壓水堆核電站（Pressurized Water Reactor，PWR）通常配備冗余應(yīng)急柴油發(fā)電機組（EDG-Emergency Diesel Generator set），在失去廠外電源的事故情況下，應(yīng)急柴油發(fā)電機組立即啟動，在10 s內(nèi)達到額定轉(zhuǎn)速和額定電壓，在13 s內(nèi)為電站應(yīng)急母線供電。應(yīng)急母線為保證反應(yīng)堆正常冷卻的專設(shè)安全設(shè)備，如安注泵、輔助給水泵、噴淋泵、設(shè)備冷卻水泵等提供動力電源。上述安全設(shè)備在40 s內(nèi)實現(xiàn)分步帶載運行，柴油機儲油罐容量設(shè)計滿足滿功率運行7天的需要。
應(yīng)急柴油機組“10 s”啟動的要求是基于早期“反應(yīng)堆雙端斷裂的大失水事故（LOCALoss of Coolant Accident）疊加失去廠外電源”的假設(shè)事故。美國核管會（NRC-Nuclear Regulation Committee）的研究發(fā)現(xiàn)，該事故假設(shè)過于苛刻。對于應(yīng)急柴油發(fā)電機組而言，現(xiàn)實的情況是，作為結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機電設(shè)備，定期試驗時，頻繁的快速啟動造成的熱應(yīng)力和機械應(yīng)力，對柴油發(fā)電機組的可靠性和壽命產(chǎn)生了很大的負面影響，而減少快速啟動的次數(shù)有助于提高應(yīng)急柴油發(fā)電機組的可靠性。
國外核電站對應(yīng)急柴油機啟動時間的優(yōu)化：
早在20世紀(jì)80年代，美國核電站已根據(jù)研究成果對應(yīng)急柴油發(fā)電機組的定期試驗做了改進，改進后的試驗方式為：慢啟動帶載試驗（啟動時間30 s）每月一次，快啟動帶載試驗（啟動時間10 s）半年一次。
這樣改進的理由除了基于前面所分析的快啟動對應(yīng)急柴油發(fā)電機組的可靠性和老化的影響，還基于對核電站安全設(shè)計基準(zhǔn)事故的再研究。
根據(jù)美國核管會（NRC）的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，核電站應(yīng)急柴油機試驗方式優(yōu)化后，應(yīng)急柴油發(fā)電機組的可靠性保持上升趨勢。
法國核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機組之前存在活塞環(huán)和缸套拉缸的普遍問題，法國電力公司（EDF）在20世紀(jì)90年代采取了一系列改進行動，其中一項改進是將柴油機啟動時間從10 s延長到15 s，其后柴油機拉缸問題得到有效解決。
本文將根據(jù)應(yīng)急柴油機的啟動過程，結(jié)合對MTU956型柴油機實際調(diào)查成果，對應(yīng)急柴油機快速和慢速兩種啟動方式進行分析。
1 應(yīng)急柴油發(fā)電機組的啟動過程
1.1 柴油機設(shè)計參數(shù)
核電站應(yīng)急柴油機的結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同，本文以MTU956型柴油機為分析對象進行試驗研究分析，該型號柴油機結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。
1.2 柴油機啟動過程
核電站中大型應(yīng)急柴油機主要采用空氣分配器啟動：柴油機收到啟動命令后，壓縮空氣閥門打開，壓縮空氣通過“啟動空氣分配器”按照氣缸“做功時序”將壓縮空氣送到各個氣缸（見圖3），推動曲軸運行，當(dāng)柴油機達到“發(fā)火轉(zhuǎn)速（約100 r/min）”，氣缸開始自行發(fā)火做功。待柴油機可以維持自身運轉(zhuǎn)后，壓縮空氣閥門自動關(guān)閉（轉(zhuǎn)速約 430 r/min），柴油機轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升到額定轉(zhuǎn)速（1 500 r/min），柴油機啟動成功。
1.3 快速啟動對應(yīng)急柴油機的影響
美國核管會（NRC）相關(guān)技術(shù)分析報告提到，應(yīng)急柴油機在熱備用狀態(tài)快速啟動后立即帶載運行易造成磨損和老化，損傷原因是較大的機械應(yīng)力和熱應(yīng)力、加速階段運動部件潤滑不足和劇烈變化的燃燒室壓力。
快速啟動對加速柴油機老化的具體影響主要包括以下幾個方面：
（a）柴油機快速升速，使得在正常潤滑油膜沒有完全形成時活塞環(huán)對氣缸壁的作用力及軸承所受的負載極大。這種金屬之間的接觸可以導(dǎo)致氣缸壁和凸輪表面磨損，并加速主軸承和連桿軸承的磨損。
（b）在快速升速過程中，未安裝扭振減振裝置的曲軸會產(chǎn)生較強的曲軸扭轉(zhuǎn)振動。對于一些沒有安裝扭轉(zhuǎn)振動阻尼器的柴油機出現(xiàn)機軸裂紋，放大的機軸扭轉(zhuǎn)振動被認為是造成該情況的原因。扭轉(zhuǎn)振動同時也會出現(xiàn)在柴油機其他部件中，如柴油機驅(qū)動的水泵、凸輪軸和齒輪。
（c）在沒有達到熱平衡的情況下，柴油機的快速升速和帶負荷會使氣缸缸體和曲柄軸箱承受很高的機械應(yīng)力和熱應(yīng)力，易造成柴油機結(jié)構(gòu)扭曲變形。這些扭曲變形反過來會引起金屬之間的接觸（摩擦），并加速部件的磨損。
（d）柴油機快速升速過程更容易發(fā)生超速情況，這種超速狀態(tài)會使柴油機和發(fā)電機部件所受的應(yīng)力增大，從而加速機械磨損。
（e）柴油機快速升速和帶負荷，會加速渦輪增壓器的磨損，尤其是在渦輪增壓器潤滑還沒完全建立時。
綜上分析，柴油機快速啟動過程中，較易發(fā)生主軸承和連桿軸承振動沖擊、扭振、曲軸箱振動以及渦輪增壓器的振動，導(dǎo)致加速磨損和老化。
2 MTU956型柴油發(fā)電機組啟動過程研究
2.1 柴油機啟動過程監(jiān)測方案
MTU956型柴油機設(shè)計上有“快啟動（10 s）”和“慢啟動（30 s）”兩種啟動模式，根據(jù)核電站的設(shè)計要求，實際運行中采用快啟動方式。
根據(jù) 2.3節(jié)中柴油機啟動過程對柴油機老化的影響因素分析和柴油機啟動過程的瞬時狀態(tài)詳細分析，提出柴油機監(jiān)測方案。主要監(jiān)測內(nèi)容包括：柴油機瞬時轉(zhuǎn)速、氣缸振動、曲軸箱振動、齒輪箱振動、基座振動、軸承振動，具體監(jiān)測點布置如圖4所示。采用開發(fā)的“基于時序和角域分析的柴油機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)”，分別進行“快速”和“慢速”兩種啟動方式試驗，對比分析主軸承和連桿軸承的振動沖擊、扭振、曲軸箱振動以及渦輪增壓器的振動等特性。
（b）慢速啟動過程
基座振動：快速升速階段，電機端的基座振動水平在兩種啟動模式下基本相當(dāng)，柴油機端的基座振動水平在“慢啟動”過程有較為明顯的降低。“慢啟動”過程中振動變化比“快啟動”明顯平緩。
3 結(jié)論
根據(jù)本文研究成果，對應(yīng)急柴油發(fā)電機組定期試驗方式進行優(yōu)化，延長柴油機啟動時間，有利于減少運動部件的失效概率，延長柴油機運行壽命。柴油機啟動時間的合理延長，對核電站安全性沒有本質(zhì)影響。
目前，國內(nèi)應(yīng)急柴油機定期試驗和柴油機啟動時間基本遵循早期的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，柴油機啟動時間多為10 s，根據(jù)實際試驗采集數(shù)據(jù)分析得到的結(jié)果可以得出在快速升速階段“慢啟動”對比“快啟動”各部件振動沖擊整體較小，建議后續(xù)參考國內(nèi)外其他研究成果和良好實踐，優(yōu)化柴油機定期試驗方式，可在提高柴油機可靠性，延長柴油機壽命，減少維修成本方面受益。
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