魏邦華

(福建福清核電有限公司，福建 福清 350318)

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組對(duì)核反應(yīng)堆的安全非常重要，其在核電站中的功能是在廠外主電源和廠外備用電源均失去的情況下，為核電站中的安全級(jí)設(shè)備提供可靠電源，保證堆芯充分冷卻，確保反應(yīng)堆安全停堆，可以說應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組是反應(yīng)堆的最后一道防線執(zhí)行反應(yīng)堆的安全停堆功能。特別是在事故工況、全廠斷電或地震情況下，該設(shè)備必需可靠啟動(dòng)，為堆芯冷卻設(shè)備提供可靠應(yīng)急電源，確保反應(yīng)堆安全。根據(jù)運(yùn)行技術(shù)規(guī)范若應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組不可用將會(huì)產(chǎn)生第一組I0，檢修必須在3天內(nèi)完成[1]。

1 核級(jí)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組主要技術(shù)指標(biāo)

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組涉及反應(yīng)堆的安全，因此對(duì)核級(jí)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組技術(shù)指標(biāo)也特別高的要求，一般百萬千瓦等級(jí)核電站均配套兩組(LHP/LHQ)獨(dú)立的應(yīng)急柴油機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組的功率均在6 000 kW左右，任意一臺(tái)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)均能夠滿足核電站內(nèi)應(yīng)急廠用設(shè)備用電要求，確保反應(yīng)堆安全停堆[2]。因柴油發(fā)電機(jī)組在核電站中的重要性，在設(shè)計(jì)上對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的技術(shù)指標(biāo)有非常嚴(yán)格的要求，在應(yīng)急柴油機(jī)組招標(biāo)的采購技術(shù)規(guī)格書中已明確供應(yīng)商所提供的應(yīng)急柴油機(jī)組設(shè)備應(yīng)滿足RCC、IEC、HAF等標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)要求，具體如下：

?10 s內(nèi)啟動(dòng)并達(dá)到額定轉(zhuǎn)速及額定電壓。

?100次啟停試驗(yàn)不允許有一次失敗，啟動(dòng)可靠性達(dá)到100%[3]。

?每臺(tái)柴油機(jī)組均配備兩套獨(dú)立壓空啟動(dòng)系統(tǒng)(A列/B列)，每列啟動(dòng)系統(tǒng)均可保證柴油機(jī)的可靠啟動(dòng)。

?為保證柴油機(jī)組的可靠啟動(dòng)每臺(tái)柴油機(jī)均配備兩套獨(dú)立的控制系統(tǒng)ECS系統(tǒng)，當(dāng)主ECS系統(tǒng)故障時(shí)，備用ECS系統(tǒng)仍可保證柴油機(jī)組的啟動(dòng)及運(yùn)行。

?應(yīng)急柴油機(jī)組機(jī)械部件安全等級(jí)為核三級(jí)或LS級(jí)；電氣設(shè)備為1E級(jí)[4]。

?應(yīng)急柴油機(jī)組設(shè)備抗震等級(jí)為抗震1類，其中柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、燃油輸送泵及電機(jī)、風(fēng)扇冷卻器及電機(jī)設(shè)備為1A類，即這些設(shè)備在所有地震條件下不僅能保證結(jié)構(gòu)完整，還要能持續(xù)可靠運(yùn)行[5]。

?應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)能具備全廠斷電的黑啟動(dòng)功能[6]。

?應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組瞬態(tài)穩(wěn)定性較好，加載時(shí)電壓和頻率的趺落不超過75%和95%，并在2S之內(nèi)恢復(fù)到90%和98%[7]。

?機(jī)組每套壓空系統(tǒng)在不補(bǔ)氣的情況應(yīng)能保證機(jī)組5次啟停。

?應(yīng)急柴油機(jī)組應(yīng)具備連續(xù)滿功率運(yùn)行168 h的能力，確保事故情況下能安全停堆。

?應(yīng)急柴油機(jī)組應(yīng)具備苛刻的過負(fù)荷能力，每24 h允許在110%電功率下連續(xù)運(yùn)行2 h。

2 某核電站4LHP柴油機(jī)B3廢氣渦輪怠速高情況簡介

2.1 某核電站柴油機(jī)組廢氣渦輪增壓器設(shè)計(jì)及投用介紹

某核電站4LHP柴油機(jī)(4號(hào)機(jī)組P列應(yīng)急柴油機(jī)組)采用的是MTU(德國柴油機(jī)制造廠)制造的956 TB33(柴油機(jī)型號(hào))系列柴油機(jī)，該型號(hào)柴油機(jī)組共設(shè)計(jì)5組廢氣渦輪增壓器(A1/A2/B1/B2/B3)，空載時(shí)A1/A2(柴油機(jī)A列)渦輪增壓器即投用，B1/B2/B3(柴油機(jī)B列)隨負(fù)荷的增加逐步投用，隨A1/A2渦輪增壓器轉(zhuǎn)速的升高，B1/B2廢氣渦輪增壓器逐步投入運(yùn)行，當(dāng)B2增壓器的轉(zhuǎn)速達(dá)到40 000 r/min時(shí)B3廢氣渦輪增壓器才投入運(yùn)行[8]。

2.2 該核電站4LHP柴油機(jī)B3廢氣渦輪怠速高故障簡介

該核電站經(jīng)首次大修后，在4LHP柴油機(jī)組再鑒定空載試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)了B3廢氣渦輪怠速高故障?，F(xiàn)場對(duì)B3廢氣渦輪進(jìn)行轉(zhuǎn)速通道進(jìn)行錄波，發(fā)現(xiàn)該故障有如下特征。

2.2.1 出現(xiàn)怠速高報(bào)警是非連續(xù)性且呈現(xiàn)周期性波動(dòng)

出現(xiàn)怠速高報(bào)警的廢氣渦輪增壓器B3，在柴油機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的時(shí)候第一次出現(xiàn)怠速高報(bào)警，持續(xù)時(shí)間約為2 s，速度波動(dòng)幅度0～30 000 r/min，如圖1所示。出現(xiàn)怠速高報(bào)警時(shí)速度呈現(xiàn)周期性波動(dòng)，實(shí)際采集頻率的計(jì)算周期為885 ms，波動(dòng)幅度3 000～30 000 r/min，幾乎每次都可以達(dá)到30 000 r/min，下降后的速度大小不一。具體錄波波形如圖2所示。

圖1 廢氣渦輪增壓器(B3)第一次出現(xiàn)怠速高報(bào)警Fig.1 First appearing of the idle speed alarm of the B3 exhaust turbocharger

圖2 廢氣渦輪增壓器(B3)錄波波形Fig.2 The wave shape record of the B3 exhaust turbocharger

2.2.2 出現(xiàn)怠速高報(bào)警的B3廢氣渦輪增壓器停機(jī)無惰轉(zhuǎn)時(shí)間

柴油機(jī)組停機(jī)階段，柴油機(jī)及A1/A2廢氣渦輪增壓器均有一定的惰轉(zhuǎn)時(shí)間，A1/A2廢氣渦輪增壓器從38 000 r/min到零轉(zhuǎn)速的惰轉(zhuǎn)時(shí)間為75 s，而B3廢氣渦輪增壓器從30 000 r/min轉(zhuǎn)到零轉(zhuǎn)速無惰轉(zhuǎn)時(shí)間，具體見圖3。

圖3 廢氣渦輪增壓器(B3)停機(jī)惰轉(zhuǎn)錄波波形Fig.3 The wave shape record of B3 exhaust turbocharger

3 該核電站4LHP柴油機(jī)B3廢氣渦輪怠速高初步原因分析

按照柴油機(jī)組的控制邏輯圖，柴油機(jī)空載情況下B3廢氣渦輪增壓器處于未投用狀態(tài)[9]，即B3廢氣渦輪增壓器廢氣側(cè)隔離閥及空氣側(cè)隔離閥在電磁閥的控制下應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)，B3廢氣渦輪增壓器轉(zhuǎn)速應(yīng)為零，若此時(shí)B3廢氣渦輪增壓器出現(xiàn)轉(zhuǎn)速高報(bào)警，則表明柴油機(jī)組處于異常狀態(tài)，需要排查。

3.1 廢氣渦輪增壓器機(jī)械結(jié)構(gòu)

為了便于深入分析問題，需對(duì)廢氣渦輪增壓器機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能進(jìn)行簡單的介紹，廢氣渦輪增壓器主要作用是利用柴油機(jī)做過功后的高溫廢氣推動(dòng)廢氣渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶增壓器轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)柴油機(jī)燃燒空氣進(jìn)行加壓，提高單位體積內(nèi)燃燒空氣的含氧量，從而提高柴油機(jī)組燃燒效率，增加柴油機(jī)組的功率。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 廢氣渦輪增壓器結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The structure of the exhaust turbocharger

3.2 廢氣渦輪增壓器(B3)怠速高報(bào)警故障樹分析表

分析B3廢氣渦輪怠速高故障原因可能是廢氣渦輪進(jìn)氣閥內(nèi)漏造成的B3廢氣渦輪增壓器真實(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，也有可能是轉(zhuǎn)速探頭損壞、轉(zhuǎn)速信號(hào)通道及控制系統(tǒng)ECS問題，為了排查故障列出所有可能原因故障樹如表1所示。

表1 4LHP柴油機(jī)B3廢氣渦輪怠速高故障樹分析表

3.3 廢氣渦輪增壓器(B3)怠速高報(bào)警初步原因分析

從廢氣渦輪增壓器的機(jī)械結(jié)構(gòu)上分析，在離心壓縮機(jī)空氣側(cè)閥門關(guān)閥的狀態(tài)下(無負(fù)載)，輕微的渦輪側(cè)漏氣都可能造成轉(zhuǎn)速快速升高，但是正是由于沒有負(fù)載，整個(gè)廢氣渦輪組降速的速度不可能很快，根據(jù)錄波測得的B3轉(zhuǎn)速曲線，B3渦輪轉(zhuǎn)速呈周期性波動(dòng)，波動(dòng)周期均在秒級(jí)以內(nèi)，尤其降速速率，如此高頻率波動(dòng)不符合低負(fù)載轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)特性。

查MTU提供的備件手冊(cè)資料可知廢氣渦輪的重量是4 130 kg、空氣側(cè)的壓縮輪重量是1 160 kg[10]，加上渦輪軸及軸承等附件，整個(gè)轉(zhuǎn)子的重量至少為5 290 kg以上，渦輪直徑約500 mm，根據(jù)前面錄波測得的數(shù)據(jù)B3渦輪增壓器轉(zhuǎn)速波動(dòng)周期平均為0.74 s，依據(jù)這些數(shù)據(jù)從理論力學(xué)的角度進(jìn)行初步計(jì)算分析:

理論力學(xué)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式:[11]

I=mr2

(1)

理論力學(xué)動(dòng)量矩的計(jì)算公式:

L=mvr=mr2ω=Iω

(2)

理論力學(xué)動(dòng)量矩定理的計(jì)算公式:

M=dL/dt

(3)

式中:I——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;

m——轉(zhuǎn)動(dòng)體的質(zhì)量;

r——轉(zhuǎn)動(dòng)體的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑;

M——合外力矩;

ω——轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。

根據(jù)式(1)計(jì)算出渦輪增壓器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:

I=5 290×0.252=330.6 kg·m2

假設(shè)升速及降速時(shí)間均等，則降速的時(shí)間為0.37 s，由圖2可以看出每個(gè)波動(dòng)周期內(nèi)轉(zhuǎn)速下降后的速度大小不一，最大為20 000 r/min，該轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的角速度ω1=2πn1=2π×20 000 r/min=120 000弧度/秒，由式(2)計(jì)算此時(shí)的動(dòng)量矩L1=330.6 kg·m2×120 000弧度/秒=39 672 000 kg·m2/s。

30 000 r/min對(duì)應(yīng)的角速度ω=2πn=2π×30 000 r/min=2π×600RPS=1 200π=216 000弧度/秒，根據(jù)式(2)計(jì)算出此時(shí)的動(dòng)量矩L=330.6 kg·m2×216 000弧度/秒=71 409 600 kg·m2/s。

根據(jù)式(3)計(jì)算出當(dāng)B3廢氣渦輪增壓器從30 000 r/min轉(zhuǎn)速降低到20 000 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)所受的合外力矩M=dL/dt=(71 409 600 kg·m2/s-39 672 000 kg·m2/s)/0.37=85 777 297.3 kg·m。

渦輪增壓器軸系所受合外力F=M/r=85 777 297.3 kg·m/0.25 m=343 109 189 kg。

在B3渦輪增壓器無負(fù)載的情況下渦輪增壓器的軸系不可能受到如此大的外力，據(jù)此初步分析B3廢氣渦輪增壓器怠速高報(bào)警可能是非真實(shí)轉(zhuǎn)速，該轉(zhuǎn)速信號(hào)可能是電氣或儀控誤發(fā)的虛假信號(hào)。

4 該核電站4LHP柴油機(jī)B3廢氣渦輪怠速高根本原因排查

4.1 機(jī)械專業(yè)靜態(tài)排查

在柴油機(jī)未啟動(dòng)的情況下機(jī)械專業(yè)對(duì)B3廢氣渦輪增壓器廢氣側(cè)隔離閥的控制電磁閥及執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了檢查，并手動(dòng)操作電磁閥觀察該增壓器廢氣側(cè)隔離閥動(dòng)作是否正常，從檢查的結(jié)果來看未發(fā)現(xiàn)異常，可以排除電磁閥故障及執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障導(dǎo)致的B3廢氣渦輪怠速高報(bào)警問題。

4.2 儀控專業(yè)靜態(tài)排查

1)檢查轉(zhuǎn)速探頭至ECS間電纜的絕緣連續(xù)性，檢查結(jié)查電纜的絕緣連續(xù)性合格。

2)對(duì)5組渦輪增壓器內(nèi)的轉(zhuǎn)速探頭的阻值進(jìn)行測量檢查，對(duì)比5組阻值數(shù)據(jù)，B3內(nèi)轉(zhuǎn)速探頭阻值無異常。五組轉(zhuǎn)速探頭阻值檢查記錄如表2所示。

表2 4LHP柴油機(jī)5組渦輪增壓器轉(zhuǎn)速探頭阻值

盡管測得的探頭阻值正常，還不能完全確定B3廢氣渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速探頭就無問題，主要原因是B3渦輪增壓器怠速高報(bào)警在機(jī)組運(yùn)行階段僅隨機(jī)性出現(xiàn)，且呈現(xiàn)非持續(xù)的現(xiàn)象，因此，假如探頭有問題也只能在出現(xiàn)報(bào)警時(shí)才能發(fā)現(xiàn)阻值異常，因此探頭問題還不能完全排除。

4.3 電氣專業(yè)靜態(tài)排查

(1)檢查轉(zhuǎn)速探頭至ECS控制模塊間測量通道，ECS卡件精度符合要求，測量通道無異常。

(2)核實(shí)B3渦輪增壓器轉(zhuǎn)速信號(hào)的處理邏輯是否異常，用40 000r/min轉(zhuǎn)速模似信號(hào)輸入，B3渦輪增壓器轉(zhuǎn)速顯示正確。

通過電氣專業(yè)對(duì)測量通道的靜態(tài)檢查可以排除通道問題導(dǎo)致的B3廢氣渦輪怠速高報(bào)警。經(jīng)過機(jī)、電、儀專業(yè)的靜態(tài)排查后余下可能原因主要有B3廢氣渦輪隔離閥可能存在內(nèi)漏、主調(diào)速系統(tǒng)ECS系統(tǒng)模塊故障、B3廢氣渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速探頭故障。

4.4 機(jī)械專業(yè)動(dòng)態(tài)排查

柴油機(jī)啟動(dòng)后，機(jī)械專業(yè)拆除A1及B3廢氣渦輪增壓器排氣膨脹節(jié)下部的保溫層，使用熱成像儀和點(diǎn)溫儀對(duì)A1(投運(yùn))、B3排氣膨脹節(jié)同時(shí)進(jìn)行測溫，以判斷B3廢氣渦輪增壓器隔離閥是否存在內(nèi)漏及B3廢氣渦輪增壓器是否真實(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。測得的數(shù)據(jù)記錄如表3所示。

表3 4LHP柴油機(jī)A1、B3渦輪增壓器排氣管溫度測量記錄表

A1廢氣渦輪增壓器為投運(yùn)的增壓器，其排氣管溫度約為170～200 ℃，而B3廢氣渦輪增壓器排氣管溫度始終為45～55 ℃，說明B3廢氣渦輪增壓器隔離閥沒有內(nèi)漏，B3廢氣渦輪增壓器未投運(yùn)，結(jié)合前面4.3節(jié)的初步分析可以確定B3廢氣渦輪增壓器怠速高報(bào)警是非真實(shí)轉(zhuǎn)速，該轉(zhuǎn)速信號(hào)是電氣或儀控誤發(fā)的虛假信號(hào)。

4.5 電氣及儀控專業(yè)動(dòng)態(tài)排查

電氣專業(yè)在在ECS控制模塊的前端端子箱中接入錄波儀對(duì)B3廢氣渦輪增壓器轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行錄波，在柴油機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到1 511 r/min， ECS前端錄波儀顯示主探頭出現(xiàn)波動(dòng)，備用探頭始終顯示正常，詳見圖5所示。

圖5 B3廢氣渦輪增壓器轉(zhuǎn)速主、副探頭錄波波形記錄Fig.5 The wave shape record for the speed probe of B3 exhaust turbocharger

為了進(jìn)一步驗(yàn)證B3廢氣渦輪增壓器轉(zhuǎn)速信號(hào)的主探頭存在問題，決定對(duì)B3廢氣渦輪增壓器轉(zhuǎn)速信號(hào)的主探頭及A2廢氣渦輪增壓器轉(zhuǎn)速信號(hào)的主探頭在ECS前端同時(shí)進(jìn)行錄波，以便對(duì)比A2/B3主探頭的錄波波形并分析原因，再次啟動(dòng)4LHP柴油機(jī)，柴油機(jī)降速至?xí)r刻，B3主探頭如預(yù)期出現(xiàn)波動(dòng)，A2主探頭轉(zhuǎn)速無波動(dòng)，數(shù)值平穩(wěn)，錄得的A2/B3主轉(zhuǎn)速探頭波形如圖6所示。

圖6 B3廢氣渦輪增壓器主探頭與A2廢氣渦輪增壓器錄波波形Fig.6 The wave shape record for the main speed probe of B3 and A2 exhaust turbocharger

從錄波情況分析，B3廢氣渦輪增壓器轉(zhuǎn)速信號(hào)的主探頭及副探頭的波形存在明顯差異，且主探頭波動(dòng)曲線顯示出明顯周期性；從錄得的A2/B3主探頭波形上看，B3廢氣渦輪增壓器轉(zhuǎn)速信號(hào)的主探頭在柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到1 511 r/min時(shí)出現(xiàn)明顯波動(dòng)，而A2主探頭轉(zhuǎn)速無波動(dòng)。據(jù)此判斷B3廢氣渦輪增壓器轉(zhuǎn)速信號(hào)的主探頭有問題。

5 該核電站4LHP柴油機(jī)B3廢氣渦輪怠速高故障處理

經(jīng)機(jī)、電、儀各專業(yè)的細(xì)致排查已鎖定4LHP柴油機(jī)B3廢氣渦輪怠速高報(bào)警的原因是B3廢氣渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速主探頭存在問題，現(xiàn)場將B3廢氣渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速探頭用新備件更換后，再次啟動(dòng)柴油機(jī)未出現(xiàn)B3廢氣渦輪怠速高報(bào)警，隨后進(jìn)行的柴油機(jī)組低功率及滿功率過程中均未出現(xiàn)B3廢氣渦輪怠速高報(bào)警，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證該問題已經(jīng)解決，柴油機(jī)可用。

6 結(jié)論

4LHP柴油機(jī)B3廢氣渦輪增壓器的怠速高故障報(bào)警問題，經(jīng)機(jī)、電、儀三個(gè)專業(yè)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)排查最終鎖定B3廢氣渦輪增壓器的主探頭故障是導(dǎo)致本次柴油機(jī)組異常報(bào)警的根本原因，現(xiàn)場經(jīng)更換B3廢氣渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速主探頭后效果顯著，故障完全消除。

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組是核電站中重要的核安全級(jí)設(shè)備，其能否穩(wěn)定可靠備用對(duì)整個(gè)核電機(jī)組的可運(yùn)行性產(chǎn)生重要影響，根據(jù)運(yùn)行技術(shù)規(guī)范若應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組不可用將會(huì)產(chǎn)生第一組I0，檢修必須在3 d內(nèi)完成，否則必須退防，確保核安全。因此在核電站運(yùn)行期間，保證柴油機(jī)可靠備用尤為重要，而柴油機(jī)組設(shè)備上各類測點(diǎn)故障是導(dǎo)致柴油機(jī)組不可用的主要原因之一，因此后續(xù)在柴油機(jī)組的可靠性管理方面需重視儀控各類測點(diǎn)的可靠性。