基于熱力學理論的應急柴油機潤滑油溫高原因分析

李小虎 毛勁松

（中廣核核電運營有限公司，深圳 512124）

應急柴油發電機組是核電站的一套安全專用設備，用于給連接在應急母線上的重要中、低壓核輔助設備供電，以確保反應堆安全停堆，同時還用于防止正常的外部交流電源系統失電而導致重要的設備損壞，以確保人身安全。應急柴油發電機組在核電站起到重要的電源保障作用，因此，柴油機及其相關設備的異常問題都應該引起足夠的重視并妥善的解決。

1 系統簡述

柴油機通常有五大系統，分別為燃油、潤滑油、（高/低溫）冷卻水、啟動空氣和進排氣系統，根據與該問題的相關性，這里簡要介紹潤滑油、冷卻水系統。

1.1 冷卻水系統

冷卻水系統的任務是在柴油機工作時保證冷卻水不斷的流過受熱機件，吸收和帶走工作中產生的熱量，同時，還通過熱交換器帶走潤滑油的熱量和增壓空氣的熱量，使它們的溫度保持在合適的范圍內，從而保證柴油機連續正常工作，如圖1所示。

本文涉及的柴油機冷卻水為閉式循環系統，主要流程如下：冷卻水進入機體后，經由管式冷卻器冷卻增壓空氣，再經過管式換熱器冷卻潤滑油后，由柴油機自驅的單級離心水泵加壓進入機身腔體冷卻燃燒室組件，然后經機體出口支管匯集至總管，再由總管流向溫度控制閥（溫控閥）。溫控閥內置溫敏元件根據冷卻水溫情況將冷卻水導入強制冷卻的翅片式風冷散熱器或直接返回到機體入口，從而保證進入機體的冷卻水溫度在一定范圍內。

1.2 潤滑油系統

潤滑油系統的任務是在柴油機運行時保證一定壓力和溫度的潤滑油送達各潤滑點，潤滑機件表面，同時冷卻和清洗各摩擦副，保證相互配合機件的磨損在可控范圍內。另外，潤滑油還可起到表面防腐、防銹等功能。

本文涉及柴油機為濕式油底殼，潤滑油系統為閉式循環系統，主要流程如下：柴油機自驅動的齒輪式潤滑油泵從油底殼內吸取潤滑油加壓后進入管式油水熱交換器冷卻，再經調壓閥及過濾器后進入機體內部油道，從而到達曲軸、凸輪軸、連桿大端、活塞底部、搖臂機構等工作點，最后又匯集到油底殼中。過程中，潤滑油的溫度控制由水溫調節來實現。

1.3 建立分析模型

圖1 油水熱交換器和風冷散熱器

根據上述流程，當柴油機穩定運行時，在各系統的相互配合下，整體發熱和冷卻散熱達到某一平衡點，此時熱工參數均穩定在要求的范圍內，可將柴油機的傳熱循環簡化為如下模型：將柴油機整體看作為一個恒定熱源，通過潤滑油系統及冷卻水系統冷卻，被加熱的潤滑油通過熱交換器與進入機體前的冷卻水進行熱量交換，完成潤滑油系統熱量交換的冷卻水和吸收柴油機本體熱量的冷卻水會合后，經溫控閥調節通過強制風冷散熱器與大氣進行熱量傳遞，達到適合溫度的冷卻水再次與潤滑油及機體進行熱交換，形成散熱循環。

柴油機在滿功率穩定運行過程中，設備本身溫度偏差較小，且廠房溫度由通風系統維持基本穩定不變，同時自然對流情況下散發的熱量相對較小，可簡化為柴油機運行過程中產生的熱量主要依靠潤滑油及冷卻水帶出。

依據上述簡化，建立柴油機運行過程中傳熱模型如圖2所示。

圖2 柴油機傳熱循環簡圖

2 原因分析

2.1 柴油機本體的熱交換分析

根據圖2可知，柴油機運行過程中發出的熱量主要依靠潤滑油及冷卻水交換帶出[1]。忽略散熱損失的情況下，依據能量守恒定律，將上述模型用熱平衡方程表征如下：

式中，Qe代表柴油機發熱量;QW代表冷卻水吸熱量;QO代表潤滑油吸熱量。

根據熱量計算公式：

式中，Q代表熱量；C代表熱量；M代表流量；ΔT代表溫度增量。

代入熱平衡方程中，得：

式中，Co代表潤滑油比熱；Cw代表冷卻水比熱；Mo代表潤滑油流量；Mw代表冷卻水流量；ΔTo代表潤滑油溫升；ΔTw代表冷卻水溫升。

由于冷卻水系統為封閉式系統，系統循環動力為離心式水泵，其流量MW取決于水泵的揚程（壓力）及系統管阻特性，如圖3離心泵的工作點曲線所示。在前次大修中，完成了油水熱交換器的清洗工作，并在此次大修中完成了冷卻水系統的沖洗工作，因此可認為系統的管阻特性與系統原設計一致無變化，根據現場檢測的冷卻水系統壓力參數與歷史水平相同來看，可認為系統冷卻水流量MW為定量。

圖3 離心泵工作點曲線

圖4 齒輪泵理論特性曲線

潤滑油系統的循環動力為齒輪油泵，一定型式的齒輪泵在轉速為定值時，其流量也確定為一定值，其理論特性曲線如圖4所示，因此系統設計上一般設置有安全閥，以保證系統壓力升高到一定程度后泄壓而保護系統和設備。通常情況下只有改變泵的轉速或者改變泵的結構或改變泵出口閥開度才能改變其流量Mo。因柴油機轉速一定，現場監測的系統壓力、溫升情況與歷史水平相當，管路無任何改變，可認為系統潤滑流量Mo也為定量。

冷卻水比熱CW和潤滑油比熱CO均為常量，根據采集的現場系統運行數據表1，計算可得此次柴油機磨合過程中：

ΔTW1≈ ΔTW2≈11℃

ΔTo1≈ ΔTo2≈6℃

表1 現場整理的系統運行參數情況

因此：

Qe1≈Qe2

即，該潤滑油溫高的柴油機與參考柴油機相比，柴油機運行過程中各部件的發熱量相當。

同時，對比該柴油機歷史上多次的同功率平臺下的運行參數，冷卻水通過柴油機后溫度增幅ΔTW均維持在11℃左右；潤滑油溫度增幅因柴油機出口潤滑油溫度無測點，此次根據分析需要使用手持式設備測量，但考慮到系統相關性及設備運行特性，結合冷卻水的溫度增幅ΔTW在11℃左右，可以判斷ΔTo也應維持在6℃左右。即該潤滑油溫高的柴油機當前運行狀態與歷史運行狀態相當。

2.2 油水熱交換器的熱交換分析

對于同一熱交換器，換熱效率主要取決于工作介質的比熱、流量及溫升的變化。此例中，冷卻水比熱CW和潤滑油的比熱CO均為常量，系統冷卻水流量Mw和潤滑流量Mo可看成定量。因此，忽略散熱損失的情況下，油水熱交換器的換熱效率可由下式表示：

式中，ηO為理論換熱效率；Co代表潤滑油比熱；Cw代表冷卻水比熱；Mo代表潤滑油流量；Mw代表冷卻水流量；ΔTo代表潤滑油溫升；ΔTw代表冷卻水溫升。

表2 油水熱交換器進出口參數情況

由表2可得，管換1與管換4的傳熱效率相當，管換2與管換3的傳熱效率相當。即，四個完全相同的熱交換器實際計算熱效率有所不同，但在廠房相同位置布置的兩個熱交換器的換熱效率是相當的。這與熱交換器在柴油機廠房內的布置空間不完全相同造成的傳熱損失差異有關，這也是導致柴油機運行參數略有差異的原因。

2.3 風冷器的熱交換分析

對于翅片式熱交換器，根據能量守恒定律，忽略散熱損失的情況下，換熱方程式為：

Q=CW·MW·ΔTW=K·Ca·Ma·ΔTO

式中，Ca代表空氣比熱；Cw代表冷卻水比熱；K代表傳熱系數；Ma代表空氣流量；Mw代表冷卻水流量；ΔTa代表空氣溫升；ΔTw代表冷卻水溫升。

表3 風冷器進出口參數情況

結合表3數據，由換熱方程式可得溫度高柴油機和參考柴油機的冷卻水溫升分別為：

根據風冷器的現場布局及各冷卻風機的情況，軸流風機、葉片安裝角度一致、使用相同電機且實際運行電流接近，可近似認為空氣流量相同，即Ma為常量。此例中空氣溫度相對較低且接近，可認為空氣的比熱容Ca為定值[2]。水的比熱容Cw為常量，可得：

流經風冷器的冷卻水流量由回路中的溫控閥根據冷卻水的實際溫度情況調節控制，在此次維修中溫控閥元件的設定值已校驗并合格，可認為溫控閥元件工作正常，即，溫控閥開度隨著冷卻水溫度的變化而正常響應，在柴油機滿功率運行條件下，冷卻水溫度高于溫控閥元件設定值，因此溫控閥全開運行，此時柴油機出口的所有冷卻水都經過風冷器冷卻后再回到入口。

根據2.1的推論，因溫度高柴油機和參考柴油機的冷卻水系統管路完全相同，運行參數基本相同，此處可認為兩臺通過風冷器的冷卻水流量基本相等，即Mw1≈Mw2。

由此可得：

考慮到測量累積誤差、散熱器肋片的表面狀態略有差異，可認為溫度高柴油機和參考柴油機的風冷器傳熱系數也是幾乎相等的[3]。

綜上所述，通過對柴油機運行過程中各部位的傳熱計算，初步分析認為該潤滑油溫高的柴油機各部件運轉狀態正常，冷卻水系統及潤滑油系統運行也均正常。

2.4 現場觀測及驗證情況補充分析

試驗過程中，現場觀測到油溫高的柴油機在滿功率時，水溫、油溫均緩慢上升，逐漸超過上限值并穩定，在降功率后，水溫、油溫均會下降至標準要求范圍內并穩定。

用熱成像儀測量溫度高柴油機的風冷器進口空氣溫度為44/43℃，比參考柴油機的風冷器進口空氣溫度32/35℃高出10℃左右。在油溫高的柴油機風冷器進出口間增加物理隔斷后，如圖5所示，再次使用熱成像儀測量風冷器進口空氣溫度在35℃左右，與參考柴油機基本相當。且在增加隔斷后，該柴油機冷卻水和潤滑油溫度明顯降低，并處于合格范圍之內。

圖5 風冷器進出口物理隔斷示意

從文中整理的數據不難看出，溫度高的柴油機從風冷器處的空氣到冷卻水、潤滑油系統溫度整體都高出參考柴油機。經現場觀測、橫向參考柴油機對比及縱向歷史情況對比分析，確認該柴油機油溫高的原因是廠房外部空間狹小，風冷器出口部分熱風被冷卻風機吸入風冷器，導致風冷器所處的環境溫度升高，使得風冷器冷卻效率降低，進而導致柴油機冷卻水溫度和潤滑油溫度跟隨升高，使其超過標準要求。通過增加物理隔斷驗證進一步驗證了此分析結論，現場工作人員的熱感也直接證明了這一點。

3 結論

熱力學中實際的熱量傳遞過程都是以熱傳導、熱對流和熱輻射三種基本方式進行，有時以其中的一種方式傳遞，但大多數情況下都是以兩種或三種熱量傳遞方式同時進行。本文以熱力學理論為基礎，從柴油機熱量產生到導出的各個環節定性對比分析，利用系統的運行經驗對過程中一些非主要成份進行了有效的簡化，排除了因柴油機部件及冷卻水、潤滑油系統運行異常導致的油溫升高因素，并在理論分析的基礎上結合實際驗證，確認造成該柴油機潤滑油溫高的原因為風冷器廠房外部空間狹小，布置不合理導致的熱風回流，最終通過增加物理隔斷優化廠房布置徹底解決了該柴油機潤滑油溫高的問題。