李小虎 毛勁松

（中廣核核電運(yùn)營(yíng)有限公司，深圳 512124）

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組是核電站的一套安全專用設(shè)備，用于給連接在應(yīng)急母線上的重要中、低壓核輔助設(shè)備供電，以確保反應(yīng)堆安全停堆，同時(shí)還用于防止正常的外部交流電源系統(tǒng)失電而導(dǎo)致重要的設(shè)備損壞，以確保人身安全。應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組在核電站起到重要的電源保障作用，因此，柴油機(jī)及其相關(guān)設(shè)備的異常問題都應(yīng)該引起足夠的重視并妥善的解決。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)述

柴油機(jī)通常有五大系統(tǒng)，分別為燃油、潤(rùn)滑油、（高/低溫）冷卻水、啟動(dòng)空氣和進(jìn)排氣系統(tǒng)，根據(jù)與該問題的相關(guān)性，這里簡(jiǎn)要介紹潤(rùn)滑油、冷卻水系統(tǒng)。

1.1 冷卻水系統(tǒng)

冷卻水系統(tǒng)的任務(wù)是在柴油機(jī)工作時(shí)保證冷卻水不斷的流過受熱機(jī)件，吸收和帶走工作中產(chǎn)生的熱量，同時(shí)，還通過熱交換器帶走潤(rùn)滑油的熱量和增壓空氣的熱量，使它們的溫度保持在合適的范圍內(nèi)，從而保證柴油機(jī)連續(xù)正常工作，如圖1所示。

本文涉及的柴油機(jī)冷卻水為閉式循環(huán)系統(tǒng)，主要流程如下：冷卻水進(jìn)入機(jī)體后，經(jīng)由管式冷卻器冷卻增壓空氣，再經(jīng)過管式換熱器冷卻潤(rùn)滑油后，由柴油機(jī)自驅(qū)的單級(jí)離心水泵加壓進(jìn)入機(jī)身腔體冷卻燃燒室組件，然后經(jīng)機(jī)體出口支管匯集至總管，再由總管流向溫度控制閥（溫控閥）。溫控閥內(nèi)置溫敏元件根據(jù)冷卻水溫情況將冷卻水導(dǎo)入強(qiáng)制冷卻的翅片式風(fēng)冷散熱器或直接返回到機(jī)體入口，從而保證進(jìn)入機(jī)體的冷卻水溫度在一定范圍內(nèi)。

1.2 潤(rùn)滑油系統(tǒng)

潤(rùn)滑油系統(tǒng)的任務(wù)是在柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)保證一定壓力和溫度的潤(rùn)滑油送達(dá)各潤(rùn)滑點(diǎn)，潤(rùn)滑機(jī)件表面，同時(shí)冷卻和清洗各摩擦副，保證相互配合機(jī)件的磨損在可控范圍內(nèi)。另外，潤(rùn)滑油還可起到表面防腐、防銹等功能。

本文涉及柴油機(jī)為濕式油底殼，潤(rùn)滑油系統(tǒng)為閉式循環(huán)系統(tǒng)，主要流程如下：柴油機(jī)自驅(qū)動(dòng)的齒輪式潤(rùn)滑油泵從油底殼內(nèi)吸取潤(rùn)滑油加壓后進(jìn)入管式油水熱交換器冷卻，再經(jīng)調(diào)壓閥及過濾器后進(jìn)入機(jī)體內(nèi)部油道，從而到達(dá)曲軸、凸輪軸、連桿大端、活塞底部、搖臂機(jī)構(gòu)等工作點(diǎn)，最后又匯集到油底殼中。過程中，潤(rùn)滑油的溫度控制由水溫調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。

1.3 建立分析模型

圖1 油水熱交換器和風(fēng)冷散熱器

根據(jù)上述流程，當(dāng)柴油機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，在各系統(tǒng)的相互配合下，整體發(fā)熱和冷卻散熱達(dá)到某一平衡點(diǎn)，此時(shí)熱工參數(shù)均穩(wěn)定在要求的范圍內(nèi)，可將柴油機(jī)的傳熱循環(huán)簡(jiǎn)化為如下模型：將柴油機(jī)整體看作為一個(gè)恒定熱源，通過潤(rùn)滑油系統(tǒng)及冷卻水系統(tǒng)冷卻，被加熱的潤(rùn)滑油通過熱交換器與進(jìn)入機(jī)體前的冷卻水進(jìn)行熱量交換，完成潤(rùn)滑油系統(tǒng)熱量交換的冷卻水和吸收柴油機(jī)本體熱量的冷卻水會(huì)合后，經(jīng)溫控閥調(diào)節(jié)通過強(qiáng)制風(fēng)冷散熱器與大氣進(jìn)行熱量傳遞，達(dá)到適合溫度的冷卻水再次與潤(rùn)滑油及機(jī)體進(jìn)行熱交換，形成散熱循環(huán)。

柴油機(jī)在滿功率穩(wěn)定運(yùn)行過程中，設(shè)備本身溫度偏差較小，且廠房溫度由通風(fēng)系統(tǒng)維持基本穩(wěn)定不變，同時(shí)自然對(duì)流情況下散發(fā)的熱量相對(duì)較小，可簡(jiǎn)化為柴油機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量主要依靠潤(rùn)滑油及冷卻水帶出。

依據(jù)上述簡(jiǎn)化，建立柴油機(jī)運(yùn)行過程中傳熱模型如圖2所示。

圖2 柴油機(jī)傳熱循環(huán)簡(jiǎn)圖

2 原因分析

2.1 柴油機(jī)本體的熱交換分析

根據(jù)圖2可知，柴油機(jī)運(yùn)行過程中發(fā)出的熱量主要依靠潤(rùn)滑油及冷卻水交換帶出[1]。忽略散熱損失的情況下，依據(jù)能量守恒定律，將上述模型用熱平衡方程表征如下：

式中，Qe代表柴油機(jī)發(fā)熱量;QW代表冷卻水吸熱量;QO代表潤(rùn)滑油吸熱量。

根據(jù)熱量計(jì)算公式：

式中，Q代表熱量；C代表熱量；M代表流量；ΔT代表溫度增量。

代入熱平衡方程中，得：

式中，Co代表潤(rùn)滑油比熱；Cw代表冷卻水比熱；Mo代表潤(rùn)滑油流量；Mw代表冷卻水流量；ΔTo代表潤(rùn)滑油溫升；ΔTw代表冷卻水溫升。

由于冷卻水系統(tǒng)為封閉式系統(tǒng)，系統(tǒng)循環(huán)動(dòng)力為離心式水泵，其流量MW取決于水泵的揚(yáng)程（壓力）及系統(tǒng)管阻特性，如圖3離心泵的工作點(diǎn)曲線所示。在前次大修中，完成了油水熱交換器的清洗工作，并在此次大修中完成了冷卻水系統(tǒng)的沖洗工作，因此可認(rèn)為系統(tǒng)的管阻特性與系統(tǒng)原設(shè)計(jì)一致無變化，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的冷卻水系統(tǒng)壓力參數(shù)與歷史水平相同來看，可認(rèn)為系統(tǒng)冷卻水流量MW為定量。

圖3 離心泵工作點(diǎn)曲線

圖4 齒輪泵理論特性曲線

潤(rùn)滑油系統(tǒng)的循環(huán)動(dòng)力為齒輪油泵，一定型式的齒輪泵在轉(zhuǎn)速為定值時(shí)，其流量也確定為一定值，其理論特性曲線如圖4所示，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)上一般設(shè)置有安全閥，以保證系統(tǒng)壓力升高到一定程度后泄壓而保護(hù)系統(tǒng)和設(shè)備。通常情況下只有改變泵的轉(zhuǎn)速或者改變泵的結(jié)構(gòu)或改變泵出口閥開度才能改變其流量Mo。因柴油機(jī)轉(zhuǎn)速一定，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)壓力、溫升情況與歷史水平相當(dāng)，管路無任何改變，可認(rèn)為系統(tǒng)潤(rùn)滑流量Mo也為定量。

冷卻水比熱CW和潤(rùn)滑油比熱CO均為常量，根據(jù)采集的現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)表1，計(jì)算可得此次柴油機(jī)磨合過程中：

ΔTW1≈ ΔTW2≈11℃

ΔTo1≈ ΔTo2≈6℃

表1 現(xiàn)場(chǎng)整理的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)情況

因此：

Qe1≈Qe2

即，該潤(rùn)滑油溫高的柴油機(jī)與參考柴油機(jī)相比，柴油機(jī)運(yùn)行過程中各部件的發(fā)熱量相當(dāng)。

同時(shí)，對(duì)比該柴油機(jī)歷史上多次的同功率平臺(tái)下的運(yùn)行參數(shù)，冷卻水通過柴油機(jī)后溫度增幅ΔTW均維持在11℃左右；潤(rùn)滑油溫度增幅因柴油機(jī)出口潤(rùn)滑油溫度無測(cè)點(diǎn)，此次根據(jù)分析需要使用手持式設(shè)備測(cè)量，但考慮到系統(tǒng)相關(guān)性及設(shè)備運(yùn)行特性，結(jié)合冷卻水的溫度增幅ΔTW在11℃左右，可以判斷ΔTo也應(yīng)維持在6℃左右。即該潤(rùn)滑油溫高的柴油機(jī)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)與歷史運(yùn)行狀態(tài)相當(dāng)。

2.2 油水熱交換器的熱交換分析

對(duì)于同一熱交換器，換熱效率主要取決于工作介質(zhì)的比熱、流量及溫升的變化。此例中，冷卻水比熱CW和潤(rùn)滑油的比熱CO均為常量，系統(tǒng)冷卻水流量Mw和潤(rùn)滑流量Mo可看成定量。因此，忽略散熱損失的情況下，油水熱交換器的換熱效率可由下式表示：

式中，ηO為理論換熱效率；Co代表潤(rùn)滑油比熱；Cw代表冷卻水比熱；Mo代表潤(rùn)滑油流量；Mw代表冷卻水流量；ΔTo代表潤(rùn)滑油溫升；ΔTw代表冷卻水溫升。

表2 油水熱交換器進(jìn)出口參數(shù)情況

由表2可得，管換1與管換4的傳熱效率相當(dāng)，管換2與管換3的傳熱效率相當(dāng)。即，四個(gè)完全相同的熱交換器實(shí)際計(jì)算熱效率有所不同，但在廠房相同位置布置的兩個(gè)熱交換器的換熱效率是相當(dāng)?shù)?。這與熱交換器在柴油機(jī)廠房?jī)?nèi)的布置空間不完全相同造成的傳熱損失差異有關(guān)，這也是導(dǎo)致柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)略有差異的原因。

2.3 風(fēng)冷器的熱交換分析

對(duì)于翅片式熱交換器，根據(jù)能量守恒定律，忽略散熱損失的情況下，換熱方程式為：

Q=CW·MW·ΔTW=K·Ca·Ma·ΔTO

式中，Ca代表空氣比熱；Cw代表冷卻水比熱；K代表傳熱系數(shù)；Ma代表空氣流量；Mw代表冷卻水流量；ΔTa代表空氣溫升；ΔTw代表冷卻水溫升。

表3 風(fēng)冷器進(jìn)出口參數(shù)情況

結(jié)合表3數(shù)據(jù)，由換熱方程式可得溫度高柴油機(jī)和參考柴油機(jī)的冷卻水溫升分別為：

根據(jù)風(fēng)冷器的現(xiàn)場(chǎng)布局及各冷卻風(fēng)機(jī)的情況，軸流風(fēng)機(jī)、葉片安裝角度一致、使用相同電機(jī)且實(shí)際運(yùn)行電流接近，可近似認(rèn)為空氣流量相同，即Ma為常量。此例中空氣溫度相對(duì)較低且接近，可認(rèn)為空氣的比熱容Ca為定值[2]。水的比熱容Cw為常量，可得：

流經(jīng)風(fēng)冷器的冷卻水流量由回路中的溫控閥根據(jù)冷卻水的實(shí)際溫度情況調(diào)節(jié)控制，在此次維修中溫控閥元件的設(shè)定值已校驗(yàn)并合格，可認(rèn)為溫控閥元件工作正常，即，溫控閥開度隨著冷卻水溫度的變化而正常響應(yīng)，在柴油機(jī)滿功率運(yùn)行條件下，冷卻水溫度高于溫控閥元件設(shè)定值，因此溫控閥全開運(yùn)行，此時(shí)柴油機(jī)出口的所有冷卻水都經(jīng)過風(fēng)冷器冷卻后再回到入口。

根據(jù)2.1的推論，因溫度高柴油機(jī)和參考柴油機(jī)的冷卻水系統(tǒng)管路完全相同，運(yùn)行參數(shù)基本相同，此處可認(rèn)為兩臺(tái)通過風(fēng)冷器的冷卻水流量基本相等，即Mw1≈Mw2。

由此可得：

考慮到測(cè)量累積誤差、散熱器肋片的表面狀態(tài)略有差異，可認(rèn)為溫度高柴油機(jī)和參考柴油機(jī)的風(fēng)冷器傳熱系數(shù)也是幾乎相等的[3]。

綜上所述，通過對(duì)柴油機(jī)運(yùn)行過程中各部位的傳熱計(jì)算，初步分析認(rèn)為該潤(rùn)滑油溫高的柴油機(jī)各部件運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)正常，冷卻水系統(tǒng)及潤(rùn)滑油系統(tǒng)運(yùn)行也均正常。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及驗(yàn)證情況補(bǔ)充分析

試驗(yàn)過程中，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到油溫高的柴油機(jī)在滿功率時(shí)，水溫、油溫均緩慢上升，逐漸超過上限值并穩(wěn)定，在降功率后，水溫、油溫均會(huì)下降至標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)并穩(wěn)定。

用熱成像儀測(cè)量溫度高柴油機(jī)的風(fēng)冷器進(jìn)口空氣溫度為44/43℃，比參考柴油機(jī)的風(fēng)冷器進(jìn)口空氣溫度32/35℃高出10℃左右。在油溫高的柴油機(jī)風(fēng)冷器進(jìn)出口間增加物理隔斷后，如圖5所示，再次使用熱成像儀測(cè)量風(fēng)冷器進(jìn)口空氣溫度在35℃左右，與參考柴油機(jī)基本相當(dāng)。且在增加隔斷后，該柴油機(jī)冷卻水和潤(rùn)滑油溫度明顯降低，并處于合格范圍之內(nèi)。

圖5 風(fēng)冷器進(jìn)出口物理隔斷示意

從文中整理的數(shù)據(jù)不難看出，溫度高的柴油機(jī)從風(fēng)冷器處的空氣到冷卻水、潤(rùn)滑油系統(tǒng)溫度整體都高出參考柴油機(jī)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、橫向參考柴油機(jī)對(duì)比及縱向歷史情況對(duì)比分析，確認(rèn)該柴油機(jī)油溫高的原因是廠房外部空間狹小，風(fēng)冷器出口部分熱風(fēng)被冷卻風(fēng)機(jī)吸入風(fēng)冷器，導(dǎo)致風(fēng)冷器所處的環(huán)境溫度升高，使得風(fēng)冷器冷卻效率降低，進(jìn)而導(dǎo)致柴油機(jī)冷卻水溫度和潤(rùn)滑油溫度跟隨升高，使其超過標(biāo)準(zhǔn)要求。通過增加物理隔斷驗(yàn)證進(jìn)一步驗(yàn)證了此分析結(jié)論，現(xiàn)場(chǎng)工作人員的熱感也直接證明了這一點(diǎn)。

3 結(jié)論

熱力學(xué)中實(shí)際的熱量傳遞過程都是以熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種基本方式進(jìn)行，有時(shí)以其中的一種方式傳遞，但大多數(shù)情況下都是以兩種或三種熱量傳遞方式同時(shí)進(jìn)行。本文以熱力學(xué)理論為基礎(chǔ)，從柴油機(jī)熱量產(chǎn)生到導(dǎo)出的各個(gè)環(huán)節(jié)定性對(duì)比分析，利用系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)對(duì)過程中一些非主要成份進(jìn)行了有效的簡(jiǎn)化，排除了因柴油機(jī)部件及冷卻水、潤(rùn)滑油系統(tǒng)運(yùn)行異常導(dǎo)致的油溫升高因素，并在理論分析的基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際驗(yàn)證，確認(rèn)造成該柴油機(jī)潤(rùn)滑油溫高的原因?yàn)轱L(fēng)冷器廠房外部空間狹小，布置不合理導(dǎo)致的熱風(fēng)回流，最終通過增加物理隔斷優(yōu)化廠房布置徹底解決了該柴油機(jī)潤(rùn)滑油溫高的問題。