MTU柴油机单缸排气温度高跳机的故障分析与处理措施

一、应急柴油发电机故障描述方家山核电机组应急柴油机采用德国MTU公司生产的20V956TB33型柴油机，共20个缸呈V型布置，额定转速1500r/min，持续额定功率6000kW。使用此型号应急柴油机的核电机组有田湾核电1～4号机组、岭澳核电3～4号机组、秦二厂3～4号机组、福清核电1～4号机组、阳江核电1～6号机组，共有51台在运行应急柴油机。1、方家山柴油机单杠排气温度高跳机2019年11月1日,方家山2LHQ应急柴油机执行月度满功率试验。柴油机启动信号发出约50s后A10缸排气温度309MT达到758℃,超出720℃上限值,导致柴油机保护停机,试验失败；停机后进一步检查发现，试验过程中B10气缸排气温度319MT异常升高，达到了571℃。检查309MT和319MT热电偶紧固情况，未发现松动，打开A、B两侧进气总管底部螺堵发现残留大量润滑油，A侧进气总管排出约90ml润滑油，B侧进气总管排出约60ml润滑油。排油完成后第二次起机试验成功，A10、B10缸排气温度正常，其他运行参数正常。2019年11月29日，方家山2LHQ应急柴油机执行月度满功率试验时，再次出现相同故障。B10缸排气温度319MT达到736℃，导致柴油机保护停机，试验失败。随后打开A、B两侧进气总管底部螺堵进行排油，A侧排出150ml，B侧排出270ml;排油后第二次试验成功，A10、B10缸排气温度正常。2、福清核电柴油机单缸排气温度高报警2019年2月22日，福清核电1LHQ应急柴油发电机组低功率试验期间，柴油机启动初期(约在50s之内)A10气缸排气温度309MT和B1o气缸排气温度319MT温度探头显示达到80o℃以上，并触发报警（福清采用应急启动试验模式，气缸排温高仅会出现报警，不会导致保护停机)。309MT报警持续时间约21s，319MT持续时间约26s，随后温度逐渐下降至720℃，报警消失。低功率试验稳定运行阶段，309MT和319MT温度正常，柴油机各项参数正常。2019年4月，1LHQ应急柴油发电机组低功率试验期间再次发生相同故障，2019年6月、8月试验未再发生。二、原因分析柴油机排气温度高是一个较为复杂的系统问题，受多个因素影响。根据柴油机设计结构、运行数据、运行环境等情况进行分析判断，设计如图1中故障树所示。1、燃油供油系统故障分析供油系统包括高压油泵、喷油器及相关连接管路。通常高压油泵齿条脏污、齿条卡死在最大位置会使气缸处于多供油的位置，从而导致该缸功率增加、排气温度上升，对应的现象是单个或某几个气缸排温相对偏高。柴油机维护保养期间均会对齿条进行检查，未发现异常。喷油器在使用一段时间后会出现喷油压力降低、雾化质量变差等问题，使喷入气缸的柴油无法完全燃烧或滞燃而导致排气温度升高。同样地，该问题通常表现为单个或某几个气缸排温升高。方家山203、204两次大修连续对A10、B10缸的喷油器进行了校验，状况良好。且高压油泵及喷油器故障均为不可逆故障，二次起机后依然会存在,与现场情况不符。小结:柴油机A10、B10缸排气温度异常上升的原因不在于供油系统。2、低温冷却水系统故障柴油机低温冷却水系统由柴油机机带的低温水泵提供动力，中冷器中的空气由低温水冷却。低温水系统故障会导致中冷器的空气降温效果，导致柴油机进气温度升高。第一次试验失败前低温水系统温度和压力未出现异常变化；第二次试验合格期间，低温水入机温度205MT为37.9℃，低温水出机温度206MT为46.5℃，低温水泵出口压力202MP为2.8bar，均处于正常范围内，故判断低温水系统正常。小结:柴油机A10、B10缸排气温度异常上升的原因不在于低温冷却水系统。3、进气系统故障应急柴油机气缸进气通过增压和冷却的方式来增加进气空气量，进气系统主要有进气过滤器、中冷器等部件。如果进气过滤器、中冷器等出现堵塞或冷却不足，会导致柴油机总体进气量减少，各个气缸整体出现排气温度升高的情况，与实际事实不符。小结:柴油机进气过滤器、中冷器状不是排气温度高的原因。4、润滑油计量泵(152PO)和喷嘴功能失效润滑油计量泵(152PO)在柴油机厂也称为进气阀阀座润滑油泵见。功能是将润滑油喷入进气总管内，随空气一同进入气缸，润滑进气阀阀座，减少进气阀的穴蚀。如果152PO喷油量过大，很可能会使A、B两侧进气总管内残留过多的润滑油，热备用期间汇聚至气管末端，待启动时润滑油与空气一同进入A10/B10气缸燃烧，导致燃烧不充分、排气温度过高。润滑油计量泵出口管线与两侧进气总管连接处各安装有一个喷嘴，功能是细化润滑油油滴，使进入进气总管内的润滑油容易随空气一同进入气缸。喷嘴细化润滑油精度差，很可能会使A、B两侧进气总管内残留过多的润滑油。小结:柴油机润滑油计量泵(152PO)和喷嘴功能失效，可能是排气温度高的原因。5、涡轮增压器轴承室润滑油泄漏方家山应急柴油机气缸的进气空气通过5组第一级涡轮增压器增压后进入第一级中冷器，再通过第二级涡轮增压器增压后进入第二级中冷器，依靠中冷器中的冷却水冷却后进入各个气缸与雾化后的柴油混合燃烧，燃烧后的废气又推动涡轮增压器工作，随后排入大气。涡轮增压器轴承室设置在废气侧和压气侧中间，轴承室有润滑油通过，工作压力约在3.0～3.5bar，其与废气侧、压气侧各设置有两道轴封。轴承室与压气侧轴封功能失效，会导致润滑油泄漏至压气侧，随空气流经进气总管，进入气缸。小结:存在涡轮增压器轴承室润滑油泄漏至压气侧，随空气进入气缸的可能性。6、中冷器疏水管线堵塞第一级中冷器和第二级中冷器均设置有疏水管线,最终汇流至废液收集箱300BA中。疏水管线可以监测中冷器是否存在冷却水泄漏。疏水阀302VA、311VA分别安装在A、B两侧的中冷器疏水管线中，由涡轮增压器控制电磁阀组350UC控制，阀门仅在柴油机带载时保持关闭。如果阀门无法正常开启，会造成疏水管线堵塞，导致进气总管中局部残留的润滑油无法排净。检查中冷器冷凝水疏水管线通畅，无堵塞。小结:中冷器冷凝水疏水管线堵塞不是排气温度高的原因。7、预润滑油压过大核电厂应急柴油机通常会设置预润滑油系统，其作用是在柴油机未启动状态下，建立润滑油压力，减少柴油机启动时各摩擦副之间的磨损。方家山应急柴油机预润滑油系统压力由预润滑油泵153PO提供，同时在预润滑油系统与阀动装置润滑油系统(气缸缸头、摇臂等部件润滑油系统见图2)边界设置了一个压力保持阀157VH，该阀门开启压力值为1.5bar。在柴油机热备用状态下，预润滑油系统中的润滑油应无法进入阀动装置润滑油系统，即预润滑油压150MP应小于1.5bar。但是MTU厂家提供的技术大纲中未体现这一数值，方家山维修及运行部门各类规程中预润滑油压力指标为:150MP>1.0bar。未对压力上限进行要求。方家山2LHQ应急柴油机预润滑油泵于204大修执行了定期更换项目，更换后预润滑油压150MP压力值调整为1.3～1.4bar。204大修正好处于环境温度较高时期，随着环境温度下降，预润滑油温有所下降，预润滑油压逐渐升高。经查阅巡检记录，2019年10月底开始预润滑油压逐步升高至1.5bar，该压力导致压力保持阀157VH开启,润滑油开始进入气缸缸头及摇臂,并顺着气门导杆进入气缸内部(A10/B10缸距离157VH最近,润滑油压力最高)润滑油泄漏路径见图3。当气缸进气门在开位时润滑油进入气缸内部积聚,起机后燃烧;当气缸气门在关位时润滑油顺着进气支管线回流至进气总管汇聚,可通过油堵排出,与故障描述一致。气缸进气风门导杆本身有活动间隙，柴油机运行时允许微量润滑油进入气缸，并不会影响柴油机排气温度。内窥镜检查发现柴油机A10缸缸头和进气支管内有润滑油痕迹，见图4。可以确定柴油机在热备用状态下，有润滑油进入阀动装置系统中。结合外部经验反馈分析缺陷产生过程:福清核电1～4号机组应急柴油机型号与方家山相同，福清核电1LHQ应急柴油机2019年2月、4月连续两次试验启动初期出现A10和Blo气缸排气温度高故障。排气温度从达到720℃报警出现，而后升至800℃以上再降至720℃报警消失，报警持续时间约为26s，该故障与方家山非常相似。排气温度高短时存在也说明A10、B10气缸内有其它可燃物进入，其总量可以在约26s时间内燃烧结束。润滑油的闪点约为220℃，在气缸内可以被点燃。过量的润滑油进入气缸会影响空气总量,导致气缸内燃油燃烧不充分，未完全燃烧的润滑油和燃油排出气缸后在排气支管出现二次燃烧，造成排气温度异常升高，柴油机保护跳机。随后再次启动因气缸内润滑油已燃烧殆尽,故柴油机可以正常起机运行，与本次故障表征一致。小结:预润滑油油压高很可能是排气温度高的根本原因。8、总结原因原因如下:1)供油系统、冷却水系统、进气系统、疏水管线故障被排除;2)152PO与涡轮增压町能存在泄漏故障;3)预润滑油压力过大为主要怀疑对象。三、处理措施及效果根据第2节原因分析，预润滑油压力(150MP)高是造成排气温度高的主要怀疑对象，维修部门于2019年12月14日，对2LHQ应急柴油发电机的预润滑油泵(153PO）进行了出口压力调整。将预润滑油泵压力从1.5bar调减为1.2bar，并排净进气总管内剩余积油。2019年12月27日，方家山2LHQ应急柴油机执行月度满功率试验，柴油机顺利起机，A10、B10缸排气温度正常，试验一次合格;且试验前检查进气总管内无润滑油积聚，润滑油泄漏情况消失。直至2020年8月，共9次月度试验2LHQ柴油机再未出现过单缸排气温度高相关缺陷，进气总管内也无润滑油积聚，确认故障消除。同时排除原因分析中的“润滑油计量泵（152PO)与涡轮增压可能存在泄漏故障”的可能性，确认润滑油计量泵及涡轮增压器设备功能正常可用。四、结论及推广本文结合故障树对柴油机单缸温度高的缺陷进行详细分析论证，确认造成柴油机起机瞬间单缸排气温度高的原因如下:直接原因:润滑油进入A10、B10气缸积聚，造成气缸内燃烧不充分，未完全燃烧的润滑油和燃油排出气缸后在排气支管出现二次燃烧，导致排气温度异常升高。根本原因:MTU提供的技术文件中仅对预润滑油油压的最低值进行了要求，未对预润滑油压力上线进行要求，导致预润滑油压力过高，进