣缸排溫相對(duì)偏高。柴油機(jī)維護(hù)保養(yǎng)期間均會(huì)對(duì)齒條進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。

噴油器在使用一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)噴油壓力降低、霧化質(zhì)量變差等問題，使噴入氣缸的柴油無(wú)法完全燃燒或滯燃而導(dǎo)致排氣溫度升高。同樣地，該問題通常表現(xiàn)為單個(gè)或某幾個(gè)氣缸排溫升高。

方家山203、204兩次大修連續(xù)對(duì)A10、B10缸的噴油器進(jìn)行了校驗(yàn)，狀況良好。且高壓油泵及噴油器故障均為不可逆故障，二次起機(jī)后依然會(huì)存在，與現(xiàn)場(chǎng)情況不符。

小結(jié)：柴油機(jī)A10、B10缸排氣溫度異常上升的原因不在于供油系統(tǒng)。

2.2 低溫冷卻水系統(tǒng)故障

柴油機(jī)低溫冷卻水系統(tǒng)由柴油機(jī)機(jī)帶的低溫水泵提供動(dòng)力，中冷器中的空氣由低溫水冷卻。低溫水系統(tǒng)故障會(huì)導(dǎo)致中冷器的空氣降溫效果，導(dǎo)致柴油機(jī)進(jìn)氣溫度升高。第一次試驗(yàn)失敗前低溫水系統(tǒng)溫度和壓力未出現(xiàn)異常變化；第二次試驗(yàn)合格期間，低溫水入機(jī)溫度205MT為37.9 ℃，低溫水出機(jī)溫度206MT為46.5 ℃，低溫水泵出口壓力202MP為2.8 bar，均處于正常范圍內(nèi)，故判斷低溫水系統(tǒng)正常。

小結(jié)：柴油機(jī)A10、B10缸排氣溫度異常上升的原因不在于低溫冷卻水系統(tǒng)。

2.3 進(jìn)氣系統(tǒng)故障

應(yīng)急柴油機(jī)氣缸進(jìn)氣通過增壓和冷卻的方式來增加進(jìn)氣空氣量，進(jìn)氣系統(tǒng)主要有進(jìn)氣過濾器、中冷器等部件。如果進(jìn)氣過濾器、中冷器等出現(xiàn)堵塞或冷卻不足，會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)總體進(jìn)氣量減少，各個(gè)氣缸整體出現(xiàn)排氣溫度升高的情況，與實(shí)際事實(shí)不符。

小結(jié)：柴油機(jī)進(jìn)氣過濾器、中冷器狀不是排氣溫度高的原因。

2.4 潤(rùn)滑油計(jì)量泵(152PO)和噴嘴功能失效

潤(rùn)滑油計(jì)量泵(152PO)在柴油機(jī)廠也稱為進(jìn)氣閥閥座潤(rùn)滑油泵見。功能是將潤(rùn)滑油噴入進(jìn)氣總管內(nèi)，隨空氣一同進(jìn)入氣缸，潤(rùn)滑進(jìn)氣閥閥座，減少進(jìn)氣閥的穴蝕。如果152PO噴油量過大，很可能會(huì)使A、B兩側(cè)進(jìn)氣總管內(nèi)殘留過多的潤(rùn)滑油，熱備用期間匯聚至氣管末端，待啟動(dòng)時(shí)潤(rùn)滑油與空氣一同進(jìn)入A10/B10氣缸燃燒，導(dǎo)致燃燒不充分、排氣溫度過高。

潤(rùn)滑油計(jì)量泵出口管線與兩側(cè)進(jìn)氣總管連接處各安裝有一個(gè)噴嘴，功能是細(xì)化潤(rùn)滑油油滴，使進(jìn)入進(jìn)氣總管內(nèi)的潤(rùn)滑油容易隨空氣一同進(jìn)入氣缸。噴嘴細(xì)化潤(rùn)滑油精度差，很可能會(huì)使A、B兩側(cè)進(jìn)氣總管內(nèi)殘留過多的潤(rùn)滑油。

小結(jié)：柴油機(jī)潤(rùn)滑油計(jì)量泵(152PO)和噴嘴功能失效，可能是排氣溫度高的原因。

2.5 渦輪增壓器軸承室潤(rùn)滑油泄漏

方家山應(yīng)急柴油機(jī)氣缸的進(jìn)氣空氣通過5組第一級(jí)渦輪增壓器增壓后進(jìn)入第一級(jí)中冷器，再通過第二級(jí)渦輪增壓器增壓后進(jìn)入第二級(jí)中冷器，依靠中冷器中的冷卻水冷卻后進(jìn)入各個(gè)氣缸與霧化后的柴油混合燃燒，燃燒后的廢氣又推動(dòng)渦輪增壓器工作，隨后排入大氣。渦輪增壓器軸承室設(shè)置在廢氣側(cè)和壓氣側(cè)中間，軸承室有潤(rùn)滑油通過，工作壓力約在3.0～3.5 bar，其與廢氣側(cè)、壓氣側(cè)各設(shè)置有兩道軸封。軸承室與壓氣側(cè)軸封功能失效，會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑油泄漏至壓氣側(cè)，隨空氣流經(jīng)進(jìn)氣總管，進(jìn)入氣缸。

小結(jié)：存在渦輪增壓器軸承室潤(rùn)滑油泄漏至壓氣側(cè)，隨空氣進(jìn)入氣缸的可能性。

2.6 中冷器疏水管線堵塞

第一級(jí)中冷器和第二級(jí)中冷器均設(shè)置有疏水管線，最終匯流至廢液收集箱300BA中。疏水管線可以監(jiān)測(cè)中冷器是否存在冷卻水泄漏。疏水閥302 VA、311 VA分別安裝在A、B兩側(cè)的中冷器疏水管線中，由渦輪增壓器控制電磁閥組350UC控制，閥門僅在柴油機(jī)帶載時(shí)保持關(guān)閉。如果閥門無(wú)法正常開啟，會(huì)造成疏水管線堵塞，導(dǎo)致進(jìn)氣總管中局部殘留的潤(rùn)滑油無(wú)法排凈。檢查中冷器冷凝水疏水管線通暢，無(wú)堵塞。

小結(jié)：中冷器冷凝水疏水管線堵塞不是排氣溫度高的原因。

2.7 預(yù)潤(rùn)滑油壓過大

核電廠應(yīng)急柴油機(jī)通常會(huì)設(shè)置預(yù)潤(rùn)滑油系統(tǒng)，其作用是在柴油機(jī)未啟動(dòng)狀態(tài)下，建立潤(rùn)滑油壓力，減少柴油機(jī)啟動(dòng)時(shí)各摩擦副之間的磨損。方家山應(yīng)急柴油機(jī)預(yù)潤(rùn)滑油系統(tǒng)壓力由預(yù)潤(rùn)滑油泵153PO提供，同時(shí)在預(yù)潤(rùn)滑油系統(tǒng)與閥動(dòng)裝置潤(rùn)滑油系統(tǒng)(氣缸缸頭、搖臂等部件潤(rùn)滑油系統(tǒng)見圖2)邊界設(shè)置了一個(gè)壓力保持閥157 VH，該閥門開啟壓力值為1.5 bar。在柴油機(jī)熱備用狀態(tài)下，預(yù)潤(rùn)滑油系統(tǒng)中的潤(rùn)滑油應(yīng)無(wú)法進(jìn)入閥動(dòng)裝置潤(rùn)滑油系統(tǒng)，即預(yù)潤(rùn)滑油壓150MP應(yīng)小于1.5 bar。但是MTU廠家提供的技術(shù)大綱中未體現(xiàn)這一數(shù)值，方家山維修及運(yùn)行部門各類規(guī)程中預(yù)潤(rùn)滑油壓力指標(biāo)為：150MP>1.0 bar。未對(duì)壓力上限進(jìn)行要求。

圖2 閥動(dòng)裝置潤(rùn)滑油系統(tǒng)示意圖

方家山2LHQ應(yīng)急柴油機(jī)預(yù)潤(rùn)滑油泵于204大修執(zhí)行了定期更換項(xiàng)目，更換后預(yù)潤(rùn)滑油壓150MP壓力值調(diào)整為1.3～1.4 bar。204大修正好處于環(huán)境溫度較高時(shí)期，隨著環(huán)境溫度下降，預(yù)潤(rùn)滑油溫有所下降，預(yù)潤(rùn)滑油壓逐漸升高。經(jīng)查閱巡檢記錄，2019年10月底開始預(yù)潤(rùn)滑油壓逐步升高至1.5 bar，該壓力導(dǎo)致壓力保持閥157 VH開啟，潤(rùn)滑油開始進(jìn)入氣缸缸頭及搖臂，并順著氣門導(dǎo)桿進(jìn)入氣缸內(nèi)部(A10/B10缸距離157 VH最近，潤(rùn)滑油壓力最高)潤(rùn)滑油泄漏路徑見圖3。當(dāng)氣缸進(jìn)氣門在開位時(shí)潤(rùn)滑油進(jìn)入氣缸內(nèi)部積聚，起機(jī)后燃燒；當(dāng)氣缸氣門在關(guān)位時(shí)潤(rùn)滑油順著進(jìn)氣支管線回流至進(jìn)氣總管匯聚，可通過油堵排出，與故障描述一致。

圖3 潤(rùn)滑油進(jìn)入氣缸路線示意圖

氣缸進(jìn)氣風(fēng)門導(dǎo)桿本身有活動(dòng)間隙，柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)允許微量潤(rùn)滑油進(jìn)入氣缸，并不會(huì)影響柴油機(jī)排氣溫度。

內(nèi)窺鏡檢查發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)A10缸缸頭和進(jìn)氣支管內(nèi)有潤(rùn)滑油痕跡，見圖4?？梢源_定柴油機(jī)在熱備用狀態(tài)下，有潤(rùn)滑油進(jìn)入閥動(dòng)裝置系統(tǒng)中。

圖4 A10缸進(jìn)氣支管中潤(rùn)滑油痕跡，A10缸缸頭潤(rùn)滑油痕跡

結(jié)合外部經(jīng)驗(yàn)反饋分析缺陷產(chǎn)生過程：

福清核電1～4號(hào)機(jī)組應(yīng)急柴油機(jī)型號(hào)與方家山相同，福清核電1LHQ應(yīng)急柴油機(jī)2019年2月、4月連續(xù)兩次試驗(yàn)啟動(dòng)初期出現(xiàn)A10和B10氣缸排氣溫度高故障。排氣溫度從達(dá)到720 ℃報(bào)警出現(xiàn)，而后升至800 ℃以上再降至720 ℃報(bào)警消失，報(bào)警持續(xù)時(shí)間約為26 s，該故障與方家山非常相似。排氣溫度高短時(shí)存在也說明A10、B10氣缸內(nèi)有其它可燃物進(jìn)入，其總量可以在約26 s時(shí)間內(nèi)燃燒結(jié)束。

潤(rùn)滑油的閃點(diǎn)約為220 ℃，在氣缸內(nèi)可以被點(diǎn)燃。過量的潤(rùn)滑油進(jìn)入氣缸會(huì)影響空氣總量，導(dǎo)致氣缸內(nèi)燃油燃燒不充分，未完全燃燒的潤(rùn)滑油和燃油排出氣缸后在排氣支管出現(xiàn)二次燃燒，造成排氣溫度異常升高，柴油機(jī)保護(hù)跳機(jī)。隨后再次啟動(dòng)因氣缸內(nèi)潤(rùn)滑油已燃燒殆盡，故柴油機(jī)可以正常起機(jī)運(yùn)行，與本次故障表征一致。

小結(jié)：預(yù)潤(rùn)滑油油壓高很可能是排氣溫度高的根本原因。

2.8 總結(jié)原因

原因如下：1)供油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、疏水管線故障被排除；2)152PO與渦輪增壓可能存在泄漏故障；3)預(yù)潤(rùn)滑油壓力過大為主要懷疑對(duì)象。

3 處理措施及效果

根據(jù)第2節(jié)原因分析，預(yù)潤(rùn)滑油壓力(150MP)高是造成排氣溫度高的主要懷疑對(duì)象，維修部門于2019年12月14 日，對(duì)2LHQ應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)的預(yù)潤(rùn)滑油泵(153PO)進(jìn)行了出口壓力調(diào)整。將預(yù)潤(rùn)滑油泵壓力從1.5 bar調(diào)減為1.2 bar，并排凈進(jìn)氣總管內(nèi)剩余積油。

2019年12月27日，方家山2LHQ應(yīng)急柴油機(jī)執(zhí)行月度滿功率試驗(yàn)，柴油機(jī)順利起機(jī)，A10、B10缸排氣溫度正常，試驗(yàn)一次合格；且試驗(yàn)前檢查進(jìn)氣總管內(nèi)無(wú)潤(rùn)滑油積聚，潤(rùn)滑油泄漏情況消失。

直至2020年8月，共9次月度試驗(yàn)2LHQ柴油機(jī)再未出現(xiàn)過單缸排氣溫度高相關(guān)缺陷，進(jìn)氣總管內(nèi)也無(wú)潤(rùn)滑油積聚，確認(rèn)故障消除。同時(shí)排除原因分析中的“潤(rùn)滑油計(jì)量泵(152PO)與渦輪增壓可能存在泄漏故障”的可能性，確認(rèn)潤(rùn)滑油計(jì)量泵及渦輪增壓器設(shè)備功能正常可用。

4 結(jié)論及推廣

本文結(jié)合故障樹對(duì)柴油機(jī)單缸溫度高的缺陷進(jìn)行詳細(xì)分析論證，確認(rèn)造成柴油機(jī)起機(jī)瞬間單缸排氣溫度高的原因如下：

直接原因：潤(rùn)滑油進(jìn)入A10、B10氣缸積聚，造成氣缸內(nèi)燃燒不充分，未完全燃燒的潤(rùn)滑油和燃油排出氣缸后在排氣支管出現(xiàn)二次燃燒，導(dǎo)致排氣溫度異常升高。

根本原因：MTU提供的技術(shù)文件中僅對(duì)預(yù)潤(rùn)滑油油壓的最低值進(jìn)行了要求，未對(duì)預(yù)潤(rùn)滑油壓力上線進(jìn)行要求，導(dǎo)致預(yù)潤(rùn)滑油壓力過高，進(jìn)入氣缸缸頭，順著氣門導(dǎo)桿在氣缸內(nèi)部積聚。

該缺陷若持續(xù)擴(kuò)大，潤(rùn)滑油在氣缸內(nèi)積聚超過一定量就會(huì)形成油錘，此時(shí)啟動(dòng)柴油機(jī)會(huì)導(dǎo)致氣缸活塞連桿因油錘變形彎曲，甚至出現(xiàn)柴油機(jī)飛車報(bào)廢的重大缺陷，反應(yīng)堆也會(huì)因?yàn)槭?yīng)急電源而進(jìn)入停堆模式。

該缺陷根本原因的發(fā)現(xiàn)成功排除了方家山、福清核電柴油機(jī)的重大安全隱患；其經(jīng)驗(yàn)反饋也為其他電廠解決同類缺陷提供了重要的技術(shù)指導(dǎo)?，F(xiàn)MTU公司已根據(jù)該經(jīng)驗(yàn)反饋發(fā)函國(guó)內(nèi)各電廠，修改MTU柴油機(jī)預(yù)潤(rùn)滑油壓力限值為1.0～1.2 bar。