某核电厂附加柴油机启动失败原因分析

余泽辉，闵济东，赖斌生，王飞龙

（福建福清核电有限公司，福建福州 350318）

0 引言

某核电厂的附加柴油机为20V956TB33 型进口柴油机，在执行应急柴油机大修前，利用其顶替此列应急电源但无法启动。下面以此案例为例，对影响该附加柴油机启动的可能原因进行分析和介绍。

1 启动系统概述

附加柴油机利用压缩空气推动活塞，使柴油机转动并最终达到点火转速而启动。该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，能单独启动柴油机。需要启动柴油机时，通过电信号控制主启动阀上的控制电磁阀，打开主启动阀。两列压缩空气均会通过止回阀600VA，才能供给下游。经过止回阀后，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；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（图1）。柴油机曲轴在各个气缸活塞的依次推动下，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[1]。

图1 压缩空气启动系统

1.1 燃油系统

附加柴油机启动时间控制在10 s 内，如果超过10 s 柴油机仍未达到额定转速1500 r/min 则启动失败。在启动阶段，压缩空气需要在6 s 内推动柴油机曲轴转动达到350 r/min，然后由燃油燃烧提供动力继续推动柴油机转动并迅速达到额定转速。燃油的供应也是正常启动的关键一环。

附加柴油机设置有一个主油罐，其油量可以满足柴油机满功率运行7 d。在高于柴油机的位置设置有一个日用油箱，它在重力作用下通过油管直接向柴油机供油，柴油机机带油泵对燃油进行加压，通过喷油器将燃油喷入气缸内燃烧。在柴油机运行时启动一台燃油泵，从主油罐持续向日用油箱供油，日用油箱能满足柴油机1 h 运行的燃油消耗。

1.2 主启动阀

主启动阀是柴油机启动的控制阀门，设置在柴油机与压缩空气储气罐之间。在正常备用情况下，柴油机只需要开启此阀门压缩空气就会进入柴油机，并推动柴油机启动。当柴油机转速达到350 r/min 时，主启动阀关闭，切断压缩空气供应。

在柴油机的左右两侧各有一个主启动阀，每个均能单独启动柴油机。正常启动时，启动信号同时控制打开两个的主启动阀，两列压缩空气同时进气，以确保压缩空气的供应。

主启动阀上配置有一个手柄和一个电磁阀，通过手柄能就地手动打开阀门。电磁阀能实现主启动阀远程控制的功能，同时也具备就地操作的功能，电磁阀开启时，会引导一路压缩空气进入主启动阀，利用压缩空气的压力打开主启动阀。

1.3 止回阀

在柴油机启动阶段，为防止气缸内燃油燃烧产生的压力以及运行时气缸启动阀密封不严导致的气缸内的压力回窜到启动压缩空气系统，在主启动阀下游设置了一个止回阀600VA，两列主启动阀供应的压缩空气均会通过此止回阀。该阀为立式升降式止回阀，材料为碳钢镀锌，开启压力0.1 bar（0.1 MPa）。

1.4 空气分配器

空气分配器由凸轮轴控制，主要是根据发火循序将压缩空气输送至气缸盖上的启动阀，控制启动阀的开启和关闭。附加柴油机左右两侧各布置一个空气分配器，能单独控制一侧的气缸进气。

确定算例结构后，利用ISAGA对式(32)进行仿真计算，算法基础数据设置最大容忍停滞代数为300，其余数据同算法评测时的设置。算例将供应链外部市场需求设置为符合正态分布的随机变量，涉及的所有碳足迹基础数据均来自实际调查数据和GaBi 6.10数据库数据。进一步设置供应商生产过程使用回收原材料比率为0.2，回收商回收产品配比为0.15。为了方便分析，将补充环节碳足迹作为生产准备碳足迹分拆入供应商及制造商生产环节。所有碳足迹单位为容量和运输量单位为件。为了更好地测试算例，共设置了6个多计划周期，产品市场需求数据设置如表3所示，其余数据予以省略。

空气分配器中设置有一个跟随凸轮轴转动的圆盘，圆盘上有一个小孔。圆盘前端连接到启动压缩空气管线，后端的分配器壳体上设置有10 个小孔，每个小孔出口连接到一个气缸顶部的启动阀。柴油机转动时，圆盘上的小孔依次与壳体上的小孔对应，将压缩空气依次送到各个启动阀，利用压缩空气的压力开启启动阀。在任意角度上都至少有一个壳体上的小孔与圆盘的小孔联通，保证任意时刻启动柴油机都至少有一个启动阀是开启状态，保证柴油机的启动可靠性。

每个气缸盖上均布置有一个启动阀，启动阀为柱塞式单向阀，动作由空气分配器控制：来自空气分配器的空气进入启动阀的阀柱塞室，柱塞被迫向下、阀门开启，压缩空气进入柴油机气缸内，从而推动活塞运动。如果控制空气中断或柱塞室泄漏，在弹簧的作用下启动阀关闭（图2）。

图2 启动阀

2 启动失败原因分析

附加柴油机启动失败可能的原因有柴油机严重卡涩、启动信号不正常、主启动阀未正常开启、压缩空气管线因异物堵塞或压力不足、空气分配器故障或启动阀未正常开启、燃油管线进气、止回阀卡涩等[4]。

2.1 柴油机严重卡涩

附加柴油机上一次运行到本次启动，时间间隔不到一年，且无检修工作。启动前一直处于备用状态，预热功能和预润滑油功能均正常。所以，柴油机严重卡涩的可能性很小，不作为优先排查的因素。

2.2 启动信号不正常

检查柴油机转速曲线，柴油机有转动且确定启动信号正常，故排除启动信号的因素。

2.3 燃油管线进气

（1）燃油系统进气是柴油机启动失败的常见原因，但上一次运行到本次启动，附加柴油机并无燃油系统开口检修的记录，可以排除检修后燃油系统排气不足的因素。

（2）考虑燃油系统因管道连接松动，导致空气进入管道的可能。因日用油箱位置高于柴油机，柴油机未启动时，在重力作用下，燃油管线内压力大于大气压，若燃油系统管道连接松动，会导致燃油泄漏，但现场未发现燃油泄漏的问题，故排除燃油系统管道连接松动的可能性。

（3）查看启动阶段的转速，最大转速不到50 r/min，未达到点火转速350 r/min，可知燃油还未开始燃烧，故排除燃油的因素。

2.4 主启动阀未正常开启

主启动阀本体也存在卡涩的可能性，但两台主启动阀同时卡涩的可能性很小，因此不作为优先排查的因素。

2.5 压缩空气管线因异物堵塞或压力不足

（1）压缩空气管线因异物堵塞。上一次正常运行后，压缩空气管线无检修工作，排除异物堵塞的因素。柴油机首次启动失败前及更换电磁阀后启动前，均有检查压缩空气储气罐、压力正常，可排除压缩空气压力不足的因素。

（2）空气分配器故障或启动阀未正常开启。两台空气分配器同时故障的可能性很小，启动阀更是多达20 个，同时故障的可能性也很小，因此空气分配器和启动阀均不是优先排查的因素。

2.6 止回阀卡涩

止回阀600VA 是启动压缩空气的必经之路，而且只有一个止回阀，若止回阀卡死则必然导致启动失败，故将止回阀600VA 作为本次排查的重点。

拆下止回阀后发现，止回阀内部已全面锈蚀。该止回阀正常开启压力为0.1 bar，但现场借助工具多人按压均无法开启。拆下阀芯，正常情况下阀芯的导向杆与导向槽在弹簧压力下会自动分离，但此阀芯之间已严重卡死，阀芯与导向槽之间不能分离，使用铁锤敲打，只能按压约2 mm 的距离，仍然不能拆开。

止回阀600VA 严重锈蚀卡涩，启动时只有少量压缩空气能进入柴油机，只能推动柴油机缓慢转动，无法在设定时间内达到额定转速，最终启动失败。

更换止回阀600VA 后，附加柴油机启动成功。因此确认止回阀600VA 卡涩是本次启动失败的原因。

3 故障解决

在确定止回阀600VA 严重锈蚀后，同步排查了压缩空气管线的其他止回阀及管道，均未发现锈蚀情况。也检查了同型号的其他柴油机（包括外电厂的），均未发现600VA 锈蚀的情况。止回阀600VA 为碳钢镀锌材料，有一定的防腐能力，且工作介质为经过过滤、干燥的压缩空气，不接触腐蚀性介质，因此推断止回阀600VA 锈蚀不是普遍现象，怀疑该止回阀存在质量缺陷[4]。

为确保柴油机的可靠性，保守决策，在柴油机的四年度预防性维修工作中，增加了止回阀的检查项目。

4 结束语

附件柴油机启动失败后，结合现场信息，对可能的原因按可能性大小进行排查，最终确定止回阀600VA 锈蚀卡涩是启动失败的原因，更换止回阀后柴油机成功启动。通过本案例柴油机启动失败的排查过程及故障原因，对核电厂柴油机的启动压缩空气系统提出了优化方案，对类似缺陷处理有一定借鉴作用。