柴油發電機功率波動問題的分析與解決

孫哲　欒向海

【摘 要】本文介紹了國內某核電廠柴油發電機組的機型號及功用，總結概述了柴油發電機組在調試階段所需進行的試驗流程及試驗內容，對某次試驗過程中柴油機功率波動的異常現象進行了描述，針對該功率波動的問題，作者結合該柴油機本身特點進行了分析，在解決該問題的同時，并對造成該現象的原因進行了解釋。

【關鍵詞】柴油發電機組；調試；功率異常波動

0 概述

本文涉及的應急柴油發電機組中的柴油機為德國MTU-Friedrichshafen公司生產20V956TB33型柴油機，這是一種直噴式四沖程柴油機，共有20個氣缸，成60°V形分布，額定功率為5720kW，其潤滑油系統、燃油系統、冷卻水系統、壓縮空氣起動系統通過管道與柴油機本體連接，該柴油機直接拖動發電機形成應急柴油發電機組。在福清核電廠中，每臺核電機組有兩臺應急柴油發電機組（LHP/LHQ）為其提供應急電源，另有一臺柴油發電機組（LHS）作為全廠共用，應急柴油發電機組是核電廠的應急動力電源，其功能是當核電廠內主輔電源以及主發電機失電時，應急柴油發電機在10s內啟動并達到額定電壓和額定功率，向6.6kV母線輸出電力，確保應急母線的供電的可靠性。

1 柴油發電機系統調試試驗的流程及內容

鑒于應急柴油發電機系統在核電廠中的重要性，應急柴油發電機安裝完成后，在調試階段要進行系統性的功能調試和試驗。首先要進行各輔助系統的功能驗證，如冷卻水、燃油等系統、回路有無滲漏和泄露，且確保柴油發電機首次啟動前油盤、油箱等儲罐的液位顯示在正常的范圍之內，燃油輸送泵和潤滑油輸送泵出的出口壓力和流量滿足設計要求，并驗證預熱回路的功能滿足柴油機熱備用要求。接下來要對柴油發電機組的電氣部分進行調試和功能試驗，如測試柴油發電機組保護裝置的可用性：保證其電源供電正常，柜內設備完整，參數設定符合設計要求，特別是保證各類保護參數的整定在要求的范圍內、跳閘保護邏輯正確觸發等。前面的準備工作完成后，就要進行柴油發電機組的首次啟動試驗，在該次試驗中同時驗證應急柴油發電機組各輔助系統的功能在柴油機運行時能否滿足設計要求，但是在該試驗中，柴油機發電機組空載運行的，該次啟動是為后續帶載試驗驗證柴油機的可用性。在應急柴油發電機組帶載試驗開始前，要在靜態條件下檢查勵磁調節系統的可用性，驗證應急柴油發電機組在空載時勵磁電流和發電機定子電壓之間以及在短路條件下勵磁電流和發電機定子電流之間關系的正確性。最終要進行驗證柴油發電機組在負載下的運行工況和在應急狀況下各種啟動方式的可靠性及時間響應。本文中講述的柴油機的功率異常波動問題，就是在柴油機組初次滿功率試驗時發現的。

2 功率異常波動情況描述

在柴油發電機組初次帶負荷運行時，柴油發電機組分別需要在10%、25%、50%、75%、100%和110%的功率平臺進行依次增加功率且進行不等時的運行，其中在100%功率平臺上需要運行22小時。在作者對某機組的B列柴油發電機組進行初次帶負荷試驗時，啟動柴油發電機組并調整柴油發電機電壓后進行同期并網，按照既定試驗程序依次調整柴油發電機組運行功率，并在10%、25%、50%、75%功率平臺上讀取、測量柴油發電機組運行參數，一直加載到100%功率平臺，柴油發電機組的各項參數均未出現異常，在100%功率平臺上運行3個小時后，發現該臺柴油發電機組的有功功率的波動范圍開始加大，在該次試驗進行時，電廠所在地區出現了臺風天氣，所以認為可能是外電網功率的波動導致柴油發電機組的功率波動，但是通過繼續監視柴油發電機組功率歷史曲線圖發現，功率波動的范圍繼續擴大——在6.2兆瓦至5.6兆瓦之間波動，繼續運行4個小時后控制屏上出現了名為“500UC5”的故障報警，通過查看功率歷史曲線發現柴油發電機組的有功功率最在故障報警出現時波動到2.7兆瓦，但又迅速恢復到了正常范圍內——柴油發電機的有功功率恢復至6兆瓦左右。此后，柴油發電機組的有功功率一直保持在6兆瓦左右，再沒有出現大的波動。

3 功率異常波動的分析與解決

當發現柴油發電機組的功率開始波動時，試驗人員首先就對柴油機潤滑油系統的壓力、溫度進行了檢查，對柴油機驅動端和非驅動端的軸承溫度進行了監視，均在正常范圍內。在功率波動過程中潤滑油油溫、壓差及軸承溫度等參數都未出現異常，都在限制值以內。這在一定程度上排除柴油發電機組因潤滑油系統異常而損壞的可能性。同時對進、排氣、冷卻水、燃油等各系統內的各項參數及噪聲、異響進行了監測，監測結果均未出現異常。此時判斷，功率的異常波動暫時不會對柴油發電機組造成瞬時損壞，所以決定在柴油發電機組運行過程中發現、解決此問題，在功率開始異常波動時，最先想到的是對燃油系統進行檢查，特別是對燃油系統中預過濾器及過濾的前后壓力參數進行了監測，四個壓力表的讀數均在正常范圍內，沒有瞬時的異常壓力顯示。而該型號柴油發電機的燃油泵是機載泵，由柴油機本身直接驅動，燃油泵轉速異常的情況也被排除。燃油系統既然沒有異常，此時判斷功率的異常波動應該是柴油發電機組轉速控制系統出現了問題，當“500UC5”報警在控制屏上出現時，這一判斷得到了確認，“500UC5”報警顯示為柴油機控制系統（ECS）的公共報警，該報警可能是由位移傳感器失效、轉速傳感器失效和線路故障等原因引起。根據掌握情況，對柴油機控制系統系統（ECS）的日志進行了讀取，日志顯示該報警是由于油門齒條執行偏差引起的。而這種原因的出現是柴油機控制系統（ECS）的轉速傳感器傳輸或采集的數據不一致引起的。根據分析制定了如下排查方案：首先快速地檢查柴油機控制系統在柴油機本體外可以觸及的零部件，如對轉速傳感器安裝的緊固性進行檢查，如果檢不出問題，再停機對轉速傳感器進行阻值進行檢查，根據相關機型的經驗，轉速傳感器的阻值不一致會導值采集的數據的不一致。在第一步檢查過程中發現柴油機主控制系統的油門齒條傳感器松動，發現該問題后對該傳感器進行了緊固。緊固后再次讀取控制系統（ECS）日志，該傳感器已正常工作。功率波動現象的解釋：該型號柴油機的轉速控制系統（ECS）由主系統和備用系統組成，在正常情況下柴油機的轉速由主系統控制和調節，備用系統作為主系統的監護系統，在主系統出現故障時，備用系統代替主系統工作。此次柴油機功率波動的原因是主系統的油門齒條傳感器是一個機械式的傳感器，由于傳感器松動導致傳出的數據失真，而備用系統的傳感器直接與執行器連接并對其測量，當兩者之間出現較大偏差時，即有功功率波動至2.7兆瓦時，柴油機的控制系統（ECS）出現報警，此時柴油機控制系統（ECS）判斷為主系統故障，柴油機控制系統（ECS）的輔助系統代替主系統工作，這也是隨后柴油發電機組輸出功率回歸到6兆瓦左右的原因。

【參考文獻】

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[責任編輯：楊玉潔]