核電廠柴油機渦輪增壓器無法投運故障分析

王 佳，陳錦裕，趙 亮

（福建福清核電有限公司，福建福清 350318）

0 引言

柴油機配套多種電磁閥，近年因電磁閥老化、漏氣等原因，柴油機多次出現無法運行的情況。

目前，國內對核電廠[1]柴油機電磁閥故障研究的論文較少。寧德核電鄧信浩等[2]主要對18PA6B 型應急柴油機頂桿碎裂原因進行研究，海南核電劉康等[3]主要對核電廠柴油機中冷器螺栓斷裂的原因進行分析，中核遼寧核電劉躍[4]主要對核電廠柴油機的繼電保護進行研究，遼寧紅沿河核電肖志慧等[5]主要對柴油機振動故障進行研究，南京航空大學胡樂等主要對柴油機冷風機結構進行優化研究，中國核電工程公司侯繼夫等[6]主要對柴油機高壓油泵安全閥噴油故障進行研究，中核核電運行管理有限公司姜燕成[7-8]主要對柴油機與潤滑油泵壓力低進行研究。國外學者Lim[9]主要對柴油機的啟動時間延遲造成的風險進行分析，Mochizuki[10]對熱管對柴油機的影響進行研究。

本文介紹柴油機基本原理，分析柴油發電機故障原因，總結現場故障處理經驗。為后續柴油機的預防性維修提供建議，提供后續缺陷處理的方向。對柴油機備用電磁閥的安裝方式提出優化，有效提高電磁閥備用閥的安全可靠性。

1 柴油機渦輪增壓器原理

渦輪增壓器是利用柴油機排出的高能廢氣來驅動渦輪，通過渦輪壓縮進氣，增加柴油機的進氣量，從而提高柴油機的有效功率。福清核電柴油機渦輪增壓系統由A1、A2、B1、B2 和B3 等5 組增壓機組成，其是否投運取決于柴油機的功率。渦輪增壓機組裝備有一組進氣控制閥，用以控制相應渦輪增壓器的運行和停止。蓄能器控制進排氣閥，二位五通電磁閥組（350UC）控制蓄能器，電磁閥接受來自ECS 的調速控制命令，如圖1 所示。

圖1 渦輪增壓器控制原理

如果B2 電磁閥得電后不能正常工作，將導致B2 渦輪增壓器不能正常投運。渦輪增壓器的投運受350UC 電磁閥組控制，該閥組由5 個平行布置在連接孔板上的二位五通電磁閥組成，每個二位五通閥由電磁驅動的先導閥和氣壓驅動的主閥組成。閥體內包含一控制閥桿，控制活塞，如圖2 所示。電磁閥在不通電情況下處于自然位置，此時閥體控制閥桿，使壓縮空氣從閥組入口1 經接口2 流入蓄能器的下游管線，蓄能器的上游管線從接口4 至接口5 后經閥組的消聲器R 排氣。如果電磁閥通電，先導閥被激勵，它將釋放先導空氣進入主閥。先導空氣進入主閥的控制活塞腔室并作用在活塞上，克服彈簧壓力使控制閥桿向下運動，使主閥閥瓣發生改變。從而使壓縮空氣從閥組入口1 經接口4 流入蓄能器的上游管線，蓄能器動作，使得渦輪增壓器進排氣閥打開，渦輪增壓器投入運行。同時蓄能器下游管線內的空氣得以從接頭2 至接口3 后經消聲器S 排氣。

圖2 電磁閥原理

2 故障案例分析

2.1 故障現象

執行柴油發電機組（B 列）低功率試驗過程中觸發ECS 500UC5 異常報警，觀察到渦輪增壓器B2 組未能正常投運。該故障不影響柴油機低功率試驗及結果評價，但可能造成B 列柴油機2LHQ001GE 無法達到滿功率運行，嚴重影響核安全設備柴油機可用性，降低核電廠的供電冗余。

2.2 初步原因分析

ECS 500UC 綜合報警觸發，涉及調速器內部故障類型約367 條，主要包含轉速傳感器故障、測量模塊故障和執行器故障等。檢查調速器、供氣管線、蓄能器和進排氣閥，未發現異常。因此定位在350UC 電磁閥組故障。電磁閥組350UC 為德國力士樂制造，每個電磁閥上設有手動按鈕，確保電磁閥在不帶電的情況下可以手動操作。初步分析可能原因如下：

（1）電磁閥氣源壓力不足或漏氣。電磁閥閥組入口P 處壓縮空氣壓力不足或管線存在漏氣，都將影響電磁閥的功能，導致電磁閥不能切換或不能切換到位。

（2）電磁閥電子線圈損壞。電磁閥電子線圈出現短路、燒毀或絕緣下降等，電磁閥將不能正確執行調速器下發的命令，影響電磁閥主閥的正確切換，導致壓力空氣無法為下游蓄能器供氣，造成渦輪增壓器進排氣閥不能打開，影響渦輪增壓器投運。

（3）電磁閥先導閥卡澀。電磁閥先導閥閥桿卡阻、排氣孔堵塞、彈簧變形等將導致電磁閥得電后，先導氣體無法進入主閥推動閥桿完成切換動作，影響電磁閥正常切換。

（4）電磁閥主閥閥桿卡澀。異物進入電磁閥的主閥閥桿，導致閥桿卡澀或者受環境等因素影響發生形變，造成電磁閥不能正常切換。

（5）電磁閥主閥密封圈老化。電磁閥密封圈由于發生降解反應或結構化反應，導致密封圈發生硬化、發脆和龜裂而失去密封功能。先導氣體進入活塞腔室，通過開裂的密封環縫隙直接從主閥排氣旁路泄漏，無法推動主閥閥桿完成切換動作。

2.3 故障處理

拆檢故障B2 電磁閥，目視發現電磁閥只有一個故障點，位于活塞上的非金屬密封圈，有明顯的老化破損跡象（圖3）。正是由于密封圈失效，導致電磁閥不能動作，最終使B2 渦輪增壓器未投運。

圖3 電磁閥現場拆解照片

2.4 失效原因分析

更換合格備件，檢查驗證電磁閥組動作正常，漏氣現象消失，定期試驗驗證渦輪增壓器投運正常。經過現場檢查及分析，造成電磁閥故障的主要原因如下：

（1）設備安裝位置不便維修。由于350UC 安裝位置較高，空間狹小，環境溫度高（旁邊的預熱水管段長期處于60 ℃以上），柴油機本體振動較大，加速了設備老化。

（2）電磁閥組有5 個二位五通電磁閥組成，但只有前4 個實際使用，第五個電磁閥A、B 出口都被堵頭封住，也無電源進線。雖然安裝在閥組上，卻沒有實現任何功能。這就容易造成其他電磁閥發生老化故障時，備用電磁閥也可能同時故障，不能起到備用功能。

（3）基于當前電磁閥架構，備用電磁閥不具備在線投用改造可行性。因為電磁閥組共用一個入口氣源P，電磁閥的接口A、B 在電磁閥得電、失電時均會分別承擔對空排氣功能。備用電磁閥強行介入將導致接口功能發生紊亂，反而影響正常電磁閥的工作。

3 后續提升優化

電磁閥在整個壽期內失效率[3]的變化曲線形如“浴盆”（圖4），在壽期的初期較高，中期則相對較低，末期又快速上升。電磁閥的維修時點，如果選在其壽期中期，不但浪費資源，而且可能降低其可靠性；如果選在其壽期末期，電磁閥失效的概率大大增加，可能影響系統安全。因此，選擇電磁閥的維修時點既不能超前，也不能落后，應當適當保守，選擇其壽期中期與末期的臨界點較好。尋找臨界點主要采取5 種方法：①測量線圈的絕緣電阻；②測量線圈的啟動電壓和返回電壓；③測量線圈溫度；④測量電磁閥的內部泄漏量；⑤電磁閥控制介質的流量試驗。目前，制定電磁閥維修周期通常采用2 種方法。

圖4 電磁閥故障率“浴盆”曲線

（1）在電磁閥的壽期接近臨界點A 時，可以進行一些預防性檢查，比較當前一些參數與可以接受的初始參數值是否存在微小差別。這些差別可能預示電磁閥的失效率將要快速上升，應立即啟動電磁閥的首次維修活動。

（2）確定1 個時間周期（如5 a）或者運行時間（如10 000 h），到時就對電磁閥進行翻新或更換。確定該時間周期時，必須參考核電廠的運行經驗、廠家設計要求和電磁閥實際使用情況。

針對備用電磁閥不能起到備用功能，建議將備用電磁閥和B1 電磁閥并聯使用。B1 電磁閥和備用電磁閥的A、B 接口分別接到蓄能器的同一端。另外，如果備用電磁閥和B1 電磁閥串聯使用，由于管路必須導通，串聯使用的電磁閥反而降低了可用性。如果在備用電磁閥和B1 電磁閥出口分別增加截止閥，雖然可以達到手動切換電磁閥的目的，但是手動切換備用電磁閥，依然存在柴油機不可用的可能性，而且增加的隔離閥會增大管路漏氣和故障率。

4 結語

介紹核電廠應急柴油發電機基本控制流程和運行原理，根據現場故障現象，分析導致電磁閥故障的可能原因。