MTU柴油機單缸排氣溫度高跳機的故障分析與處理措施

施雪峰，陳年時，徐毅哲

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

方家山核電機組應急柴油機采用德國MTU公司生產的20V956TB33型柴油機，共20個缸呈V型布置，額定轉速1500 r/min，持續額定功率6000 kW。使用此型號應急柴油機的核電機組有田灣核電1～4號機組、嶺澳核電3～4號機組、秦二廠3～4號機組、福清核電1～4號機組、陽江核電1～6號機組，共有51臺在運行應急柴油機。

1 應急柴油發電機故障描述

1.1 方家山柴油機單杠排氣溫度高跳機

2019年11月1日，方家山2LHQ應急柴油機執行月度滿功率試驗。柴油機啟動信號發出約50 s后A10缸排氣溫度309MT達到758 ℃，超出720 ℃上限值，導致柴油機保護停機，試驗失敗；停機后進一步檢查發現，試驗過程中B10氣缸排氣溫度319MT異常升高，達到了571 ℃。檢查309MT和319MT熱電偶緊固情況，未發現松動，打開A、B兩側進氣總管底部螺堵發現殘留大量潤滑油，A側進氣總管排出約90 ml潤滑油，B側進氣總管排出約60 ml潤滑油。

排油完成后第二次起機試驗成功，A10、B10缸排氣溫度正常，其他運行參數正常。

2019年11月29日，方家山2LHQ應急柴油機執行月度滿功率試驗時，再次出現相同故障。B10缸排氣溫度319MT達到736 ℃，導致柴油機保護停機，試驗失敗。隨后打開A、B兩側進氣總管底部螺堵進行排油，A側排出150 ml，B側排出270 ml；排油后第二次試驗成功，A10、B10缸排氣溫度正常。

1.2 福清核電柴油機單缸排氣溫度高報警

2019年2月22日，福清核電1LHQ應急柴油發電機組低功率試驗期間，柴油機啟動初期(約在50 s之內)A10氣缸排氣溫度309MT和B10氣缸排氣溫度319MT溫度探頭顯示達到800 ℃以上，并觸發報警(福清采用應急啟動試驗模式，氣缸排溫高僅會出現報警，不會導致保護停機)。309MT報警持續時間約21 s，319MT持續時間約26 s，隨后溫度逐漸下降至720 ℃，報警消失。低功率試驗穩定運行階段，309MT和319MT溫度正常，柴油機各項參數正常。

2019年4月，1LHQ應急柴油發電機組低功率試驗期間再次發生相同故障，2019年6月、8月試驗未再發生。

2 原因分析

柴油機排氣溫度高是一個較為復雜的系統問題，受多個因素影響。根據柴油機設計結構、運行數據、運行環境等情況進行分析判斷，設計如圖1中故障樹所示。

2.1 燃油供油系統故障分析

供油系統包括高壓油泵、噴油器及相關連接管路。通常高壓油泵齒條臟污、齒條卡死在最大位置會使氣缸處于多供油的位置，從而導致該缸功率增加、排氣溫度上升，對應的現象是單個或某幾個氣缸排溫相對偏高。柴油機維護保養期間均會對齒條進行檢查，未發現異常。

噴油器在使用一段時間后會出現噴油壓力降低、霧化質量變差等問題，使噴入氣缸的柴油無法完全燃燒或滯燃而導致排氣溫度升高。同樣地，該問題通常表現為單個或某幾個氣缸排溫升高。

方家山203、204兩次大修連續對A10、B10缸的噴油器進行了校驗，狀況良好。且高壓油泵及噴油器故障均為不可逆故障，二次起機后依然會存在，與現場情況不符。

小結：柴油機A10、B10缸排氣溫度異常上升的原因不在于供油系統。

2.2 低溫冷卻水系統故障

柴油機低溫冷卻水系統由柴油機機帶的低溫水泵提供動力，中冷器中的空氣由低溫水冷卻。低溫水系統故障會導致中冷器的空氣降溫效果，導致柴油機進氣溫度升高。第一次試驗失敗前低溫水系統溫度和壓力未出現異常變化；第二次試驗合格期間，低溫水入機溫度205MT為37.9 ℃，低溫水出機溫度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，故判斷低溫水系統正常。

小結：柴油機A10、B10缸排氣溫度異常上升的原因不在于低溫冷卻水系統。

2.3 進氣系統故障

應急柴油機氣缸進氣通過增壓和冷卻的方式來增加進氣空氣量，進氣系統主要有進氣過濾器、中冷器等部件。如果進氣過濾器、中冷器等出現堵塞或冷卻不足，會導致柴油機總體進氣量減少，各個氣缸整體出現排氣溫度升高的情況，與實際事實不符。

小結：柴油機進氣過濾器、中冷器狀不是排氣溫度高的原因。

2.4 潤滑油計量泵(152PO)和噴嘴功能失效

潤滑油計量泵(152PO)在柴油機廠也稱為進氣閥閥座潤滑油泵見。功能是將潤滑油噴入進氣總管內，隨空氣一同進入氣缸，潤滑進氣閥閥座，減少進氣閥的穴蝕。如果152PO噴油量過大，很可能會使A、B兩側進氣總管內殘留過多的潤滑油，熱備用期間匯聚至氣管末端，待啟動時潤滑油與空氣一同進入A10/B10氣缸燃燒，導致燃燒不充分、排氣溫度過高。

潤滑油計量泵出口管線與兩側進氣總管連接處各安裝有一個噴嘴，功能是細化潤滑油油滴，使進入進氣總管內的潤滑油容易隨空氣一同進入氣缸。噴嘴細化潤滑油精度差，很可能會使A、B兩側進氣總管內殘留過多的潤滑油。

小結：柴油機潤滑油計量泵(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滑油泄漏

方家山應急柴油機氣缸的進氣空氣通過5組第一級渦輪增壓器增壓后進入第一級中冷器，再通過第二級渦輪增壓器增壓后進入第二級中冷器，依靠中冷器中的冷卻水冷卻后進入各個氣缸與霧化后的柴油混合燃燒，燃燒后的廢氣又推動渦輪增壓器工作，隨后排入大氣。渦輪增壓器軸承室設置在廢氣側和壓氣側中間，軸承室有潤滑油通過，工作壓力約在3.0～3.5 bar，其與廢氣側、壓氣側各設置有兩道軸封。軸承室與壓氣側軸封功能失效，會導致潤滑油泄漏至壓氣側，隨空氣流經進氣總管，進入氣缸。

小結：存在渦輪增壓器軸承室潤滑油泄漏至壓氣側，隨空氣進入氣缸的可能性。

2.6 中冷器疏水管線堵塞

第一級中冷器和第二級中冷器均設置有疏水管線，最終匯流至廢液收集箱300BA中。疏水管線可以監測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，閥門僅在柴油機帶載時保持關閉。如果閥門無法正常開啟，會造成疏水管線堵塞，導致進氣總管中局部殘留的潤滑油無法排凈。檢查中冷器冷凝水疏水管線通暢，無堵塞。

小結：中冷器冷凝水疏水管線堵塞不是排氣溫度高的原因。

2.7 預潤滑油壓過大

核電廠應急柴油機通常會設置預潤滑油系統，其作用是在柴油機未啟動狀態下，建立潤滑油壓力，減少柴油機啟動時各摩擦副之間的磨損。方家山應急柴油機預潤滑油系統壓力由預潤滑油泵153PO提供，同時在預潤滑油系統與閥動裝置潤滑油系統(氣缸缸頭、搖臂等部件潤滑油系統見圖2)邊界設置了一個壓力保持閥157 VH，該閥門開啟壓力值為1.5 bar。在柴油機熱備用狀態下，預潤滑油系統中的潤滑油應無法進入閥動裝置潤滑油系統，即預潤滑油壓150MP應小于1.5 bar。但是MTU廠家提供的技術大綱中未體現這一數值，方家山維修及運行部門各類規程中預潤滑油壓力指標為：150MP>1.0 bar。未對壓力上限進行要求。

圖2 閥動裝置潤滑油系統示意圖

方家山2LHQ應急柴油機預潤滑油泵于204大修執行了定期更換項目，更換后預潤滑油壓150MP壓力值調整為1.3～1.4 bar。204大修正好處于環境溫度較高時期，隨著環境溫度下降，預潤滑油溫有所下降，預潤滑油壓逐漸升高。經查閱巡檢記錄，2019年10月底開始預潤滑油壓逐步升高至1.5 bar，該壓力導致壓力保持閥157 VH開啟，潤滑油開始進入氣缸缸頭及搖臂，并順著氣門導桿進入氣缸內部(A10/B10缸距離157 VH最近，潤滑油壓力最高)潤滑油泄漏路徑見圖3。當氣缸進氣門在開位時潤滑油進入氣缸內部積聚，起機后燃燒；當氣缸氣門在關位時潤滑油順著進氣支管線回流至進氣總管匯聚，可通過油堵排出，與故障描述一致。

圖3 潤滑油進入氣缸路線示意圖

氣缸進氣風門導桿本身有活動間隙，柴油機運行時允許微量潤滑油進入氣缸，并不會影響柴油機排氣溫度。

內窺鏡檢查發現柴油機A10缸缸頭和進氣支管內有潤滑油痕跡，見圖4。可以確定柴油機在熱備用狀態下，有潤滑油進入閥動裝置系統中。

圖4 A10缸進氣支管中潤滑油痕跡，A10缸缸頭潤滑油痕跡

結合外部經驗反饋分析缺陷產生過程：

福清核電1～4號機組應急柴油機型號與方家山相同，福清核電1LHQ應急柴油機2019年2月、4月連續兩次試驗啟動初期出現A10和B10氣缸排氣溫度高故障。排氣溫度從達到720 ℃報警出現，而后升至800 ℃以上再降至720 ℃報警消失，報警持續時間約為26 s，該故障與方家山非常相似。排氣溫度高短時存在也說明A10、B10氣缸內有其它可燃物進入，其總量可以在約26 s時間內燃燒結束。

潤滑油的閃點約為220 ℃，在氣缸內可以被點燃。過量的潤滑油進入氣缸會影響空氣總量，導致氣缸內燃油燃燒不充分，未完全燃燒的潤滑油和燃油排出氣缸后在排氣支管出現二次燃燒，造成排氣溫度異常升高，柴油機保護跳機。隨后再次啟動因氣缸內潤滑油已燃燒殆盡，故柴油機可以正常起機運行，與本次故障表征一致。

小結：預潤滑油油壓高很可能是排氣溫度高的根本原因。

2.8 總結原因

原因如下：1)供油系統、冷卻水系統、進氣系統、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)預潤滑油壓力過大為主要懷疑對象。

3 處理措施及效果

根據第2節原因分析，預潤滑油壓力(150MP)高是造成排氣溫度高的主要懷疑對象，維修部門于2019年12月14 日，對2LHQ應急柴油發電機的預潤滑油泵(153PO)進行了出口壓力調整。將預潤滑油泵壓力從1.5 bar調減為1.2 bar，并排凈進氣總管內剩余積油。

2019年12月27日，方家山2LHQ應急柴油機執行月度滿功率試驗，柴油機順利起機，A10、B10缸排氣溫度正常，試驗一次合格；且試驗前檢查進氣總管內無潤滑油積聚，潤滑油泄漏情況消失。

直至2020年8月，共9次月度試驗2LHQ柴油機再未出現過單缸排氣溫度高相關缺陷，進氣總管內也無潤滑油積聚，確認故障消除。同時排除原因分析中的“潤滑油計量泵(152PO)與渦輪增壓可能存在泄漏故障”的可能性，確認潤滑油計量泵及渦輪增壓器設備功能正常可用。

4 結論及推廣

本文結合故障樹對柴油機單缸溫度高的缺陷進行詳細分析論證，確認造成柴油機起機瞬間單缸排氣溫度高的原因如下：

直接原因：潤滑油進入A10、B10氣缸積聚，造成氣缸內燃燒不充分，未完全燃燒的潤滑油和燃油排出氣缸后在排氣支管出現二次燃燒，導致排氣溫度異常升高。

根本原因：MTU提供的技術文件中僅對預潤滑油油壓的最低值進行了要求，未對預潤滑油壓力上線進行要求，導致預潤滑油壓力過高，進入氣缸缸頭，順著氣門導桿在氣缸內部積聚。

該缺陷若持續擴大，潤滑油在氣缸內積聚超過一定量就會形成油錘，此時啟動柴油機會導致氣缸活塞連桿因油錘變形彎曲，甚至出現柴油機飛車報廢的重大缺陷，反應堆也會因為失去應急電源而進入停堆模式。

該缺陷根本原因的發現成功排除了方家山、福清核電柴油機的重大安全隱患；其經驗反饋也為其他電廠解決同類缺陷提供了重要的技術指導。現MTU公司已根據該經驗反饋發函國內各電廠，修改MTU柴油機預潤滑油壓力限值為1.0～1.2 bar。