某核電廠附加柴油機啟動失敗原因分析

余澤輝，閔濟東，賴斌生，王飛龍

（福建福清核電有限公司，福建福州 350318）

0 引言

某核電廠的附加柴油機為20V956TB33 型進口柴油機，在執(zhí)行應急柴油機大修前，利用其頂替此列應急電源但無法啟動。下面以此案例為例，對影響該附加柴油機啟動的可能原因進行分析和介紹。

1 啟動系統(tǒng)概述

附加柴油機利用壓縮空氣推動活塞，使柴油機轉動并最終達到點火轉速而啟動。該柴油機配置了兩列獨立的壓縮空氣啟動系統(tǒng)，每列壓縮空氣啟動系統(tǒng)均設置有獨立的空壓機和儲氣罐，能單獨啟動柴油機。需要啟動柴油機時，通過電信號控制主啟動閥上的控制電磁閥，打開主啟動閥。兩列壓縮空氣均會通過止回閥600VA，才能供給下游。經過止回閥后，一路壓縮空氣進入柴油機兩側的空氣分配器，通過空氣分配器控制各氣缸蓋的壓縮空氣啟動閥開啟；一路壓縮空氣供給氣缸蓋的壓縮空氣啟動閥，當啟動閥打開時壓縮空氣進入氣缸，推動活塞向下運動，從而推動曲軸轉動，膨脹后的壓縮空氣由排氣門排出氣缸（圖1）。柴油機曲軸在各個氣缸活塞的依次推動下，連續(xù)轉動并達到點火轉速。柴油被壓燃后，燃燒提供的動力繼續(xù)推動柴油機轉動，并最終達到額定轉速[1]。

圖1 壓縮空氣啟動系統(tǒng)

1.1 燃油系統(tǒng)

附加柴油機啟動時間控制在10 s 內，如果超過10 s 柴油機仍未達到額定轉速1500 r/min 則啟動失敗。在啟動階段，壓縮空氣需要在6 s 內推動柴油機曲軸轉動達到350 r/min，然后由燃油燃燒提供動力繼續(xù)推動柴油機轉動并迅速達到額定轉速。燃油的供應也是正常啟動的關鍵一環(huán)。

附加柴油機設置有一個主油罐，其油量可以滿足柴油機滿功率運行7 d。在高于柴油機的位置設置有一個日用油箱，它在重力作用下通過油管直接向柴油機供油，柴油機機帶油泵對燃油進行加壓，通過噴油器將燃油噴入氣缸內燃燒。在柴油機運行時啟動一臺燃油泵，從主油罐持續(xù)向日用油箱供油，日用油箱能滿足柴油機1 h 運行的燃油消耗。

1.2 主啟動閥

主啟動閥是柴油機啟動的控制閥門，設置在柴油機與壓縮空氣儲氣罐之間。在正常備用情況下，柴油機只需要開啟此閥門壓縮空氣就會進入柴油機，并推動柴油機啟動。當柴油機轉速達到350 r/min 時，主啟動閥關閉，切斷壓縮空氣供應。

在柴油機的左右兩側各有一個主啟動閥，每個均能單獨啟動柴油機。正常啟動時，啟動信號同時控制打開兩個的主啟動閥，兩列壓縮空氣同時進氣，以確保壓縮空氣的供應。

主啟動閥上配置有一個手柄和一個電磁閥，通過手柄能就地手動打開閥門。電磁閥能實現主啟動閥遠程控制的功能，同時也具備就地操作的功能，電磁閥開啟時，會引導一路壓縮空氣進入主啟動閥，利用壓縮空氣的壓力打開主啟動閥。

1.3 止回閥

在柴油機啟動階段，為防止氣缸內燃油燃燒產生的壓力以及運行時氣缸啟動閥密封不嚴導致的氣缸內的壓力回竄到啟動壓縮空氣系統(tǒng)，在主啟動閥下游設置了一個止回閥600VA，兩列主啟動閥供應的壓縮空氣均會通過此止回閥。該閥為立式升降式止回閥，材料為碳鋼鍍鋅，開啟壓力0.1 bar（0.1 MPa）。

1.4 空氣分配器

空氣分配器由凸輪軸控制，主要是根據發(fā)火循序將壓縮空氣輸送至氣缸蓋上的啟動閥，控制啟動閥的開啟和關閉。附加柴油機左右兩側各布置一個空氣分配器，能單獨控制一側的氣缸進氣。

確定算例結構后，利用ISAGA對式(32)進行仿真計算，算法基礎數據設置最大容忍停滯代數為300，其余數據同算法評測時的設置。算例將供應鏈外部市場需求設置為符合正態(tài)分布的隨機變量，涉及的所有碳足跡基礎數據均來自實際調查數據和GaBi 6.10數據庫數據。進一步設置供應商生產過程使用回收原材料比率為0.2，回收商回收產品配比為0.15。為了方便分析，將補充環(huán)節(jié)碳足跡作為生產準備碳足跡分拆入供應商及制造商生產環(huán)節(jié)。所有碳足跡單位為容量和運輸量單位為件。為了更好地測試算例，共設置了6個多計劃周期，產品市場需求數據設置如表3所示，其余數據予以省略。

空氣分配器中設置有一個跟隨凸輪軸轉動的圓盤，圓盤上有一個小孔。圓盤前端連接到啟動壓縮空氣管線，后端的分配器殼體上設置有10 個小孔，每個小孔出口連接到一個氣缸頂部的啟動閥。柴油機轉動時，圓盤上的小孔依次與殼體上的小孔對應，將壓縮空氣依次送到各個啟動閥，利用壓縮空氣的壓力開啟啟動閥。在任意角度上都至少有一個殼體上的小孔與圓盤的小孔聯通，保證任意時刻啟動柴油機都至少有一個啟動閥是開啟狀態(tài)，保證柴油機的啟動可靠性。

每個氣缸蓋上均布置有一個啟動閥，啟動閥為柱塞式單向閥，動作由空氣分配器控制：來自空氣分配器的空氣進入啟動閥的閥柱塞室，柱塞被迫向下、閥門開啟，壓縮空氣進入柴油機氣缸內，從而推動活塞運動。如果控制空氣中斷或柱塞室泄漏，在彈簧的作用下啟動閥關閉（圖2）。

圖2 啟動閥

2 啟動失敗原因分析

附加柴油機啟動失敗可能的原因有柴油機嚴重卡澀、啟動信號不正常、主啟動閥未正常開啟、壓縮空氣管線因異物堵塞或壓力不足、空氣分配器故障或啟動閥未正常開啟、燃油管線進氣、止回閥卡澀等[4]。

2.1 柴油機嚴重卡澀

附加柴油機上一次運行到本次啟動，時間間隔不到一年，且無檢修工作。啟動前一直處于備用狀態(tài)，預熱功能和預潤滑油功能均正常。所以，柴油機嚴重卡澀的可能性很小，不作為優(yōu)先排查的因素。

2.2 啟動信號不正常

檢查柴油機轉速曲線，柴油機有轉動且確定啟動信號正常，故排除啟動信號的因素。

2.3 燃油管線進氣

（1）燃油系統(tǒng)進氣是柴油機啟動失敗的常見原因，但上一次運行到本次啟動，附加柴油機并無燃油系統(tǒng)開口檢修的記錄，可以排除檢修后燃油系統(tǒng)排氣不足的因素。

（2）考慮燃油系統(tǒng)因管道連接松動，導致空氣進入管道的可能。因日用油箱位置高于柴油機，柴油機未啟動時，在重力作用下，燃油管線內壓力大于大氣壓，若燃油系統(tǒng)管道連接松動，會導致燃油泄漏，但現場未發(fā)現燃油泄漏的問題，故排除燃油系統(tǒng)管道連接松動的可能性。

（3）查看啟動階段的轉速，最大轉速不到50 r/min，未達到點火轉速350 r/min，可知燃油還未開始燃燒，故排除燃油的因素。

2.4 主啟動閥未正常開啟

主啟動閥本體也存在卡澀的可能性，但兩臺主啟動閥同時卡澀的可能性很小，因此不作為優(yōu)先排查的因素。

2.5 壓縮空氣管線因異物堵塞或壓力不足

（1）壓縮空氣管線因異物堵塞。上一次正常運行后，壓縮空氣管線無檢修工作，排除異物堵塞的因素。柴油機首次啟動失敗前及更換電磁閥后啟動前，均有檢查壓縮空氣儲氣罐、壓力正常，可排除壓縮空氣壓力不足的因素。

（2）空氣分配器故障或啟動閥未正常開啟。兩臺空氣分配器同時故障的可能性很小，啟動閥更是多達20 個，同時故障的可能性也很小，因此空氣分配器和啟動閥均不是優(yōu)先排查的因素。

2.6 止回閥卡澀

止回閥600VA 是啟動壓縮空氣的必經之路，而且只有一個止回閥，若止回閥卡死則必然導致啟動失敗，故將止回閥600VA 作為本次排查的重點。

拆下止回閥后發(fā)現，止回閥內部已全面銹蝕。該止回閥正常開啟壓力為0.1 bar，但現場借助工具多人按壓均無法開啟。拆下閥芯，正常情況下閥芯的導向桿與導向槽在彈簧壓力下會自動分離，但此閥芯之間已嚴重卡死，閥芯與導向槽之間不能分離，使用鐵錘敲打，只能按壓約2 mm 的距離，仍然不能拆開。

止回閥600VA 嚴重銹蝕卡澀，啟動時只有少量壓縮空氣能進入柴油機，只能推動柴油機緩慢轉動，無法在設定時間內達到額定轉速，最終啟動失敗。

更換止回閥600VA 后，附加柴油機啟動成功。因此確認止回閥600VA 卡澀是本次啟動失敗的原因。

3 故障解決

在確定止回閥600VA 嚴重銹蝕后，同步排查了壓縮空氣管線的其他止回閥及管道，均未發(fā)現銹蝕情況。也檢查了同型號的其他柴油機（包括外電廠的），均未發(fā)現600VA 銹蝕的情況。止回閥600VA 為碳鋼鍍鋅材料，有一定的防腐能力，且工作介質為經過過濾、干燥的壓縮空氣，不接觸腐蝕性介質，因此推斷止回閥600VA 銹蝕不是普遍現象，懷疑該止回閥存在質量缺陷[4]。

為確保柴油機的可靠性，保守決策，在柴油機的四年度預防性維修工作中，增加了止回閥的檢查項目。

4 結束語

附件柴油機啟動失敗后，結合現場信息，對可能的原因按可能性大小進行排查，最終確定止回閥600VA 銹蝕卡澀是啟動失敗的原因，更換止回閥后柴油機成功啟動。通過本案例柴油機啟動失敗的排查過程及故障原因，對核電廠柴油機的啟動壓縮空氣系統(tǒng)提出了優(yōu)化方案，對類似缺陷處理有一定借鑒作用。