柴油发电机组预热系统故障问题分析及处理

陈庆旭 雷超 汪可 郭俊材 陈芃吉 肖克雅 徐来

摘要：柴油发电机组是应急配电系统重要组成部分，预热装置作为柴油发电机组辅助设备其作用为维持柴油机水温和滑油温度始终保持在要求范围，尤其是在低温环境下起到保护机体的作用。确保柴油机在低温环境下可随时启动，并在最短时间内逐级加载到全负荷，无需柴油发电机组怠速运转来实现升温过程，可减少不必要的零件磨损和油耗，延长柴油机使用寿命。本文基于应急柴油发电机组预热装置工作原理，通过分析其工作环境、设计原理，研究预热装置故障原因，并提出优化方案，对预热装置系统进行改进，有效解决预热问题。

关键词：预热系统;电加热器;应急柴油发电机组

中图分类号：TM314                                    文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）10-0124-03

0  引言

柴油发电机组启动性能与环境温度有关，尤其对核电机组，要求机组在任何时候都能正常启动，并在最短时间内逐级加载到全负荷[1]。对柴油机的机油和冷却水温度都有严格规定。为使柴油发电机组始终处于随时能工作带载的备用状态，特设置了预热装置这一配套设备，保证柴油机冷却系统自动加温、恒温的要求。根据设计文件要求，机组启动前冷却水温度≥55℃、润滑油温度≥40℃，但在实验期间并不能满足设计要求。

1  预热工艺

本系统预热装置为外设装置，预热系统主要设备有：高温水预热泵、滑油预热泵、电加热器、换热器、控制柜、滑油管道、冷却水管路组成。具体流程如图1所示。

图1中黑色管路为高温冷却水管路，红色为润滑油管路。在机组预热过程中，高温水经过高温水电加热器加热后通过换热器加热润滑油，加热后的高温水与润滑油一起进入机组，对机组起到预热作用，使机组始终处于热备状态。

电加热器设定功率为24kW，按照设计要求电机热器的加热控制可选择为自动运行模式，当水温低于55℃时加热器自动启动工作，当水温加热到65℃时停止加热，使水温始终大于55℃。

2  电加热器问题分析

在机组预热过程出现电加热控制回路中熔断器与熔断器上端空开同时烧毁现象，查看柴油机高温水温度、润滑油温度巡检记录发现冷却水温度始终稳定40～44℃之间，达不到设计要求。图2为预热系统控制柜原理图。

现场预热过程中两台机组同时出现KM2烧糊、导线与KM2连接处出现烧容现象、FU2熔断现象，1#机组KM2 B项导线与KM2连接处出现烧糊，导线与KM2连接处出现烧容现象，FU2 A项熔断器烧断。具体如图3所示。

根据图2所示电加热器为△联接，在额定值下正常运行时，每相绕组的相电流为电加热器额定电流（线电流）的1/倍。当A相断开，A相、C相绕组串联后，再与B相绕组并联接在B、C两相电源上运行。在额定负载不变时，B相绕组的相电流将是最大的，为正常运行时的2倍（即为电加热器额定电流的1.16倍）而线路上的线电流增大到额定电流的倍。熔断器座选用的为RT28-36，熔断器芯额定电流为50A，电加热器额定功率为24kW，运行时测得运行电流为32.6A，缺项情况下运行B项电流约为61.2远大于熔断器设定电流。所以导致熔断器烧毁的原因为电加热器的缺项运行[2]。

现场更换出现KM2断路器、导线、熔断器后将電加热器重新投入使用。在巡检过程中发现KM2断路器至FU2断路器间导线温度异常导线平均温度为51.3℃，导线与熔断器接口处最高温度达到90℃，如图4所示。

根据以上情况分析KM2连接处出现烧糊是因为导线温度过高引起，导线与KM2连接处因高温熔化使得两者间断开，导致了电加热器缺项运行。但在更换熔断器、断路器、导线后现场情况并为得到解决，在长期运行过程中熔断器FU2与断路器KM2之间导线平均温度始终位于55-60℃之间。

根据图2预热系统控制柜原理图可知电加热器的工作方式应为间断工作及将高温冷却水加热至65℃时电加热器停止工作，高温冷却水温低于55℃时启动加热，通过现场巡视发现高温冷却水温度持续稳于40-45℃，预热温度无法达到最低设定温度。

整个加热回路，预热系统中高温水电加热器作为该系统中唯一热源其功率为24kW。柴油发电机组、高温膨胀水箱，这两部分可以当做系统中两个热用户。可通过测量其进出温差来计算其热耗。

机组热耗：高温水预热泵流量为5m3/h，润滑油预热泵流量为5m3/h，测量高温冷却水、润滑油进出机组温差，测量时间间隔为4小时一次，数据如表1机组水温油温巡检表所示。

冷却水成分为90%的去离子水加上10%的乙二醇，取冷却水比热容为4.2*103J/kg℃，查证润滑油比热容为1.88*103J/kg℃。根据能量守恒定律热源产生的热量应大于等于系统中两热用户消耗的热量。

设Q1为电加热器产生的热量：Q1=W电加热器*ΔT  （ΔT为电加热器工作时间）;

Q1=24kW*4h*3600s=3.456*108J;

设冷却水消耗热量为Q2：Q2=C水*Δt水*q水*ΔT*水;

C水为水的比热容、Δt水温度变化、q水为冷却水流量、ΔT为单位时间、？籽水的密度。

Q2=4.2*103J/kg℃*4h*5m3/h*Δt*1000kg/m3=2.688*108J;

设润滑油消耗热量为Q3：Q3=C油*Δt油*q油*ΔT*油;

C油为水的比热容、Δt油温度变化、q油为润滑油流量、ΔT为单位时间、？籽油润滑油的密度。

Q3=1.88*103J/℃*4h*5m3/h*Δt*910kg/m3≈0.752*108J;

Q2+Q3=3.44*108;

Q1>Q2+Q3，考虑到外部管道的热耗：Q4，Q1？叟Q2+Q3+Q4，电热器于环境散热已达较为平衡的状态，通过加热器冷却水温度已达到平衡，温度无法再有大幅度变化。

由表1所示温度冷却水温度维持在：40～45℃，滑油温度维持在：35～40℃，得出电加热器始终处于运行状态，不符合电加热器自动启停设置。

通过以上分析得出，电加热器连续不间断的不正常运行使得熔断器FU2与断路器KM2之间导线温度升高，特别是导线与熔断器FU2连接处与断路器KM2连接处的温度，导致断路器KM2与导线连接处出现烧熔致使电加热器缺项运行，烧毁熔断器。电加热器故障原因推演如图5所示。

3  故障处理

针对上述问题提出了以下两种方案：

①跟换大功率电加热器，使电加热器满足设计运行模式;②与应急柴油发电机厂家沟通得知应急柴油发电机组启动要求必须满足润滑油温度≥40℃，若润滑油温度满足要求则冷却水温度可适当降低。由此可改变预热系统配电原理，解决导线温升问题即可。

结合现场考虑由于电加热器布置位于应急柴油发电机房负一楼地下-8m位置且电加热器相对体积较大，不易拆装更换所以暂不考虑更换电加热器事宜[3]。

通过图4KM2断路器至FU2断路器间红外温感图观察发现在熔断器FU2与断路器KM2之间温度最高位置位于导线与熔断器FU2连接处，温度由线与熔断器FU2连接处传值断路器KM2。熔断器FU2在该电路中起到过流保护，可将熔断器FU2更换为IC65N-C50型号断路器。更换后KM2断路器至IC65N-C50断路器间红外温感图如图6所示。

跟換熔断器FU2后在机组预热过程中电加热器持续不间断运行，通过巡检测得由断路器KM2至断路器温度稳定与20～25℃属于正常范围。至此，柴油发电机组预热问题完成故障处理与验证。

4  结论

通过对柴发机组冷却水预热工艺、加热器控制原理、电加热器缺相运行的透彻分析，预热过程电加热器的持续不间断运行使得熔断器FU2与断路器KM2之间导线温度升高，导线与熔断器FU2连接处与断路器KM2连接处的温度异常增高，导致断路器KM2与导线连接处出现烧熔致使电加热器缺项运行，烧毁熔断器。将熔断器更换后，对机组预热，预热过程中巡检结果均满足要求，机组预热系故障问题完成了故障处理与验证。

参考文献：

[1]吴瑞斌.发电柴油机组冷却水温度升高原因分析与处理[J].内燃机与配件，2019.

[2]阴自阳.柴油发电机组无法预热问题分析及故障处理[J].内燃机与配件，2019.

[3]荀向红.某型柴油发电机组冷却水系统故障及改进措施[J].柴油机，2014.