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★遼寧紅沿河核電有限公司張天元

★北京廣利核系統工程有限公司李啟明，王志嘉，武哲龍

關鍵詞：核電廠；應急柴油發電機；狀態監測；故障診斷；健康評估；可靠性

1　應急柴油發電機狀態監測和故障診斷系統開發意義

1.1　核電廠應急柴油發電機狀態監測和故障診斷系統現狀

核電廠應急柴油發電機作為核電廠1E級設備，為反應堆緊急停堆提供電源，保障核安全。其可靠性指標主要有啟動成功率、不可用時間和重大設備災難性損失。

目前國內核電站95%以上應急柴油發電機組未裝設狀態監測和故障診斷系統，少數核電廠裝設了常規電力錄波器，但僅能實現電氣故障錄波功能，無法實現柴油發電機本體及輔助系統狀態監測和故障診斷功能，導致監測系統功能受限。由于國內外缺乏標準參考和經驗借鑒，導致國內無一款成熟的柴油發電機狀態監測和故障診斷產品可以滿足核電站的迫切需求。

1.2　核電站應急柴油發電機組面臨的難點、痛點、共性問題

1.2.1　核電站每年都會發生啟動不成功事件嚴重影響核安全

核電站柴油發電機與其他行業柴油發電機不同之處，是要求其在10-15秒內啟動成功具備發電能力。為保證其高可用性，核安全安規（HAD102-13、GB/T13177、IEEE-387、RG1.9）要求核級柴油發電機必須定期試驗（表1），保證啟動成功率大于99%。通過對核電站應急柴油發電機啟動成功率統計，各核電站每年都會發生啟動不成功問題，給核電站管理和技術人員帶來了極大困擾。其根本原因是柴油發電機系統復雜，如圖1所示，普遍存在電纜接線復雜、元器件眾多、繼電器邏輯多、進口元器件設備卡脖子、關鍵技術黑匣子問題；同時處于熱備用狀態的柴油發電機控制保護系統沒有狀態監測和故障錄波手段，無法提前發現和識別出潛在缺陷，導致各核電站每年都會發生啟動不成功事件。

表1 柴油發電機定期試驗表

圖1 應急柴油發電機組系統示意圖

1.2.2　核電飽受缺陷排查難、故障處理時間長、柴油發電機不可用時間長困擾

核電站應急柴油發電機由柴油機、發電機和輔助系統構成，如圖2所示，其中電纜端接高達2250～2500根，電氣元器件1350～1500個，核心進口元器件近50個，繼電器160～200個，保證所有系統和設備100%可靠面臨巨大挑戰。沒有狀態監測和故障診斷系統的情況下，柴油發電機系統出現缺陷和故障，通常需要機械、電氣、儀控三方面人員依靠豐富的工作經驗，根據當時現場人員提供的現象和數據，通過翻閱數百頁圖紙，對照邏輯功能圖、電氣原理圖、工藝系統圖，進行分析最終確定故障原因，少則需要數小時，多則需要數天，甚至出現故障原因不清等問題，嚴重影響核電站安全穩定運行。

圖2 柴油發電機故障錄波參數監測統計表

1.2.3　核電站經常發生柴油發電機、發電機等重大設備災難性損壞造成重大經濟損失

從近年來故障統計數據分析圖（圖3）可知，核電站應急柴油發電機發生軸瓦磨損/燒瓦、拉/抱缸等故障和啟機失敗概率非常大，其主要原因為柴油機和發電機等重大設備沒有健康狀態、故障狀態和維修狀態的監測手段，導致重大設備帶病啟動，最終發生災難性損壞。

圖3 柴油發電機故障統計圖

圖4 應急柴油發電機狀態監測系統總圖

2 應急柴油發電機狀態監測和故障診斷系統功能設計

2.1　狀態監測系統的范圍

核電廠應急柴油發電機狀態監測及故障診斷系統（圖4）包含應急柴油發電機本體及燃油系統、潤滑油系統、壓縮空氣系統和冷卻水系統等輔助系統的在線監測、故障診斷和整機關鍵部件的狀態管理，通過在線狀態監測數據收集和統計運行數據，顯示運行趨勢，通過故障庫快速找到故障原因制定維修策略，通過整機及關鍵部件的數據管理開展預防性維修管理，提升應急柴油發電機的可靠性和優化維修大綱。

2.2　狀態監測系統架構和功能

依據狀態監測與故障診斷系統軟件功能及架構設計（圖5），該系統主要實現狀態監測、故障診斷、健康評估三大主要功能，共由八個子功能模塊構成。

狀態監測功能：

（1）應急柴油發電機組關鍵信號數據采集、存儲、歷時趨勢顯示功能；

（2）應急柴油發電機組狀態監測和故障錄波功能；故障診斷功能：

（3）定期試驗數據及波形、報告自動生成功能；

（4）應急柴油發電機子系統二次分析數據可視化；

（5）應急柴油發電機組典型故障診斷；健康評估功能：

（6）應急柴油發電機組關鍵部件健康評估管理；

（7）應急柴油發電機組維修預測與健康狀態評估系統；

（8）應急柴油發電機組整體狀態評估報告功能。

圖5 狀態監測及故障診斷系統構架及軟件設計流程圖

2.3　應急柴油發電機狀態監測和故障診斷系統主界面設計

應急柴油發電機狀態監測和故障診斷系統采集柴油發電機開關量、模擬量、溫度、壓力、振動信號送至主畫面，主畫面由實時顯示、數據分析、健康診斷、報警信息、專家庫、系統設置、外部接口七部分構成，如圖6所示。

圖6 應急柴油發電機狀態監測和故障診斷系統主界面及報警界面設計圖

3  應急柴油發電機狀態監測和故障診斷系統軟硬件設計

應急柴油發電機狀態監測和故障診斷系統整體設計在傳統的電力系統故障錄波基礎上進行定制軟硬件開發，能夠很大地提高開發效率和縮短研發周期，降低開發成本。應急柴油發電機狀態監測采用傳統錄波器啟動方式、數據記錄方式、啟動條件及算法規則，完全滿足狀態監測要求的各項功能。對于故障診斷和健康評估功能需要定制開發項目，關鍵點和難點主要是長期錄波數據開發、柴油發電機仿真搭建及驗證、健康診斷系統設計三個方面。應急柴油發電機振動監測系統圖如圖7所示。

圖7 應急柴油發電機振動監測系統圖

3.1　傳統電力故障錄波器設計

傳統故障錄波器適用于電力系統的電力參數記錄及監視。它能使用于任何型式的電力系統設備或接線方式，包含發電機、變壓器設備、單元接線、3/2接線、雙母線及其它復雜系統。錄波裝置的電流、電壓輸入為傳統式的電流互感器及電壓互感器或者電流及電壓傳感器。錄波設備采用嵌入式系統、多CPU并行處理的分布式主從結構，可分為模擬量采集模塊、開關量隔離模塊、錄波主機模塊和MMI模塊4部分。傳統故障錄波器架構圖如圖8所示。

圖8 傳統故障錄波器架構圖

3.1.1　錄波啟動方式

傳統故障錄波器錄波啟動方式包括手動啟動、開關量啟動、模擬量啟動、設備啟動四種基本形式。

手動啟動：人工啟動故障錄波裝置，可就地或遠方啟動。

開關量啟動：開關量可任意設定為變位啟動、打開啟動、閉合啟動或不啟動。

模擬量啟動：除高頻信號外，任一路模擬量均可作為啟動量，主要概括如下：電壓各相、零序電壓、直流電壓突變量啟動；電壓各相、正序、負序和零序電壓、直流電壓越限啟動；主變中性點零序電流越限啟動；電流各相、零序電流、直流電流突變量啟動。

設備啟動：設備啟動指數據經過二次處理合成后的數據判別后的啟動方式，主要包括電流各相、負序和零序電流、直流電流越限啟動；10%電流變差啟動；頻率越限、頻率變化率啟動；逆功率啟動；過激磁啟動；三次諧波電壓啟動；負序功率增量方向；發電機失磁啟動等。

3.1.2　故障錄波器數據記錄方式

電力系統常規錄波功能基本相同，由A/B/C/D四段數據構成，如圖9所示。

圖9 傳統故障錄波器記錄方式圖

A時段：系統大擾動開始前的狀態數據，輸出原始波形（采樣率大于4800Hz），記錄時間0.12S到0.5S可調，調節步長0.02秒。默認（4800Hz/0.12S）。

B時段：系統大擾動后初期的狀態數據，輸出原始記錄波形（采樣率大于4800Hz），記錄時間0.1S到0.3S可調，調節步長0.02秒。默認（4800Hz/0.2S）。

C時段：系統大擾動后中期的狀態數據，輸出低采樣率的原始波形（采樣率600Hz），記錄時間3S。

D時段：系統動態過程數據，每0.1S輸出一個工頻有效值，記錄時間20S。如果D時段20S記錄結束后啟動量依然沒有復歸，新開文件按照D時段記錄10min，如果10min記錄滿啟動量依然沒有復歸，追加10min，最多追加20min文件結束。

3.1.3　故障錄波器啟動條件規則

（1）啟動條件：符合任一模擬量啟動或開關量啟動條件，按A→B→C→D時段順序執行。

（2）新啟動：新啟動是指：A．突變量啟動；B．斷路器跳合閘信號啟動。

在已經啟動記錄的B階段過程中，如遇新啟動，則繼續延長B階段（B1），從新啟動點按B→C→D執行（B1→C1→D1）。如圖10所示。

圖10 新啟動方式錄波時序圖

在已經啟動記錄的C階段過程中，如遇新啟動，則按A→B→C→D執行（A1→B1→C1→D1）；已經記錄的C階段數據和A1階段數據重復地用A1階段數據替換，已經記錄的C階段數據時間小于A1階段的全部用A1階段數據替換，A1階段記錄時間自動減少。如圖11所示。

圖11 新啟動方式錄波時序圖

圖12 新啟動方式錄波時序圖

（3）在已經啟動記錄的D階段過程中，如遇新啟動，則結束本文件，新開錄波文件按A→B→C→D執行（A1→B1→C1→D1）。如圖12所示。

連續記錄：如果啟動量一直不復歸同時又不滿足新啟動條件，則后續錄波每個文件按照D→D→D連續記錄，每個D階段10min。

自動終止條件：①同時滿足C階段結束、所有啟動量復歸；②同時滿足第一個D階段記錄滿20S，所有啟動量復歸；③同時滿足第二個文件及后續文件D階段每記錄滿10min，所有啟動量全部復歸。

（4）單個文件限制：①容量限制：10Mb，針對B階段較多；②錄波階段限制：20個錄波階段切換；③當單個文件限制滿足時錄波仍在進行，則重新開新文件按記錄方式錄波。

3.2　應急柴油發電機長期錄波數據開發

3.2.1　長期錄波數據組成

應急柴油發電機狀態監測和故障診斷系統應長期記錄整體機組的所有數據（表2），需要開發者對數據的采樣精度、數量、同步時間、數據記錄方式進行合理設計。

表2 柴油發電機數據采集表

3.2.2　長期錄波功能開發

柴油發電機長期錄波功能硬件應采用同步異頻采集方式，軟件應根據柴油發電機特性開發。以應急柴油發電機調速器為例說明，調速器各項試驗需要同時記錄與調速器相關的各種變送器信號、發電機機端電壓及電流、用于測量計算頻率或轉速的測速齒輪信號或鑒相信號，其中的變送器信號為慢速變化信號，采用800Hz或1600Hz的采集頻率即可；發電機機端電壓電流為較快變化信號且主要關心其有效值的變化，采用3.2kHz或6.4kHz采集頻率較為合適；測速齒輪或鑒相信號為邊沿快速變化的脈沖信號，為精確測量轉速或頻率，最好采用51.2kHz或更高的采集頻率。在定期檢修中，定期試驗數據庫模板應按要求錄制與柴油發電機調速系統相關的所有被試信號曲線并根據試驗曲線自動計算出勵磁系統的各項參數：計算動態過程的初始穩態值、峰值、終了穩態值、超調量、調節時間、上升時間、下降時間、時間常數、振蕩次數、響應時間、響應比、頂值倍數、阻尼系數。

3.3　柴油發電機仿真搭建及驗證

柴油發電機狀態監測和故障錄波系統應在仿真模型建立和驗證的基礎上開展，建立柴油發電機數學模型（氣缸內熱力過程的數學模型、氣缸工作容積的數學模型、燃油燃燒發熱規律的數學模型、進排氣管的數學模型、渦輪增壓器數學模型）、柴油發電機仿真模型（10PA6B型柴油發電機主要技術參數、GT-Power仿真模型、GT與Simulink聯合仿真平臺）、柴油發電機驗證模型（穩態仿真、瞬態仿真模型）。在確認仿真模型和現場柴油發電機實測數據基本一致基礎上開展健康診斷系統開發工作。柴油發電機組聯合仿真模型圖如圖13所示

圖13 柴油發電機組聯合仿真模型圖

3.4　核級柴油發電機健康診斷系統功能開發

核電站健康診斷系統功能開發應在常規電力系統故障錄波基礎上，增加柴油發電機組運行過程（包括健康狀態、故障狀態、維修狀態）三個階段系統開發，其中健康狀態需要開展高運行狀態和低運行狀態獨立開發。核級柴油發電機健康診斷系統，將改變傳統的柴油發電機運行模式，將大幅提高應急柴油發電機的可靠性。

3.4.1　傳統無故障錄波器的運行模式

傳統模式在沒有狀態監測和故障診斷系統的情況下，如圖14所示，通過現場人員發現設備出現故障現象，設備損壞、無法啟動等結果，進行故障排查和維修，最終找出故障根本原因并消除，重新啟動柴油發電機確認恢復健康運行狀態方式。該模式帶來的弊端主要有故障原因排查難、人員技能要求高、設備損壞幾率大、根本原因消除困難，易發生重大設備損壞和故障重發導致柴油發電機不可用時間加長。

圖14 傳統無故障錄波器運行模式圖

圖15 增加健康診斷系統運行模式圖

3.4.2　增加專用故障錄波器后運行模式

如圖15所示，柴油發電機技術人員利用健康診斷系統的感知、分析、決策、預警功能，實現對設備異常針對性處理措施，保證了柴油發電機從低運行狀態重新回歸高運行健康狀態。該方式可以有效降低故障的概率，提高了柴油發電機的可靠性和降低了重大設備災難損害的風險。

4　軟件功能模塊開發中重點關注問題

4.1　軟件開發模塊總體設計目標

軟件設計人員應通過數據采集、分析決策、專家診斷、故障告警手段，針對核電特殊環境和功能要求，開發滿足現場實際要求的狀態監測及故障診斷系統。運維人員使用該系統實時監測、故障錄波、健康診斷分析功能，有效避免柴油發電機重大設備災難性損失、提高應急柴油發電機啟動成功率、降低缺陷數量和經濟成本，最終提高柴油發電機可靠性。基于上述目的，軟件開發模塊功能設計至少應包括熱力參數模塊、往復運動模塊、振動系統模塊、啟動試驗模塊、帶卸載模塊、定期試驗模塊等6個基本模塊，每個模塊應保證設備和參數完整性。

4.2　柴油發電機組熱力監測功能模塊開發

熱力參數監測模塊應覆蓋柴油發電機各個輔助系統，如圖16所示，這些參數一方面作為預警和控制系統的信號輸入，一方面作為運行狀態評估和診斷的依據。

圖16 應急柴油發電機系統整體構架圖

4.3　柴油發電機往復設備檢測模塊開發

目前國外已拋棄傳統柴油發電機振動時頻分析的歧路，如圖17所示，不再局限于把振動分析作為唯一的測試手段，而是把壓力曲線、超聲波、高頻和低頻振動波形通過帶通濾波、包絡處理后，再還原到時域上，放在一個做功周期內進行比較判斷。為此，我們在往復設備模塊開發中應充分參考國外最新技術。

圖17 柴油發電機測量數據圖

4.4　柴油發電機組振動監測系模塊開發

應急柴油發電機振動監測系統主要包括傳感器、數據采集器和數據分析處理服務器。振動傳感器將實時采集的振動數據通過數據采集器直接傳輸到數據分析處理服務器中，如圖18所示。

圖18 應急柴油發電機振動監測系統構成圖

應急柴油發電機狀態監測系統，通過在機組上安裝振動傳感器、瞬時轉速傳感器以及鍵相傳感器等，監測柴油發電機運行狀態下的振動情況、瞬時轉速變化情況，實現對柴油發電機的狀態監測和分析。它針對應急柴油發電機啟機過程和平穩運行過程，基于柴油發電機振動、轉速等信號進行時域分析、角域分析和頻譜分析等，提取發火沖擊特征、啟動沖氣振動特征、氣門開啟與關閉沖擊特征等振動類特征參數，以及啟動過程的單周期和耗時及升速速率、瞬時轉速波動量等速度變化特征。

4.5　應急柴油發電機啟動模塊研發

柴油發電機啟動過程是一個多系統共同參與的過程，如何快速準確定位到啟動超時的原因是一個龐大困難的工作，其分析排查復雜、故障特征難以辨別，尤其是基于現有有限的監測手段和特征，分析排查往往無從下手。因此，研發人員開發專業啟動模塊，應包絡柴油發電機整個啟動過程中三個階段的所有柴油發電機測量數據，如圖19所示。

圖19 柴油發電機啟動變化趨勢圖

第一階段：機組接到啟動信號到曲軸開始轉動所用時間。該階段影響因素主要有電磁閥的響應時間、空氣在管路中的流動時間、高壓空氣克服阻力矩的時間。

第二階段：曲軸轉速從零到發火轉速。該階段用時主要與高壓空氣做功狀態、柴油發電機和發電機的阻力矩大小以及各缸的發火狀態有關。

第三階段：曲軸轉速從發火轉速到額定轉速。該階段主要與各缸的燃燒做功狀態以及動力的平衡性有關。

4.6　應急柴油發電機帶卸載功能模塊開發

柴油發電機帶卸載過程中電儀系統控制邏輯和柴油發電機機械性能會發生各種變化，如圖20所示。該模塊開發過程中在控制邏輯方面應側重于時序邏輯的數據記錄；在機械性能方面的開發應側重于模擬量瞬時變化對工藝影響分析，同時兩個模塊間的數據應能夠在同一時標下進行融合和交互。

圖20 柴油發電機事故帶卸載邏輯及機械性能診斷分析圖

4.7　應急柴油發電機定期試驗模塊的開發

根據核安全法規要求，核電站應急柴油發電機應該每月和每年都要進行定期試驗。定期試驗主要驗證柴油發電機可用性，過度頻繁的柴油發電機啟動試驗沖擊嚴重影響柴油發電機可靠性。為此，應急柴油發電機狀態監測和故障錄波系統應包絡狀態監測模型采集數據（圖21）要求。

圖21 應急柴油發電機狀態監測模型采集數據圖

5　總結

核電廠應急柴油發電機組狀態監測和故障診斷系統開發涉及到機械、電氣、工藝、計算機、通訊等多個學科，關系到數據仿真、軟硬件研發、工程應用等多個領域，是一項復雜的系統工程。同時該系統應用能夠有效避免柴油發電機發生重大設備災難性損壞、柴油發電機啟動失敗、故障處理時間長等問題，對核安全意義重大。為此，中廣核將繼續深耕，爭取國產自主可控、成熟可靠的柴油發電機狀態監測和故障診斷系統早日市場應用，提高核電站應急柴油機的可靠性。

作者簡介：

張天元（1973-），男，遼寧人，副總工程師，工學學士，現就職于遼寧紅沿河核電有限公司，主要從事核電站維修和設備管理工作。

摘自《自動化博覽》2024年8月刊