应急柴油机涡轮增压器怠速高报警故障处理

魏邦华

(福建福清核电有限公司，福建 福清 350318)

应急柴油发电机组对核反应堆的安全非常重要，其在核电站中的功能是在厂外主电源和厂外备用电源均失去的情况下，为核电站中的安全级设备提供可靠电源，保证堆芯充分冷却，确保反应堆安全停堆，可以说应急柴油发电机组是反应堆的最后一道防线执行反应堆的安全停堆功能。特别是在事故工况、全厂断电或地震情况下，该设备必需可靠启动，为堆芯冷却设备提供可靠应急电源，确保反应堆安全。根据运行技术规范若应急柴油发电机组不可用将会产生第一组I0，检修必须在3天内完成[1]。

1 核级应急柴油发电机组主要技术指标

应急柴油发电机组涉及反应堆的安全，因此对核级应急柴油发电机组技术指标也特别高的要求，一般百万千瓦等级核电站均配套两组(LHP/LHQ)独立的应急柴油机组，每台机组的功率均在6 000 kW左右，任意一台应急柴油发电机组启动均能够满足核电站内应急厂用设备用电要求，确保反应堆安全停堆[2]。因柴油发电机组在核电站中的重要性，在设计上对柴油发电机组的技术指标有非常严格的要求，在应急柴油机组招标的采购技术规格书中已明确供应商所提供的应急柴油机组设备应满足RCC、IEC、HAF等标准及法规要求，具体如下：

•10 s内启动并达到额定转速及额定电压。

•100次启停试验不允许有一次失败，启动可靠性达到100%[3]。

•每台柴油机组均配备两套独立压空启动系统(A列/B列)，每列启动系统均可保证柴油机的可靠启动。

•为保证柴油机组的可靠启动每台柴油机均配备两套独立的控制系统ECS系统，当主ECS系统故障时，备用ECS系统仍可保证柴油机组的启动及运行。

•应急柴油机组机械部件安全等级为核三级或LS级；电气设备为1E级[4]。

•应急柴油机组设备抗震等级为抗震1类，其中柴油机、发电机、燃油输送泵及电机、风扇冷却器及电机设备为1A类，即这些设备在所有地震条件下不仅能保证结构完整，还要能持续可靠运行[5]。

•应急柴油发电机组应能具备全厂断电的黑启动功能[6]。

•应急柴油发电机组瞬态稳定性较好，加载时电压和频率的趺落不超过75%和95%，并在2S之内恢复到90%和98%[7]。

•机组每套压空系统在不补气的情况应能保证机组5次启停。

•应急柴油机组应具备连续满功率运行168 h的能力，确保事故情况下能安全停堆。

•应急柴油机组应具备苛刻的过负荷能力，每24 h允许在110%电功率下连续运行2 h。

2 某核电站4LHP柴油机B3废气涡轮怠速高情况简介

2.1 某核电站柴油机组废气涡轮增压器设计及投用介绍

某核电站4LHP柴油机(4号机组P列应急柴油机组)采用的是MTU(德国柴油机制造厂)制造的956 TB33(柴油机型号)系列柴油机，该型号柴油机组共设计5组废气涡轮增压器(A1/A2/B1/B2/B3)，空载时A1/A2(柴油机A列)涡轮增压器即投用，B1/B2/B3(柴油机B列)随负荷的增加逐步投用，随A1/A2涡轮增压器转速的升高，B1/B2废气涡轮增压器逐步投入运行，当B2增压器的转速达到40 000 r/min时B3废气涡轮增压器才投入运行[8]。

2.2 该核电站4LHP柴油机B3废气涡轮怠速高故障简介

该核电站经首次大修后，在4LHP柴油机组再鉴定空载试验时出现了B3废气涡轮怠速高故障。现场对B3废气涡轮进行转速通道进行录波，发现该故障有如下特征。

2.2.1 出现怠速高报警是非连续性且呈现周期性波动

出现怠速高报警的废气涡轮增压器B3，在柴油机达到额定转速的时候第一次出现怠速高报警，持续时间约为2 s，速度波动幅度0～30 000 r/min，如图1所示。出现怠速高报警时速度呈现周期性波动，实际采集频率的计算周期为885 ms，波动幅度3 000～30 000 r/min，几乎每次都可以达到30 000 r/min，下降后的速度大小不一。具体录波波形如图2所示。

图1 废气涡轮增压器(B3)第一次出现怠速高报警Fig.1 First appearing of the idle speed alarm of the B3 exhaust turbocharger

图2 废气涡轮增压器(B3)录波波形Fig.2 The wave shape record of the B3 exhaust turbocharger

2.2.2 出现怠速高报警的B3废气涡轮增压器停机无惰转时间

柴油机组停机阶段，柴油机及A1/A2废气涡轮增压器均有一定的惰转时间，A1/A2废气涡轮增压器从38 000 r/min到零转速的惰转时间为75 s，而B3废气涡轮增压器从30 000 r/min转到零转速无惰转时间，具体见图3。

图3 废气涡轮增压器(B3)停机惰转录波波形Fig.3 The wave shape record of B3 exhaust turbocharger

3 该核电站4LHP柴油机B3废气涡轮怠速高初步原因分析

按照柴油机组的控制逻辑图，柴油机空载情况下B3废气涡轮增压器处于未投用状态[9]，即B3废气涡轮增压器废气侧隔离阀及空气侧隔离阀在电磁阀的控制下应处于关闭状态，B3废气涡轮增压器转速应为零，若此时B3废气涡轮增压器出现转速高报警，则表明柴油机组处于异常状态，需要排查。

3.1 废气涡轮增压器机械结构

为了便于深入分析问题，需对废气涡轮增压器机械结构及功能进行简单的介绍，废气涡轮增压器主要作用是利用柴油机做过功后的高温废气推动废气涡轮转动，从而带增压器转动，对柴油机燃烧空气进行加压，提高单位体积内燃烧空气的含氧量，从而提高柴油机组燃烧效率，增加柴油机组的功率。其结构如图4所示。

图4 废气涡轮增压器结构图Fig.4 The structure of the exhaust turbocharger

3.2 废气涡轮增压器(B3)怠速高报警故障树分析表

分析B3废气涡轮怠速高故障原因可能是废气涡轮进气阀内漏造成的B3废气涡轮增压器真实转动，也有可能是转速探头损坏、转速信号通道及控制系统ECS问题，为了排查故障列出所有可能原因故障树如表1所示。

表1 4LHP柴油机B3废气涡轮怠速高故障树分析表

3.3 废气涡轮增压器(B3)怠速高报警初步原因分析

从废气涡轮增压器的机械结构上分析，在离心压缩机空气侧阀门关阀的状态下(无负载)，轻微的涡轮侧漏气都可能造成转速快速升高，但是正是由于没有负载，整个废气涡轮组降速的速度不可能很快，根据录波测得的B3转速曲线，B3涡轮转速呈周期性波动，波动周期均在秒级以内，尤其降速速率，如此高频率波动不符合低负载转子的转动特性。

查MTU提供的备件手册资料可知废气涡轮的重量是4 130 kg、空气侧的压缩轮重量是1 160 kg[10]，加上涡轮轴及轴承等附件，整个转子的重量至少为5 290 kg以上，涡轮直径约500 mm，根据前面录波测得的数据B3涡轮增压器转速波动周期平均为0.74 s，依据这些数据从理论力学的角度进行初步计算分析:

理论力学转动惯量的计算公式:[11]

I=mr2

(1)

理论力学动量矩的计算公式:

L=mvr=mr2ω=Iω

(2)

理论力学动量矩定理的计算公式:

M=dL/dt

(3)

式中:I——转动惯量;

m——转动体的质量;

r——转动体的转动半径;

M——合外力矩;

ω——转动的角速度。

根据式(1)计算出涡轮增压器的转动惯量:

I=5 290×0.252=330.6 kg·m2

假设升速及降速时间均等，则降速的时间为0.37 s，由图2可以看出每个波动周期内转速下降后的速度大小不一，最大为20 000 r/min，该转速对应的角速度ω1=2πn1=2π×20 000 r/min=120 000弧度/秒，由式(2)计算此时的动量矩L1=330.6 kg·m2×120 000弧度/秒=39 672 000 kg·m2/s。

30 000 r/min对应的角速度ω=2πn=2π×30 000 r/min=2π×600RPS=1 200π=216 000弧度/秒，根据式(2)计算出此时的动量矩L=330.6 kg·m2×216 000弧度/秒=71 409 600 kg·m2/s。

根据式(3)计算出当B3废气涡轮增压器从30 000 r/min转速降低到20 000 r/min转速时所受的合外力矩M=dL/dt=(71 409 600 kg·m2/s-39 672 000 kg·m2/s)/0.37=85 777 297.3 kg·m。

涡轮增压器轴系所受合外力F=M/r=85 777 297.3 kg·m/0.25 m=343 109 189 kg。

在B3涡轮增压器无负载的情况下涡轮增压器的轴系不可能受到如此大的外力，据此初步分析B3废气涡轮增压器怠速高报警可能是非真实转速，该转速信号可能是电气或仪控误发的虚假信号。

4 该核电站4LHP柴油机B3废气涡轮怠速高根本原因排查

4.1 机械专业静态排查

在柴油机未启动的情况下机械专业对B3废气涡轮增压器废气侧隔离阀的控制电磁阀及执行机构进行了检查，并手动操作电磁阀观察该增压器废气侧隔离阀动作是否正常，从检查的结果来看未发现异常，可以排除电磁阀故障及执行机构故障导致的B3废气涡轮怠速高报警问题。

4.2 仪控专业静态排查

1)检查转速探头至ECS间电缆的绝缘连续性，检查结查电缆的绝缘连续性合格。

2)对5组涡轮增压器内的转速探头的阻值进行测量检查，对比5组阻值数据，B3内转速探头阻值无异常。五组转速探头阻值检查记录如表2所示。

表2 4LHP柴油机5组涡轮增压器转速探头阻值

尽管测得的探头阻值正常，还不能完全确定B3废气涡轮增压器的转速探头就无问题，主要原因是B3涡轮增压器怠速高报警在机组运行阶段仅随机性出现，且呈现非持续的现象，因此，假如探头有问题也只能在出现报警时才能发现阻值异常，因此探头问题还不能完全排除。

4.3 电气专业静态排查

(1)检查转速探头至ECS控制模块间测量通道，ECS卡件精度符合要求，测量通道无异常。

(2)核实B3涡轮增压器转速信号的处理逻辑是否异常，用40 000r/min转速模似信号输入，B3涡轮增压器转速显示正确。

通过电气专业对测量通道的静态检查可以排除通道问题导致的B3废气涡轮怠速高报警。经过机、电、仪专业的静态排查后余下可能原因主要有B3废气涡轮隔离阀可能存在内漏、主调速系统ECS系统模块故障、B3废气涡轮增压器的转速探头故障。

4.4 机械专业动态排查

柴油机启动后，机械专业拆除A1及B3废气涡轮增压器排气膨胀节下部的保温层，使用热成像仪和点温仪对A1(投运)、B3排气膨胀节同时进行测温，以判断B3废气涡轮增压器隔离阀是否存在内漏及B3废气涡轮增压器是否真实转动。测得的数据记录如表3所示。

表3 4LHP柴油机A1、B3涡轮增压器排气管温度测量记录表

A1废气涡轮增压器为投运的增压器，其排气管温度约为170～200 ℃，而B3废气涡轮增压器排气管温度始终为45～55 ℃，说明B3废气涡轮增压器隔离阀没有内漏，B3废气涡轮增压器未投运，结合前面4.3节的初步分析可以确定B3废气涡轮增压器怠速高报警是非真实转速，该转速信号是电气或仪控误发的虚假信号。

4.5 电气及仪控专业动态排查

电气专业在在ECS控制模块的前端端子箱中接入录波仪对B3废气涡轮增压器转速信号进行录波，在柴油机组转速达到1 511 r/min， ECS前端录波仪显示主探头出现波动，备用探头始终显示正常，详见图5所示。

图5 B3废气涡轮增压器转速主、副探头录波波形记录Fig.5 The wave shape record for the speed probe of B3 exhaust turbocharger

为了进一步验证B3废气涡轮增压器转速信号的主探头存在问题，决定对B3废气涡轮增压器转速信号的主探头及A2废气涡轮增压器转速信号的主探头在ECS前端同时进行录波，以便对比A2/B3主探头的录波波形并分析原因，再次启动4LHP柴油机，柴油机降速至时刻，B3主探头如预期出现波动，A2主探头转速无波动，数值平稳，录得的A2/B3主转速探头波形如图6所示。

图6 B3废气涡轮增压器主探头与A2废气涡轮增压器录波波形Fig.6 The wave shape record for the main speed probe of B3 and A2 exhaust turbocharger

从录波情况分析，B3废气涡轮增压器转速信号的主探头及副探头的波形存在明显差异，且主探头波动曲线显示出明显周期性；从录得的A2/B3主探头波形上看，B3废气涡轮增压器转速信号的主探头在柴油机的转速达到1 511 r/min时出现明显波动，而A2主探头转速无波动。据此判断B3废气涡轮增压器转速信号的主探头有问题。

5 该核电站4LHP柴油机B3废气涡轮怠速高故障处理

经机、电、仪各专业的细致排查已锁定4LHP柴油机B3废气涡轮怠速高报警的原因是B3废气涡轮增压器的转速主探头存在问题，现场将B3废气涡轮增压器的转速探头用新备件更换后，再次启动柴油机未出现B3废气涡轮怠速高报警，随后进行的柴油机组低功率及满功率过程中均未出现B3废气涡轮怠速高报警，经试验验证该问题已经解决，柴油机可用。

6 结论

4LHP柴油机B3废气涡轮增压器的怠速高故障报警问题，经机、电、仪三个专业静态及动态排查最终锁定B3废气涡轮增压器的主探头故障是导致本次柴油机组异常报警的根本原因，现场经更换B3废气涡轮增压器的转速主探头后效果显著，故障完全消除。

应急柴油发电机组是核电站中重要的核安全级设备，其能否稳定可靠备用对整个核电机组的可运行性产生重要影响，根据运行技术规范若应急柴油发电机组不可用将会产生第一组I0，检修必须在3 d内完成，否则必须退防，确保核安全。因此在核电站运行期间，保证柴油机可靠备用尤为重要，而柴油机组设备上各类测点故障是导致柴油机组不可用的主要原因之一，因此后续在柴油机组的可靠性管理方面需重视仪控各类测点的可靠性。