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，可以說應急柴油發電機組是反應堆的最后一道防線執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。根據運行技術規范若應急柴油發電機組不可用將會產生第一組I0，檢修必須在3天內完成[1]。

1 核級應急柴油發電機組主要技術指標

應急柴油發電機組涉及反應堆的安全，因此對核級應急柴油發電機組技術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電機組啟動均能夠滿足核電站內應急廠用設備用電要求，確保反應堆安全停堆[2]。因柴油發電機組在核電站中的重要性，在設計上對柴油發電機組的技術指標有非常嚴格的要求，在應急柴油機組招標的采購技術規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等標準及法規要求，具體如下：

?10 s內啟動并達到額定轉速及額定電壓。

?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(A列/B列)，每列啟動系統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ECS系統，當主ECS系統故障時，備用ECS系統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構完整，還要能持續可靠運行[5]。

?應急柴油發電機組應能具備全廠斷電的黑啟動功能[6]。

?應急柴油發電機組瞬態穩定性較好，加載時電壓和頻率的趺落不超過75%和95%，并在2S之內恢復到90%和98%[7]。

?機組每套壓空系統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

該核電站經首次大修后，在4LHP柴油機組再鑒定空載試驗時出現了B3廢氣渦輪怠速高故障。現場對B3廢氣渦輪進行轉速通道進行錄波，發現該故障有如下特征。

2.2.1 出現怠速高報警是非連續性且呈現周期性波動

出現怠速高報警的廢氣渦輪增壓器B3，在柴油機達到額定轉速的時候第一次出現怠速高報警，持續時間約為2 s，速度波動幅度0～30 000 r/min，如圖1所示。出現怠速高報警時速度呈現周期性波動，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 出現怠速高報警的B3廢氣渦輪增壓器停機無惰轉時間

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時間，A1/A2廢氣渦輪增壓器從38 000 r/min到零轉速的惰轉時間為75 s，而B3廢氣渦輪增壓器從30 000 r/min轉到零轉速無惰轉時間，具體見圖3。

圖3 廢氣渦輪增壓器(B3)停機惰轉錄波波形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[9]，即B3廢氣渦輪增壓器廢氣側隔離閥及空氣側隔離閥在電磁閥的控制下應處于關閉狀態，B3廢氣渦輪增壓器轉速應為零，若此時B3廢氣渦輪增壓器出現轉速高報警，則表明柴油機組處于異常狀態，需要排查。

3.1 廢氣渦輪增壓器機械結構

為了便于深入分析問題，需對廢氣渦輪增壓器機械結構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動，從而帶增壓器轉動，對柴油機燃燒空氣進行加壓，提高單位體積內燃燒空氣的含氧量，從而提高柴油機組燃燒效率，增加柴油機組的功率。其結構如圖4所示。

圖4 廢氣渦輪增壓器結構圖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漏造成的B3廢氣渦輪增壓器真實轉動，也有可能是轉速探頭損壞、轉速信號通道及控制系統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構上分析，在離心壓縮機空氣側閥門關閥的狀態下(無負載)，輕微的渦輪側漏氣都可能造成轉速快速升高，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，根據錄波測得的B3轉速曲線，B3渦輪轉速呈周期性波動，波動周期均在秒級以內，尤其降速速率，如此高頻率波動不符合低負載轉子的轉動特性。

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，整個轉子的重量至少為5 290 kg以上，渦輪直徑約500 mm，根據前面錄波測得的數據B3渦輪增壓器轉速波動周期平均為0.74 s，依據這些數據從理論力學的角度進行初步計算分析:

理論力學轉動慣量的計算公式:[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——轉動慣量;

m——轉動體的質量;

r——轉動體的轉動半徑;

M——合外力矩;

ω——轉動的角速度。

根據式(1)計算出渦輪增壓器的轉動慣量:

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轉速下降后的速度大小不一，最大為20 000 r/min，該轉速對應的角速度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。

根據式(3)計算出當B3廢氣渦輪增壓器從30 000 r/min轉速降低到20 000 r/min轉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速，該轉速信號可能是電氣或儀控誤發的虛假信號。

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 機械專業靜態排查

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

4.2 儀控專業靜態排查

1)檢查轉速探頭至ECS間電纜的絕緣連續性，檢查結查電纜的絕緣連續性合格。

2)對5組渦輪增壓器內的轉速探頭的阻值進行測量檢查，對比5組阻值數據，B3內轉速探頭阻值無異常。五組轉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，且呈現非持續的現象，因此，假如探頭有問題也只能在出現報警時才能發現阻值異常，因此探頭問題還不能完全排除。

4.3 電氣專業靜態排查

(1)檢查轉速探頭至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渦輪增壓器轉速信號的處理邏輯是否異常，用40 000r/min轉速模似信號輸入，B3渦輪增壓器轉速顯示正確。

通過電氣專業對測量通道的靜態檢查可以排除通道問題導致的B3廢氣渦輪怠速高報警。經過機、電、儀專業的靜態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漏、主調速系統ECS系統模塊故障、B3廢氣渦輪增壓器的轉速探頭故障。

4.4 機械專業動態排查

柴油機啟動后，機械專業拆除A1及B3廢氣渦輪增壓器排氣膨脹節下部的保溫層，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漏及B3廢氣渦輪增壓器是否真實轉動。測得的數據記錄如表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漏，B3廢氣渦輪增壓器未投運，結合前面4.3節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速，該轉速信號是電氣或儀控誤發的虛假信號。

4.5 電氣及儀控專業動態排查

電氣專業在在ECS控制模塊的前端端子箱中接入錄波儀對B3廢氣渦輪增壓器轉速信號進行錄波，在柴油機組轉速達到1 511 r/min， ECS前端錄波儀顯示主探頭出現波動，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廢氣渦輪增壓器轉速信號的主探頭存在問題，決定對B3廢氣渦輪增壓器轉速信號的主探頭及A2廢氣渦輪增壓器轉速信號的主探頭在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主探頭如預期出現波動，A2主探頭轉速無波動，數值平穩，錄得的A2/B3主轉速探頭波形如圖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廢氣渦輪增壓器轉速信號的主探頭在柴油機的轉速達到1 511 r/min時出現明顯波動，而A2主探頭轉速無波動。據此判斷B3廢氣渦輪增壓器轉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

經機、電、儀各專業的細致排查已鎖定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速主探頭存在問題，現場將B3廢氣渦輪增壓器的轉速探頭用新備件更換后，再次啟動柴油機未出現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B3廢氣渦輪怠速高報警，經試驗驗證該問題已經解決，柴油機可用。

6 結論

4LHP柴油機B3廢氣渦輪增壓器的怠速高故障報警問題，經機、電、儀三個專業靜態及動態排查最終鎖定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，現場經更換B3廢氣渦輪增壓器的轉速主探頭后效果顯著，故障完全消除。

應急柴油發電機組是核電站中重要的核安全級設備，其能否穩定可靠備用對整個核電機組的可運行性產生重要影響，根據運行技術規范若應急柴油發電機組不可用將會產生第一組I0，檢修必須在3 d內完成，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。