某核電廠附加柴油機啟動失敗原因分析

余澤輝，閔濟東，賴斌生，王飛龍

（福建福清核電有限公司，福建福州 350318）

0 引言

某核電廠的附加柴油機為20V956TB33 型進口柴油機，在執(zhí)行應(yīng)急柴油機大修前，利用其頂替此列應(yīng)急電源但無法啟動。下面以此案例為例，對影響該附加柴油機啟動的可能原因進行分析和介紹。

1 啟動系統(tǒng)概述

附加柴油機利用壓縮空氣推動活塞，使柴油機轉(zhuǎn)動并最終達到點火轉(zhuǎn)速而啟動。該柴油機配置了兩列獨立的壓縮空氣啟動系統(tǒng)，每列壓縮空氣啟動系統(tǒng)均設(shè)置有獨立的空壓機和儲氣罐，能單獨啟動柴油機。需要啟動柴油機時，通過電信號控制主啟動閥上的控制電磁閥，打開主啟動閥。兩列壓縮空氣均會通過止回閥600VA，才能供給下游。經(jīng)過止回閥后，一路壓縮空氣進入柴油機兩側(cè)的空氣分配器，通過空氣分配器控制各氣缸蓋的壓縮空氣啟動閥開啟；一路壓縮空氣供給氣缸蓋的壓縮空氣啟動閥，當啟動閥打開時壓縮空氣進入氣缸，推動活塞向下運動，從而推動曲軸轉(zhuǎn)動，膨脹后的壓縮空氣由排氣門排出氣缸（圖1）。柴油機曲軸在各個氣缸活塞的依次推動下，連續(xù)轉(zhuǎn)動并達到點火轉(zhuǎn)速。柴油被壓燃后，燃燒提供的動力繼續(xù)推動柴油機轉(zhuǎn)動，并最終達到額定轉(zhuǎn)速[1]。

圖1 壓縮空氣啟動系統(tǒng)

1.1 燃油系統(tǒng)

附加柴油機啟動時間控制在10 s 內(nèi)，如果超過10 s 柴油機仍未達到額定轉(zhuǎn)速1500 r/min 則啟動失敗。在啟動階段，壓縮空氣需要在6 s 內(nèi)推動柴油機曲軸轉(zhuǎn)動達到350 r/min，然后由燃油燃燒提供動力繼續(xù)推動柴油機轉(zhuǎn)動并迅速達到額定轉(zhuǎn)速。燃油的供應(yīng)也是正常啟動的關(guān)鍵一環(huán)。

附加柴油機設(shè)置有一個主油罐，其油量可以滿足柴油機滿功率運行7 d。在高于柴油機的位置設(shè)置有一個日用油箱，它在重力作用下通過油管直接向柴油機供油，柴油機機帶油泵對燃油進行加壓，通過噴油器將燃油噴入氣缸內(nèi)燃燒。在柴油機運行時啟動一臺燃油泵，從主油罐持續(xù)向日用油箱供油，日用油箱能滿足柴油機1 h 運行的燃油消耗。

1.2 主啟動閥

主啟動閥是柴油機啟動的控制閥門，設(shè)置在柴油機與壓縮空氣儲氣罐之間。在正常備用情況下，柴油機只需要開啟此閥門壓縮空氣就會進入柴油機，并推動柴油機啟動。當柴油機轉(zhuǎn)速達到350 r/min 時，主啟動閥關(guān)閉，切斷壓縮空氣供應(yīng)。

在柴油機的左右兩側(cè)各有一個主啟動閥，每個均能單獨啟動柴油機。正常啟動時，啟動信號同時控制打開兩個的主啟動閥，兩列壓縮空氣同時進氣，以確保壓縮空氣的供應(yīng)。

主啟動閥上配置有一個手柄和一個電磁閥，通過手柄能就地手動打開閥門。電磁閥能實現(xiàn)主啟動閥遠程控制的功能，同時也具備就地操作的功能，電磁閥開啟時，會引導(dǎo)一路壓縮空氣進入主啟動閥，利用壓縮空氣的壓力打開主啟動閥。

1.3 止回閥

在柴油機啟動階段，為防止氣缸內(nèi)燃油燃燒產(chǎn)生的壓力以及運行時氣缸啟動閥密封不嚴導(dǎo)致的氣缸內(nèi)的壓力回竄到啟動壓縮空氣系統(tǒng)，在主啟動閥下游設(shè)置了一個止回閥600VA，兩列主啟動閥供應(yīng)的壓縮空氣均會通過此止回閥。該閥為立式升降式止回閥，材料為碳鋼鍍鋅，開啟壓力0.1 bar（0.1 MPa）。

1.4 空氣分配器

空氣分配器由凸輪軸控制，主要是根據(jù)發(fā)火循序?qū)嚎s空氣輸送至氣缸蓋上的啟動閥，控制啟動閥的開啟和關(guān)閉。附加柴油機左右兩側(cè)各布置一個空氣分配器，能單獨控制一側(cè)的氣缸進氣。

確定算例結(jié)構(gòu)后，利用ISAGA對式(32)進行仿真計算，算法基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)置最大容忍停滯代數(shù)為300，其余數(shù)據(jù)同算法評測時的設(shè)置。算例將供應(yīng)鏈外部市場需求設(shè)置為符合正態(tài)分布的隨機變量，涉及的所有碳足跡基礎(chǔ)數(shù)據(jù)均來自實際調(diào)查數(shù)據(jù)和GaBi 6.10數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)。進一步設(shè)置供應(yīng)商生產(chǎn)過程使用回收原材料比率為0.2，回收商回收產(chǎn)品配比為0.15。為了方便分析，將補充環(huán)節(jié)碳足跡作為生產(chǎn)準備碳足跡分拆入供應(yīng)商及制造商生產(chǎn)環(huán)節(jié)。所有碳足跡單位為容量和運輸量單位為件。為了更好地測試算例，共設(shè)置了6個多計劃周期，產(chǎn)品市場需求數(shù)據(jù)設(shè)置如表3所示，其余數(shù)據(jù)予以省略。

空氣分配器中設(shè)置有一個跟隨凸輪軸轉(zhuǎn)動的圓盤，圓盤上有一個小孔。圓盤前端連接到啟動壓縮空氣管線，后端的分配器殼體上設(shè)置有10 個小孔，每個小孔出口連接到一個氣缸頂部的啟動閥。柴油機轉(zhuǎn)動時，圓盤上的小孔依次與殼體上的小孔對應(yīng)，將壓縮空氣依次送到各個啟動閥，利用壓縮空氣的壓力開啟啟動閥。在任意角度上都至少有一個殼體上的小孔與圓盤的小孔聯(lián)通，保證任意時刻啟動柴油機都至少有一個啟動閥是開啟狀態(tài)，保證柴油機的啟動可靠性。

每個氣缸蓋上均布置有一個啟動閥，啟動閥為柱塞式單向閥，動作由空氣分配器控制：來自空氣分配器的空氣進入啟動閥的閥柱塞室，柱塞被迫向下、閥門開啟，壓縮空氣進入柴油機氣缸內(nèi)，從而推動活塞運動。如果控制空氣中斷或柱塞室泄漏，在彈簧的作用下啟動閥關(guān)閉（圖2）。

圖2 啟動閥

2 啟動失敗原因分析

附加柴油機啟動失敗可能的原因有柴油機嚴重卡澀、啟動信號不正常、主啟動閥未正常開啟、壓縮空氣管線因異物堵塞或壓力不足、空氣分配器故障或啟動閥未正常開啟、燃油管線進氣、止回閥卡澀等[4]。

2.1 柴油機嚴重卡澀

附加柴油機上一次運行到本次啟動，時間間隔不到一年，且無檢修工作。啟動前一直處于備用狀態(tài)，預(yù)熱功能和預(yù)潤滑油功能均正常。所以，柴油機嚴重卡澀的可能性很小，不作為優(yōu)先排查的因素。

2.2 啟動信號不正常

檢查柴油機轉(zhuǎn)速曲線，柴油機有轉(zhuǎn)動且確定啟動信號正常，故排除啟動信號的因素。

2.3 燃油管線進氣

（1）燃油系統(tǒng)進氣是柴油機啟動失敗的常見原因，但上一次運行到本次啟動，附加柴油機并無燃油系統(tǒng)開口檢修的記錄，可以排除檢修后燃油系統(tǒng)排氣不足的因素。

（2）考慮燃油系統(tǒng)因管道連接松動，導(dǎo)致空氣進入管道的可能。因日用油箱位置高于柴油機，柴油機未啟動時，在重力作用下，燃油管線內(nèi)壓力大于大氣壓，若燃油系統(tǒng)管道連接松動，會導(dǎo)致燃油泄漏，但現(xiàn)場未發(fā)現(xiàn)燃油泄漏的問題，故排除燃油系統(tǒng)管道連接松動的可能性。

（3）查看啟動階段的轉(zhuǎn)速，最大轉(zhuǎn)速不到50 r/min，未達到點火轉(zhuǎn)速350 r/min，可知燃油還未開始燃燒，故排除燃油的因素。

2.4 主啟動閥未正常開啟

主啟動閥本體也存在卡澀的可能性，但兩臺主啟動閥同時卡澀的可能性很小，因此不作為優(yōu)先排查的因素。

2.5 壓縮空氣管線因異物堵塞或壓力不足

（1）壓縮空氣管線因異物堵塞。上一次正常運行后，壓縮空氣管線無檢修工作，排除異物堵塞的因素。柴油機首次啟動失敗前及更換電磁閥后啟動前，均有檢查壓縮空氣儲氣罐、壓力正常，可排除壓縮空氣壓力不足的因素。

（2）空氣分配器故障或啟動閥未正常開啟。兩臺空氣分配器同時故障的可能性很小，啟動閥更是多達20 個，同時故障的可能性也很小，因此空氣分配器和啟動閥均不是優(yōu)先排查的因素。

2.6 止回閥卡澀

止回閥600VA 是啟動壓縮空氣的必經(jīng)之路，而且只有一個止回閥，若止回閥卡死則必然導(dǎo)致啟動失敗，故將止回閥600VA 作為本次排查的重點。

拆下止回閥后發(fā)現(xiàn)，止回閥內(nèi)部已全面銹蝕。該止回閥正常開啟壓力為0.1 bar，但現(xiàn)場借助工具多人按壓均無法開啟。拆下閥芯，正常情況下閥芯的導(dǎo)向桿與導(dǎo)向槽在彈簧壓力下會自動分離，但此閥芯之間已嚴重卡死，閥芯與導(dǎo)向槽之間不能分離，使用鐵錘敲打，只能按壓約2 mm 的距離，仍然不能拆開。

止回閥600VA 嚴重銹蝕卡澀，啟動時只有少量壓縮空氣能進入柴油機，只能推動柴油機緩慢轉(zhuǎn)動，無法在設(shè)定時間內(nèi)達到額定轉(zhuǎn)速，最終啟動失敗。

更換止回閥600VA 后，附加柴油機啟動成功。因此確認止回閥600VA 卡澀是本次啟動失敗的原因。

3 故障解決

在確定止回閥600VA 嚴重銹蝕后，同步排查了壓縮空氣管線的其他止回閥及管道，均未發(fā)現(xiàn)銹蝕情況。也檢查了同型號的其他柴油機（包括外電廠的），均未發(fā)現(xiàn)600VA 銹蝕的情況。止回閥600VA 為碳鋼鍍鋅材料，有一定的防腐能力，且工作介質(zhì)為經(jīng)過過濾、干燥的壓縮空氣，不接觸腐蝕性介質(zhì)，因此推斷止回閥600VA 銹蝕不是普遍現(xiàn)象，懷疑該止回閥存在質(zhì)量缺陷[4]。

為確保柴油機的可靠性，保守決策，在柴油機的四年度預(yù)防性維修工作中，增加了止回閥的檢查項目。

4 結(jié)束語

附件柴油機啟動失敗后，結(jié)合現(xiàn)場信息，對可能的原因按可能性大小進行排查，最終確定止回閥600VA 銹蝕卡澀是啟動失敗的原因，更換止回閥后柴油機成功啟動。通過本案例柴油機啟動失敗的排查過程及故障原因，對核電廠柴油機的啟動壓縮空氣系統(tǒng)提出了優(yōu)化方案，對類似缺陷處理有一定借鑒作用。