柴油機調速系統典型故障案例分析

張 潔，褚威威，李仕煒

(青島前進船廠，山東 青島 266000)

在計劃性修理中，柴油發電機組屬于必修裝備，其修理調試主要涉及到機電2個專業，系統較復雜。修后負荷試驗中既要考慮柴油發電機組單機性能，又需要考慮到機組并網運行時的需求；既要考慮柴油機的調速特性，又要關注發電機的調壓特性。本文通過梳理最近數年承修工程中出現的典型案例，結合基本工作原理總結出分析思路和處理措施，對后續工作開展提供參考。

1 調試前的準備工作

柴油發電機組涉及到機、電、管多專業，其中調速系統屬于典型的電液一體化閉環反饋系統。調試前的準備工作非常重要，針對性的準備工作可以快速準確定位故障，提高調試效率。準備工作從圖紙、工具、人員配置等方面描述如下。

1)技術資料準備。調試前需提前準備柴油發電機組相關技術資料、主要包括技術說明書、接線圖，梳理并實際確認調速信號、調壓信號的信號走向圖。技術資料準備不充分會導致現場調試壓力驟增和調試時間延長,影響生產節點。

2)工裝具準備。調試前需要準備對應的專用工具，普通調試萬用表、信號模擬器、常用電工工具即可滿足要求。當遇到問題需要進一步確認分析時，需要用示波表測量實際信號的波形和幅值。

3)人員配備。調試人員應熟悉系統，有豐富的實踐經驗。

2 柴油發電機組典型案例分析

結合近年來柴油發電機組調試過程中出現的典型案例，其故障分析和處理措施如下。

1)16V396TC53型柴油機啟動過程中轉速無法正常升至額定轉速。該型柴油機配置DYNA系列電子調速器，柴油機啟動后升速慢，需要約20 s使轉速升至額定值。

(1)檢查發現啟動用空氣壓力正常，吹車發火轉速正常。

(2)檢查發現啟動過程中執行器油門位置約為7格，正常啟動油門應在10格附近。

(3)手動停機后進一步檢查，發現齒條連桿卡滯。

(4)對調速器執行器及齒條連桿進行拆卸、清潔等處理，重新安裝后啟動，啟動供油量達10.5格，空車油門回落到3.5格，此時，柴油機工作正常。

2)16V396SE84型柴油機游車。該型柴油機配置R082型電子調速器，該調速系統具備自檢功能，可以通過人機對話裝置進行監測和調整。柴油機修后怠速游車，升至額定轉速后游車現象仍然沒有消失。

(1)檢查發現轉速傳感器安裝距離為0.4 mm，轉速傳感器信號波形幅值和信號電纜絕緣均正常。

(2)調速系統參數設定對比其他機組無異常。

(3)調速系統R082控制箱左右機對調后游車現象沒有變化。

(4)檢查柴油機油路，發現I號和II號高壓泵之間、靠近II號高壓泵方向的油量連接桿緊固螺栓未上緊，導致空車磨合時實際供油量波動，柴油供油量不穩引起游車。

(5)對連接桿緊固螺栓按照工藝上緊后試驗，柴油機工作正常。

3)16V396SE84型柴油機啟動后，轉速在500 r/min時無法繼續升速。

通過軟件調取該型柴油機燃油限值參數，并對照其調速器燃油限值，發現柴油機轉速為500 r/min時，4臺柴油機的燃油齒條位移均為7.0 mm，不存在電氣參數設置過低的情況。在無法判斷高壓油泵是否存在供油量不足的情況下，將該參數修改為7.5 mm，燃油齒條位移提高0.5 mm。再次啟動柴油機，故障現象消失。將參數改回7.0 mm，故障復現。

柴油機維修后機械性能可能發生變化，電氣參數也要進行調校，使機電匹配，否則也可能引起故障現象。若非單純的機械或電氣故障，則屬于機電參數匹配問題，需要機電綜合進行分析考慮。

柴油機啟動過程中燃油齒條限制作用導致轉速無法超過500 r/min臨界點，不能轉入下一啟動過程?？赏ㄟ^手動推燃油齒條的方法，瞬間加大柴油機供油量，如果轉速可正常上升，基本上可判斷故障為燃油限值設定過低導致。

經與柴油機廠家溝通，通過人機對話裝置將燃油限制曲線放寬0.5格，柴油機啟動工作正常。

4)TBD604BL6型柴油機偶發性降速。柴油機配置DYNA系列電子調速器。柴油發電機組使用過程中、空載和帶載工況下都存在轉速突然下降后迅速回調現象。

根據柴油機轉速先降后升的特點，觀察轉速波動時柴油機供油齒條動作情況，轉速波動時，燃油齒條會有突然下落后回調的動作，分析波動時柴油機因供油量突然減少而掉速。

(1)檢查轉速傳感器外觀無損；測量轉速傳感器感應線圈阻值在正常范圍內；測量信號線絕緣值正常。

(2)用示波表測量機組運行時轉速傳感器信號為幅值穩定的類正弦波。

(3)檢查調速控制回路，發現機體上接線盒內執行器線圈的信號線未擰緊。柴油機運行期間，因為振動偶發，使信號線與接線柱開路造成執行器線圈瞬時失電，執行器失電后，柴油機因為供油量突然減少而轉速突降，然后又因為接觸恢復，調速器再將柴油機回調至設定轉速。檢查緊固調速回路接線，柴油機工作正常。

柴油發電機組出現轉速波動時，首先觀察波動的初始趨勢，如果波動總是降速后回調，則應該首先檢查電控系統油門控制信號回路的導通性和絕緣性。同時應注意如果燃油系統不暢，嚴重時會出現空車和輕載時正常、重載時轉速波動的現象。

5)MTU8V396TE54型柴油機無故障停機。該型柴油機使用過程中出現無故障停機現象，監控系統無報警，檢查機組和控制系統無異常后重新啟動，工作正常。

柴油機斷油、斷氣都可導致停機。梳理技術資料發現正常停機時通過斷開調速器電子盒電源，使電子調速器執行器失電歸零，斷開柴油機供油回路，使柴油機因為缺油正常停機。緊急停機流程為執行正常停機動作的同時關閉停車空氣擋板，通過同時斷油和斷氣使柴油機快速緊急停機。

(1)檢查發現柴油機機體的停車空氣擋板未動作、停機時轉速下降至發火轉速后停機，現象與按下停機按鈕后的正常停機時間接近。

(2)梳理多次停機現象，發現故障停機時柴油機存在單機負荷較大的共性，檢查運行記錄，發現3次停機時負荷分別為單機容量的60%、65%和68%，并有較長時間的穩定運行。

(3)檢查柴油機調速回路線路絕緣情況，發現導通性正常。

(4)模擬試驗各組件功能無異常，分析調速器執行器中供電回路的航空繼電器，如果性能下降，大電流下常閉觸點跳開會導致調速器失電，此時停機原理和動作與故障現象相同，監控系統無故障。通過更換新的繼電器進行試驗，并與廠家聯系確認，該型柴油機機旁控制箱內控制電源的繼電器設計冗余量不充分，長時間使用后性能下降，造成大電流情況下觸點開路。已經有類似故障發生，當前情況下可通過更換備件，同時注意單機負荷連續運行時間，即可確保正常使用。

掌握柴油機正常停機和安保系統報警后緊急停機的原理，明白兩者執行過程中的區別可對故障進行準確定位。柴油機無故障停機后應確認空氣擋板是否關閉，如果關閉則檢查安保及其他緊急停機聯鎖條件，如果擋板未動作則說明系統未執行緊急停機程序；監控系統未報警、空氣擋板未動作，則可首先按照正常停機流程分析。

6)16V396SE84型柴油機啟動失敗。柴油機啟動時，當曲軸轉速超過啟動轉速時，調速器動作供油，使油氣在柴油機缸內壓燃，轉速上升，采集飛輪端轉速信號做反饋，與設定轉速比較，使柴油機穩定在設定的轉速值。

測量轉速信號頻率，結合飛輪齒數，可計算出實際柴油機啟動轉速。系統設定值為80 r/min，實測柴油機啟動轉速為78 r/min，柴油機未達到有效的啟動轉速而不投入工作。經與柴油機廠家確認并獲得認可后，將系統設定值由原80 r/min修改為75 r/min(小于實測值)，柴油機工作正常。

7)TBD604BL6型柴油機超速停機。該型柴油機修后試驗首次啟動時，轉速未上升到額定轉速就停機。

檢查發現電磁脈沖轉速傳感器端部受損。典型的調速系統在接收到柴油機曲軸轉速達發火轉速時，會控制高壓油泵給各缸內供油，增大柴油壓力，使其升溫自燃，使柴油機轉速快速達到設定值。如果轉速傳感器安裝距離過近，啟動過程中未達到額定轉速則端部可能受損，調速器失去轉速信號，退出調速狀態，油門控制信號復位，柴油機供油量歸零，降速停機。

轉速傳感器的安裝中，檢驗要求包括：手動盤車，齒頂對中；擰緊后回轉90°～180°，鎖定時本體固定不隨動；手動盤車無卡滯；線路絕緣，傳感器內阻正常，外觀無破損。同時總結轉速傳感器安裝的要素如下。

(1)齒頂對中，先擰緊轉速傳感器，再按照螺距逆時針旋轉，確保安裝距離為0.4～0.8 mm。

(2)手動盤車，確保能夠及時發現卡滯并調整安裝距離，防止安裝距離過近。

(3)電動盤車或者氣動吹車，用示波表監測轉速信號波形，通常為類正弦波，幅值按照電子調速器不同有不同的要求，DYNA型電子調速器要求幅值電壓大于3 V、典型值為18 V。安裝距離過遠可導致幅值過低。

8) MTU8V396SE54型柴油機更換新的轉速傳感器后無法正常啟動。

柴油機啟動需要燃油發火轉速正常，氣路、油路動作正常。油氣條件具備后，吹車轉速達到150 r/min，信號測量頻率經換算已達發火轉速，信號幅值2 V，MTU公司規定的調速器認可的轉速信號有效幅值范圍為3～60 V，順時針旋轉轉速傳感器30°，微調轉速傳感器安裝距離，使其頂部與飛輪齒圈距離微微靠近，盤車時幅值達3.2 V，檢查系統正常后再次啟動柴油機，柴油機可正常啟動。

轉速傳感器安裝距離太遠，調速器接收不到有效的發火轉速信號，無法正常對各缸供油，無法使轉速上升。若安裝距離過近，易導致傳感器端部與飛輪齒頂摩擦、碰撞受損。

9)TBD234V6型柴油機啟動超速。該型柴油機先后2次啟動后轉速持續上升，達到2 000 r/min以上，超速保護裝置未動作。

檢查發現，因外力原因，2根安保用轉速傳感器信號線的其中一根接地，而該線路本應接到電子調速器輸入端(2號端子)。這導致超速保護控制器內部2號端子與電源輸入端(4號端子)負極相通，間接造成電源負極接地。

超速保護控制器與調速器共用電源負極，間接造成調速器內部電源負極接地，導致轉速控制模塊的場效應管被擊穿、損壞，在調速器接通DC24 V電源后，始終有DC18 V電壓輸送至執行器，導致執行器油門開度最大。執行器正常驅動電壓見表1，表1中，驅動電壓為脈寬調制信號的有效值。所以，柴油機啟動后轉速持續上升，又因超速保護用轉速傳感器插頭脫落，導致超速保護控制器未接收到轉速信號，故未實現超速停車保護功能。

表1 執行器正常驅動電壓

啟動前應進行完整性檢查和確認，確認油門齒條位置在零位。設備完成效應試驗后，應做好防護，防止交叉作業造成損壞。

10)TBD620V12啟動超速。該型柴油機配置DC2型電子調速器，可通過軟件進行參數監測和調整，柴油機修后系統完整性檢查和安保試驗合格，啟動柴油機后超速停車。

安保試驗功能正常，超速時監控系統已正常執行緊急停機程序，分析為柴油機供油量過大導致超速。通過使用DC2型調速器調速軟件，發現停機狀態下燃油齒條零位反饋由于安裝原因和機械零位不一致，電氣零位對應機械“0+N”格供油量，導致啟動時實際供油量過大，柴油機超速引起安保系統動作緊急停機。

部分調速器對零位的要求有聯鎖關系限制，R082型調速系統對零位有嚴格的標準，零位反饋標準值為1 V，誤差值超過0.035 V時，調速器會提示調速器故障，禁止使用。DC2型調速器無此功能，因此修理回裝后應進行零位標定后方可啟動。

11)TBD234V6型柴油機副機啟動后無法達到額定轉速。該型柴油機配置ESG1000B型電子調速器，調速器故障，更換新調速器后柴油機額定轉速低，調整速度旋鈕，柴油機轉速達不到額定值 。

該型柴油機額定轉速為1 500 r/min，其對應信號頻率為4.2 kHz、飛輪齒圈168齒。而更換的ESG1000M型調速器適用于飛輪齒數212齒的柴油機，此時，工作轉速為1 188 r/min，即使轉速有±100 r/min的調整范圍，也無法調至1 500 r/min。按照原型號更換調速盒后，柴油機可以達到正常額定轉速。

同系列調速器如果飛輪齒圈設定值大于實際值，會出現啟動困難，啟動后轉速低現象。若飛輪齒圈設定值小于實際值，則啟動困難，啟動后可能會出現超速現象。

12)MTU16V396SE84型柴油機供電后調速器故障，油門齒條顯示在最大位置。該型柴油機調速器供電后，調速器控制箱故障燈亮，齒條位移顯示在最大值。

調速器位移顯示信號來源于執行器，執行器反饋信號在內場進行標校，標校誤差按要求控制在±0.1 V內。經查閱原始資料，R082調速系統工作和執行器安裝零位反饋有連鎖關系，機械零位對應電器零位反饋信號應為1V，若誤差超0.035 V，R082系統將執行內部自我保護程序，調速器故障燈亮，同時將油門顯示鎖定在最大值20格。

重新進行標定，使機械零位對應反饋電壓為0.998 V，調速器控制箱故障燈滅，柴油機啟動工作正常。

13)某船6 600 V中壓柴油發電機組并車后逆功跳閘故障。中壓柴油發電機組原動機為16VPA6280MPC型柴油機，配2301D型電子調速器。2301D控制器負責恒頻模式下的調速，功率管理系統負責下垂模式下的調速，二者分時復用控制回路中的轉速傳感器、調速器執行器等。發電機組在恒頻和下垂2種模式下，分別與1#、2#、3#中壓柴油發電機組并車時均出現逆功現象。分析處理過程如下。

(1)通過調試軟件讀取2301D控制器程序，分別在怠速和額定轉速下在線監測4#柴油機轉速信號(空載)，參數顯示與外部儀表和監控系統測量數值一致，轉速傳感器工作正常。

(2)4#柴油機帶300 kW負荷，監測控制器內部4#柴油機功率采集數據，并與配電板功率表顯示進行對比，結果基本一致(程序298 kW，功率表300 kW)，確認信號傳輸回路中的電壓互感器、電流互感器正常。

(3)并車(下垂模式)監測4#柴油機功率下降時的加速指令，通過開關量(True、False)變化進行控制，共計3次，說明功率管理系統在4#柴油機功率下降時向控制器發出3次加速指令，而且控制器已經執行命令，判斷調速器控制器控制功能正常。

(4)4#柴油機空載狀態下監測執行器輸出電流，怠速模式(400 r/min)下執行器輸出電流正常，轉為額定模式(1 000 r/min)時電流數持續增加到最大值(200 mA)，此時柴油機轉速無變化，判斷此工況下執行器控制功能失效。參照1#～3#柴油機組數據，額定轉速時驅動電流應為60 mA， 驅動電流120 mA時對應油門位置最大。

(5)將執行器的轉速限值放寬，控制器電流值立即從200 mA降到60 mA。經過分析，發現執行器內部零件磨損，導致執行器轉速限值出現偏移。返廠檢修后功能正常。

3 結束語

1)監控系統的報警信息是故障定位的重要線索。監控系統負責對柴油發電機組的運行情況進行監視、預警、報警并實施報警后的應急處理，監控系統的報警往往是故障定位的關鍵線索。

2)故障定位需要逆向思維。工作開展過程中，尤其是對故障的排除和分析要有質疑的習慣，要習慣逆向思維，從故障分析到排除故障現象，應對故障原因的唯一性進行分析確認，互為印證，確保故障定位的準確。

3)工作記錄是技能提升的重要助力。技術人員分析問題的思路以及解決問題的經驗，需要大量的實踐和思考來獲得。因此，養成工作記錄并及時整理的習慣，對提升分析和解決問題的能力有很大幫助。