某核电厂柴油机甩负后柴油机转速偏高原因分析及处理

某核电厂柴油机甩负后柴油机转速偏高原因分析及处理

徐世超 王勇  高建平 王嘉源 王萌 秦科

内蒙古必选机械制造有限公司  内蒙古自治区鄂尔多斯市  017120

摘要：柴油发电机系统是核电厂专设安全设施，柴油发电机组都有能力满足应急厂用设备用电要求，以确保反应堆安全停堆，并且防止由于正常的外部电源系统失电而导致重要设备的损坏。柴油机是核电站一道重要的安全屏障，对保障核电站安全稳定运行至关重要。应急启动时，柴油发电机组在收到启动信号后 15 s 内达到额定转速和额定电压，迅速与应急供电系统连接，并按照预定的加载程序自动地接上各个负荷组。每次成功启动是应急柴油发电机系统正常投入运行的前提，但是在调试过程中，设计、安装、设备等方面的原因都有可能导致柴油机启动失败。为了保证核电站安全运行，必须配备可靠的应急供电系统。应急柴油发电机组作为核电厂备用电源能在反应堆正常停止或关键设备损坏时对核电站起到重要的保护作用。

关键词：柴油机；调速系统；调速器；转速波动

根据核电厂运行的特殊性和安全性等特点，核电厂内配置的柴油发电机组作为核电厂失去厂外正常电源后，提供可靠安全电力，以确保反应堆安全停堆，防止正常地外部电源系统失电导致其他重要设备损坏。因此，要求柴油发电机组具有可靠性、稳定性、低运维和快速启动等特点。在核电厂中，应急柴油机作为应急电源的关键组成部分，属专项安全设施，对核电厂应急供电有着重要影响。 要求其在10 s 内启动完成，并带载荷稳定运行。近年来国内核电厂应急柴油机曾多次出现转速波动问题， 影响其可用性。为了减少类似事件，以某核电厂应急柴油机为例探究应急柴油机转速波动问题。

一、柴油机转速波动机理

柴油机属压燃式内燃机，由其工作原理可知，运转时转速存在微小波动。 柴油机为控制其不出现因转速波动而失控，通常设置有调速系统。在核电厂中，应急柴油机调速系统为由柴油机转速输出、速度传感器、调速器、喷油泵和燃油齿条机构组成的闭环控制系统。应急柴油机本身没有自行启动能力，为了使其转动起来必须借助于外力，创造柴油机获得第一个工作行程的条件，即在外力作用下进行进气、压缩、喷油，直至燃油燃烧膨胀做功才能推动活塞自行转动，这一过程称为柴油机启动。对于核电厂应急柴油机，根据柴油机的运动方程和速度控制原理，其在稳态运行工况，柴油机各缸做功相对稳定，输出力矩与包括发电机力矩在内的阻力矩相对平衡，转速相对稳定,调速器输出相对恒定；当阻力矩或输出力矩改变时，柴油机的平衡将被打破，曲轴转速改变，调速系统中执行器的动作应能及时补偿负荷变化，维持曲轴转速不出现超设计波动，并能重新构建新的平衡，从而维持转速稳定。 在调速系统出现异常时，将无法及时建立新的平衡，柴油机将出现转速波动问题。核电厂柴油机配置了两列独立的压缩空气启动系统，每列压缩空气启动系统均设置有独立的空压机和储气罐，均能单独启动柴油机。应急柴油机接到启动命令后，如果柴油机各项热机参数满足要求，电信号控制主启动阀上的启动电磁阀，打开主启动阀。一路压缩空气进入柴油机两侧的空气分配器，通过空气分配器控制各气缸盖的压缩空气启动阀开启；另一路压缩空气供给气缸盖的压缩空气启动阀，当启动阀打开时压缩空气进入气缸，推动活塞向下运动，从而推动曲轴转动，膨胀后的压缩空气由排气门排出气缸。在各个气缸活塞的依次推动下，柴油机曲轴连续转动并达到点火转速。柴油被压燃后，燃烧提供的动力继续推动柴油机转动，并最终达到额定转速。

二、某核电厂应急柴油机转速波动案例

某核电厂应急柴油机的电子调速器型号为 E19600，机械液压式调速器型号为 EGB-50P，速度传感器为磁电式传感器，额定转速 500 r/min。正常运行时，速度传感器测量柴油机转速，然后将转速信号输送给电子调速器，电子调速器对转速信号处理后，将输出电流信号给机械调速器，机械调速器在进行比较处理后输出角位移并驱动燃油齿条机构动作，从而控制喷油泵的进油量，最后通过改变气缸压力来改变柴油机转速，如此往复，从而实现柴油机转速控制。其中，调速系统中的调速器有机械调速器和电子调速器两种，机组正常运行时机械调速器为电子调速器的执行器；在电子调速器不可用时切换至液压模式，也可控制机组转速。

1、转速突升突降波动问题。一台应急柴油机运行在 30%功率平台试验，其转速由 500 r/min突然上升至575 r/min，柴油机保护动作，转速降为0。试验期间，负荷没有改变，转速突然上升。根据柴油机调速系统原理，其机械调速器行程输出迅速增大，导致燃油供给量增加，气缸平均有效压力和柴油机输出力矩增大。现场检查燃油齿条驱动、速度传感器及电子调速器均未发现异常，分析故障原因应为机械调速器异常。将机械调速器在调速器专业维护厂家专用试验台架检查，发现调速器无法正常运转，解体调速器发现其驱动轴断裂。 更换驱动轴，在调速器专用试验台进行校验，调速器运转正常，满足要求，随后安装到柴油机上后再未出现转速波动问题。

2、转速小幅度波动。一台应急柴油机低负荷试验运转 12 min 后，其转速突然升高至 516 r/min，然后直线下降至 386 r/min，随后又逐渐恢复至500 r/min，其中在转速下降的过程中，触发机组低频保护，失去发电机负荷。现场检查，未发现调速回路异常。为进一步定位异常的原因，结合柴油机转速波动机理，对调速系统中的各主要部件进行试验检查。（1）机械调速器检查。将机械调速器上试验，调速器参数均在要求范围内，并且与匹配柴油机的同型号电子调速器配合工作良好，判断机械调速器正常。（2）电子调速器检查。在调速器专业维护厂家检查电子调速器输入输出信号，信号正常，同时在匹配柴油机厂家检查电子调速器参数，满足要求。匹配柴油机厂家同型号规格的机械调速器时，电子调速器工作正常，因此判断电子调速器正常。（3）电子调速器+机械调速器联合检查。在调速器专业维护厂家，将机械调速器安装在专用试验台架上，并与电子调速器连接，试验发现两者动作正常。但是在电子调速器附近增加对讲机干扰信号时，电子调速器输出信号波动，因此判断对讲机电磁干扰影响电子调速器正常输出。（4）速度传感器检查。 在计量标定厂家对速度传感器进行检查，其外观、传感器绝缘性和屏蔽性满足要求，传感器内阻合格，传感器的输出特性和精度满足要求。（5）燃油齿条驱动机构检查。 现场检查燃油齿条机构，未发现卡涩或松脱等异常，同时使用专用工装检查燃油齿条机构力矩，满足要求。

柴油机能够成功启动是应急电源系统正常投入运行的前提，对保障核电站安全稳定地运行至关重要。柴油机及其辅助系统的设备部件安装遗漏，设计参数不合理，设备维护保养不当，设备部件存在缺陷等原因均能造成应急柴油机启动失败，通过对某核电厂柴油机转速波动及处理，柴油机转速波动通常是由调速系统中的调速器（包括机械调速器和电子调速器）故障导致的，因此在处理类似问题时重点检查调速器。调速器参数设置不当将引发转速波动，在调速系统调试及改造时需重点关注。              

参考文献：

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