核电厂某型应急柴油机启动超时的原因分析

闵济东 赖斌生 余泽辉 王飞龙

（福建福清核电有限公司，福建 福清 350318）

0 引言

某核电厂采用了M310二代改进型压水堆技术，每台反应堆配置2台应急柴油机，独立为两条应急母线供电。根据安全准则，要求柴油机从启动到建立额定电压、额定频率的时间必须小于10 s。

设备使用的是20V956TB33型进口柴油机，在某次月度试验中，应急启动时间由PLC计算为10.038 s，超出了定期试验监督要求。本文对影响应急柴油机应急启动超时的可能因素进行分析，介绍了压空系统、冷却水系统、润滑系统以及燃油系统排查过程以及结论，为后续类似故障处理提供借鉴和参考。

1 压缩空气启动系统

单台柴油机配置两个独立的压缩空气启动系统，是柴油机启动的动力来源。两套独立的系统均启动应急柴油机，其包含的主要是设备有空压机（含干燥器）——气瓶——出口隔离阀——柴油机主启动阀——启动空气分配器——气缸进气阀。

柴油机利用压缩空气推动气缸启动。装在柴油机两端的启动空气分配器由凸轮轴驱动，它按发火顺序将少量压缩空气送至装在气缸盖上的启动阀。启动空气分配器将压缩空气作为控制空气分配给各个起动阀，并推动启动阀开启，从而将准备好的大量的起动压缩空气引入气缸，压缩空气膨胀推动活塞向下运动，使得曲轴转动，膨胀后的压缩空气由排气门排出。20个气缸按发火顺序依次推动曲轴转动，应急柴油机转速加快。

一旦柴油机达到了最低转速（350 rpm）并点火，该控制回路就被速度传感器的继电器中断，主启动阀的电磁先导阀被关闭，这同样导致主启动阀开启的动力气源被切断，压缩空气启动系统停止工作。如果启动过程中柴油机6s内没有点火，则送出“启动失败”的信号，同时控制电磁阀被断电关闭。

在排查过程中，电厂逐渐排除了气瓶压力缓慢下降、出口隔离阀未打开、主启动阀电磁阀漏气/未打开、压缩空气进气管线存在泄漏等可能的隐患，将压缩空气系统的问题定位在启动空气分配器和进气阀等问题。

1.1 空气分配器

空气分配器由凸轮轴控制，主要作用是根据发火循序将压缩空气输送至气缸头的进气阀，由Nova-Werke AG制造，其中空气分配器因连接组件磨损等造成发火顺序紊乱，分配盘连接轴和连接组件之间存在磨损，极有可能导致气缸的压力不去，启动时间偏长。

电厂在大修过程中，对启动空气分配器进行了解体检查，A侧无磨损痕迹，B侧有轻微磨损但不影响功能，启动空气分配器不是造成应急柴油机启动时间偏长的主要原因。

1.2 进气阀

压缩空气的进气阀安装在气缸盖上，属于由活塞驱动的止回阀。进气阀卡涩将导致压缩空气不能完全进入活塞做功。在大修期间对20个气缸的进气阀进行了检查，使用一字螺丝刀进行下压时，发现B7气缸的进气阀存在轻微卡涩，主要表现在打开时存在较大阻力，随后进行了更换。

1.3 启动模式切换阀254VA

254VA用于柴油机启动模式的切换。在应急柴油机软启动时，该阀门处于关闭位置，压缩空气进入气缸启动柴油机，但柴油机处于快启时，254VA阀门开启，切换软启回路，压缩空气将执行启动和燃烧用空气的功能。若电磁阀不能动作或者关闭不严，部分启动压缩泄漏至软启动回路，启动时间将不能满足要求。但电厂大修期间检查254VA动作正常，为确保没有内漏，保守更换了电磁阀。

此外对启动压空系统的检查未见异常，但是在大修再鉴定过程中，柴油机的气动时间为9.3 s且后续试验中仍存在一定波动，最高达到9.7 s。

2 冷却系统、润滑系统

柴油机在低温环境下启动时，进气、燃油温度低，燃油蒸发缓慢，雾化不良，由于缸壁的冷却，在燃烧室壁形成激冷层，使火焰传播中止而熄灭，容易撞击汽缸壁产生“冷激效应”。低温使润滑油黏度系数增大，启动阻力增大，可燃混合气在压缩终点燃烧不充分。这些原因导致了柴油机低温启动性能差，启动时间长。

一组试验结果表明，当冷却液温度提高到20℃、30℃和40℃时，启动转速峰值分别下降了2.76%、3.98%和5.55%，达到稳定的时间分别减少了9.86%、12.86%和15.49%。随着冷却液温度提高，转速的峰值和稳定的时间有着减小的趋势。但减少幅度在不断降低，冷却液温度对启动性能的改善效果也在降低。

检查该柴油机的预热温度表明，该柴油机预热系统投运正常，柴油机保持在恒定60～65℃，能够优化缸体内的燃烧环境，对启动时间无影响。

同样检查发现，该设备预润滑流量和压力保持正常，对启动时间无影响。

3 燃油系统

在排查压空、冷却、润滑等系统后，该型柴油机的定期试验的启动时间仍靠近10 s上限，进一步排查发现柴油机的启动时间存在部分差异，350 rpm之前由压缩空气启动，到达点火转速350 rpm后柴油机将靠燃烧提升转速并到达额定转速。比对结果如图1和图2所示。

图1 电厂各柴油机的启动时间

图2 应急柴油机ECS油门曲线

柴油机启动试验表明启动油量越大。起动初期转速上升响应时间越快，转速峰值越大，说明在启动加速期，采用大油量容易启动。当油量超过某一定值时，转速超调峰值反而下降。原因在于起动加速期转速还处于低速期，进气量少，油量过多导致缸内空燃比减小；另一方面喷油器喷射大油量时轨压有所下降。油滴颗粒直径增大，雾化效果变差；这两方面均使燃烧恶化。大量油滴蒸发需要吸收气缸内热量，降低混合气温度，从而影响蒸发效果。

常见的启动油门开度有固定油门开度起动、平滑降油控制起动、阶梯降油控制起动等[1]。

固定油门开度起动，即如果在起动阶段的第一个喷油循环给定固定的油门开度，在起动后应急柴油机保持恒定油量，直到转速超过怠速，然后油量才进行自动调节。有试验表明，固定油门开度起动时，无论是取较大的油门开度还是较小的油门开度，柴油机的启动都不能达到理想的效果，小的油门开度时存在失火循环，燃烧不充分导致启动时间无法满足。而大油门开度时混合气太浓，空气量太少导致同样的燃烧不充分，中等起动油量的排放结果也在二者之间，对于启动时间均无明显改善。

平滑降油控制起动，即以大油门开度起动，达到起动油量结束转速时将油量下降，然后小幅度平滑降低油门开度，直到进入ECS控制在相应目标转速。启动阶段由于采用了大油门开度起动，并没有失火循环发生，且燃烧也比较充分；过渡阶段会存在一个失火循环，且存在很多燃烧不完全循环。这导致了启动时间同样不能完全满足。

阶梯降油控制起动，以大油量起动，油量的变化呈阶梯状。起动阶段的大油量起动保证了无失火现象和燃烧不完全现象，由于阶梯降油过渡阶段没有失火循环发生，这样就保证了整个起动过程无失火现象，从而燃烧相对连续，但是从缸内压力试验证明缸内燃烧并不是很充分，主要受制于启动压空退出燃烧后，进气氧气含量不足[2]。

因此可以看出，1LHP的柴油机启动曲线明显异常，在柴油机到达200rpm以后，油门曲线迅速拉小，降油方式燃烧导致柴油机在达到发火转速后无法得到充足的润滑油量，无法得到燃烧所必须的柴油，燃烧不充分。在修改了ECS曲线后，缓慢下降启动后油门开度，能够有效改进启动阶段应急柴油机的燃烧情况，应急启动时间基本恢复正常。

4 结束语

在对启动空气分配器、进气阀和软启动切换电磁阀进行消缺后，应急柴油机启动时间略有好转但未根治。对应急柴油机的启动油门曲线修改为阶梯降油控制起动方式后，应急柴油机启动时间有明显好转，取得了良好的治理效果，确保了机组的正常运行。通过结合本案例启动油门曲线的修改，对核电厂应急柴油机的启动时间控制提出了优化，对类似缺陷处理有一定的借鉴意义。