MTU956型柴油机软启动阀故障对快速启动时间的影响分析

MTU956型柴油机软启动阀故障对快速启动时间的影响分析

靳文金

(大亚湾核电运营管理有限责任公司广东省深圳市518124)

摘要：本文通过对某核电厂使用的MTU956型柴油机应急启动时间缓慢问题的分析，介绍了软启动阀故障关闭时对柴油机启动过程的影响，通过试验得出启动瞬间进气压力、给油量和转速变化的差异曲线，给出软启动阀关闭对应急启动时间的影响，以期对同类型柴油机软启动阀故障分析、应急启动时间缓慢分析提供参考。

关键词：柴油机MTU956软启动阀启动时间

一、前言

应急柴油发电机组是核电厂厂内独立的应急电源。当厂用工作电源和厂外备用电源失去时，柴油发电机组需要快速启动、在接收到启动信号后的10s内达到额定转速，以准备为应急厂用设备提供电能，确保在正常或事故工况下能够使反应堆安全停堆，保证核电厂的人员和环境的安全，以及防止重要设备损坏。因此，应急柴油发电机组的可靠性非常重要，对启动时间的要求也很严格。

某核电厂在工程调试期间发现其中一台MTU956型柴油机的启动时间一直在9s至10s之间，而对比其它同类型柴油机的启动时间都在8s左右。为了给应急电源留足裕度、提高设备可靠性，需分析这一偏差存在的原因。

二、柴油机技术参数

某核电厂所用的MTU956型柴油机为20个气缸、V型、四冲程、直喷、水冷机，增压方式为两级废气增压。所用调速控制单元为ECS956型。主要技术参数如下：

额定功率：5720kW额定转速：1500r/min

额定电压：6.6kV额定频率：50Hz

三、特性曲线获取方案

方案以MTU956型柴油机自带的ECS956型控制单元为基础，利用ECS956型电子控制单元的备件、并结合各种类型的传感器、控制器、操作终端，设计搭建一套监测系统，并组态人机接口，对各种数据进行可视化管理。

首先利用机体上预留的安装孔，在需要监测的点上安装额外的传感器，传感器要求为4—20mA标准输出或PT1000型热电偶，以便与ECS956型控制单元自带的采集卡相匹配。将传感器信号引入额外的ECS956控制单元后，由于航空插头的编号与控制单元内部的采集板相对应，只要接线正确即可自动将对应通道组态成匹配输入传感器的采集类型。配置完成后，使用Diasys2.52软件进行人机交互界面的组态。Diasys2.52软件是为ECS956控制单元研发的专用控制组态软件，其人机界面友好，具有良好的可操作性和强大的扩展性，并具有高速实时采样能力，最短的采样时间间隔可达50ms。

注意：Diasys软件可最多同时连接两台ECS956控制单元。在本方案中，不仅连接了离线监控系统的ECS956控制单元，还同时连接了应急柴油机在线使用的ECS956控制单元，可从中调取更多的参数放在同一组态画面下进行比对，以期获取更多的信息。

四、软启动阀故障的影响分析

将上述监视方案应用于某核电厂MTU956型柴油机启动缓慢的原因查找中，获取柴油机启动期间各部件的压力、温度、转速等数据进行综合分析，发现在A1/A2号涡轮增压器投入运行前（此时柴油机转速已超过300r/min）进气联箱的压力存在区别。

对获取的异常柴油机的启动曲线进行分析，发现从启动时刻到涡轮增压器投入时刻耗时3.4s，这段时间进气联箱的助燃空气压力一直为0kPa（如上左图）；而对比正常柴油机的启动曲线，从启动时刻到涡轮增压器投入时刻耗时2.9s，这段时间进气联箱的助燃空气压力很快从0kPa上升到79kPa（如上右图）。

由于MTU956型柴油机在涡轮增压器投入之前，是由外部的压缩空气系统给柴油机提供初始动力、并同时通过软启动阀提供助燃空气，推动柴油机运转及达到点火转速。在柴油机达到点火转速（90r/min）以后、涡轮增压器打开（300r/min）之前，柴油机助燃空气都是由软启动阀所在管线提供的。当软启动阀故障关闭后，外部压缩空气无法通过相关管线提供给进气联箱，柴油机无法正常点火，直到单纯由外部压缩空气推动柴油机转速达到300r/min、涡轮增压器打开后才能获得助燃空气。由上图可见，异常柴油机的涡轮增压器打开时间比正常柴油机晚了0.5s。

正常状态下，柴油机的输出扭矩取决于空气流量，空气流量与其它参数的关系如下：

其中F为实际空气流量（g/s），N为柴油机转速（r/min），V为柴油机排量（L），P为进气压力（kPa），T为进气绝对温度（K）。对于特定柴油机其V值和T值基本是常数，在涡轮增压器打开、外部压缩空气关闭的时刻，其转速N值也基本固定。即：初始扭矩的大小取决于此时的进气压力。如果压力过小，则柴油机获取不了足够的初始动力，造成点火后的加速力矩不足。当柴油机转速超过300r/min后，涡轮增压器打开，此时助燃空气不再由软启动阀所在管线提供，而是由涡轮增压管线提供，气缸获得足够的助燃空气后逐渐点火做功，使柴油机能够加速运转。但由于柴油机初始加速力矩不足、进气联箱的压力建立也需要一个过程，从上图可见其近期压力和转速曲线相比正常柴油机都较为平缓，即涡轮增压器打开之后的加速过程也较为缓慢。

虽然这一过程总共延缓只有约1.5s，但相对不到10s的快速启动时间要求而言，仍然是过长的时间延误。

对软启动阀（其安装位置如下图所示）进行解体检查发现，该阀阀芯脱落造成阀门持续关闭，截断了初始阶段的辅助进气。更换该阀后重新启动柴油机，柴油机转速和进气压力曲线变为与正常柴油机相同，柴油机启动时间恢复到8S左右，与其它正常柴油机也基本一致。

五、结论

综上分析可见，核电厂用MTU956型柴油机的软启动阀故障关闭后会阻断涡轮增压器投入之前的启动阶段进气联箱供气，导致柴油机在达到发火转速后无法正常点火，直到涡轮增压器开始工作后才能正常点火运行。通过对某核电厂MTU956型应急启动时间缓慢问题的分析可知，软启动阀故障会导致启动时间延长1.5s左右。

MTU956型柴油机广泛应用于国内各核电厂，上述分析有助于对软启动阀的故障影响评估提供参考，也可对MTU956型柴油机启动时间缓慢问题提供分析思路，具有一定的参考价值。

参考文献:

1、MTUFRIEDRICHSHAFEN.ECS956/Genginecontrolsystem[M].Germany：MTUFriedrichshafenGmbH，2001

2、常汉宝.舰用大功率柴油机低负荷性能研究[D].武汉：华中科技大学.2004

3、MTU956TB33型柴油机技术说明书[Z].MTUFriedrichshafenGmbH.2010