★辽宁红沿河核电有限公司张天元

★北京广利核系统工程有限公司李启明，王志嘉，武哲龙

关键词：核电厂；应急柴油发电机；状态监测；故障诊断；健康评估；可靠性

1　应急柴油发电机状态监测和故障诊断系统开发意义

1.1　核电厂应急柴油发电机状态监测和故障诊断系统现状

核电厂应急柴油发电机作为核电厂1E级设备，为反应堆紧急停堆提供电源，保障核安全。其可靠性指标主要有启动成功率、不可用时间和重大设备灾难性损失。

目前国内核电站95%以上应急柴油发电机组未装设状态监测和故障诊断系统，少数核电厂装设了常规电力录波器，但仅能实现电气故障录波功能，无法实现柴油发电机本体及辅助系统状态监测和故障诊断功能，导致监测系统功能受限。由于国内外缺乏标准参考和经验借鉴，导致国内无一款成熟的柴油发电机状态监测和故障诊断产品可以满足核电站的迫切需求。

1.2　核电站应急柴油发电机组面临的难点、痛点、共性问题

1.2.1　核电站每年都会发生启动不成功事件严重影响核安全

核电站柴油发电机与其他行业柴油发电机不同之处，是要求其在10-15秒内启动成功具备发电能力。为保证其高可用性，核安全安规（HAD102-13、GB/T13177、IEEE-387、RG1.9）要求核级柴油发电机必须定期试验（表1），保证启动成功率大于99%。通过对核电站应急柴油发电机启动成功率统计，各核电站每年都会发生启动不成功问题，给核电站管理和技术人员带来了极大困扰。其根本原因是柴油发电机系统复杂，如图1所示，普遍存在电缆接线复杂、元器件众多、继电器逻辑多、进口元器件设备卡脖子、关键技术黑匣子问题；同时处于热备用状态的柴油发电机控制保护系统没有状态监测和故障录波手段，无法提前发现和识别出潜在缺陷，导致各核电站每年都会发生启动不成功事件。

表1 柴油发电机定期试验表

图1 应急柴油发电机组系统示意图

1.2.2　核电饱受缺陷排查难、故障处理时间长、柴油发电机不可用时间长困扰

核电站应急柴油发电机由柴油机、发电机和辅助系统构成，如图2所示，其中电缆端接高达2250～2500根，电气元器件1350～1500个，核心进口元器件近50个，继电器160～200个，保证所有系统和设备100%可靠面临巨大挑战。没有状态监测和故障诊断系统的情况下，柴油发电机系统出现缺陷和故障，通常需要机械、电气、仪控三方面人员依靠丰富的工作经验，根据当时现场人员提供的现象和数据，通过翻阅数百页图纸，对照逻辑功能图、电气原理图、工艺系统图，进行分析最终确定故障原因，少则需要数小时，多则需要数天，甚至出现故障原因不清等问题，严重影响核电站安全稳定运行。

图2 柴油发电机故障录波参数监测统计表

1.2.3　核电站经常发生柴油发电机、发电机等重大设备灾难性损坏造成重大经济损失

从近年来故障统计数据分析图（图3）可知，核电站应急柴油发电机发生轴瓦磨损/烧瓦、拉/抱缸等故障和启机失败概率非常大，其主要原因为柴油机和发电机等重大设备没有健康状态、故障状态和维修状态的监测手段，导致重大设备带病启动，最终发生灾难性损坏。

图3 柴油发电机故障统计图

图4 应急柴油发电机状态监测系统总图

2 应急柴油发电机状态监测和故障诊断系统功能设计

2.1　状态监测系统的范围

核电厂应急柴油发电机状态监测及故障诊断系统（图4）包含应急柴油发电机本体及燃油系统、润滑油系统、压缩空气系统和冷却水系统等辅助系统的在线监测、故障诊断和整机关键部件的状态管理，通过在线状态监测数据收集和统计运行数据，显示运行趋势，通过故障库快速找到故障原因制定维修策略，通过整机及关键部件的数据管理开展预防性维修管理，提升应急柴油发电机的可靠性和优化维修大纲。

2.2　状态监测系统架构和功能

依据状态监测与故障诊断系统软件功能及架构设计（图5），该系统主要实现状态监测、故障诊断、健康评估三大主要功能，共由八个子功能模块构成。

状态监测功能：

（1）应急柴油发电机组关键信号数据采集、存储、历时趋势显示功能；

（2）应急柴油发电机组状态监测和故障录波功能；故障诊断功能：

（3）定期试验数据及波形、报告自动生成功能；

（4）应急柴油发电机子系统二次分析数据可视化；

（5）应急柴油发电机组典型故障诊断；健康评估功能：

（6）应急柴油发电机组关键部件健康评估管理；

（7）应急柴油发电机组维修预测与健康状态评估系统；

（8）应急柴油发电机组整体状态评估报告功能。

图5 状态监测及故障诊断系统构架及软件设计流程图

2.3　应急柴油发电机状态监测和故障诊断系统主界面设计

应急柴油发电机状态监测和故障诊断系统采集柴油发电机开关量、模拟量、温度、压力、振动信号送至主画面，主画面由实时显示、数据分析、健康诊断、报警信息、专家库、系统设置、外部接口七部分构成，如图6所示。

图6 应急柴油发电机状态监测和故障诊断系统主界面及报警界面设计图

3  应急柴油发电机状态监测和故障诊断系统软硬件设计

应急柴油发电机状态监测和故障诊断系统整体设计在传统的电力系统故障录波基础上进行定制软硬件开发，能够很大地提高开发效率和缩短研发周期，降低开发成本。应急柴油发电机状态监测采用传统录波器启动方式、数据记录方式、启动条件及算法规则，完全满足状态监测要求的各项功能。对于故障诊断和健康评估功能需要定制开发项目，关键点和难点主要是长期录波数据开发、柴油发电机仿真搭建及验证、健康诊断系统设计三个方面。应急柴油发电机振动监测系统图如图7所示。

图7 应急柴油发电机振动监测系统图

3.1　传统电力故障录波器设计

传统故障录波器适用于电力系统的电力参数记录及监视。它能使用于任何型式的电力系统设备或接线方式，包含发电机、变压器设备、单元接线、3/2接线、双母线及其它复杂系统。录波装置的电流、电压输入为传统式的电流互感器及电压互感器或者电流及电压传感器。录波设备采用嵌入式系统、多CPU并行处理的分布式主从结构，可分为模拟量采集模块、开关量隔离模块、录波主机模块和MMI模块4部分。传统故障录波器架构图如图8所示。

图8 传统故障录波器架构图

3.1.1　录波启动方式

传统故障录波器录波启动方式包括手动启动、开关量启动、模拟量启动、设备启动四种基本形式。

手动启动：人工启动故障录波装置，可就地或远方启动。

开关量启动：开关量可任意设定为变位启动、打开启动、闭合启动或不启动。

模拟量启动：除高频信号外，任一路模拟量均可作为启动量，主要概括如下：电压各相、零序电压、直流电压突变量启动；电压各相、正序、负序和零序电压、直流电压越限启动；主变中性点零序电流越限启动；电流各相、零序电流、直流电流突变量启动。

设备启动：设备启动指数据经过二次处理合成后的数据判别后的启动方式，主要包括电流各相、负序和零序电流、直流电流越限启动；10%电流变差启动；频率越限、频率变化率启动；逆功率启动；过激磁启动；三次谐波电压启动；负序功率增量方向；发电机失磁启动等。

3.1.2　故障录波器数据记录方式

电力系统常规录波功能基本相同，由A/B/C/D四段数据构成，如图9所示。

图9 传统故障录波器记录方式图

A时段：系统大扰动开始前的状态数据，输出原始波形（采样率大于4800Hz），记录时间0.12S到0.5S可调，调节步长0.02秒。默认（4800Hz/0.12S）。

B时段：系统大扰动后初期的状态数据，输出原始记录波形（采样率大于4800Hz），记录时间0.1S到0.3S可调，调节步长0.02秒。默认（4800Hz/0.2S）。

C时段：系统大扰动后中期的状态数据，输出低采样率的原始波形（采样率600Hz），记录时间3S。

D时段：系统动态过程数据，每0.1S输出一个工频有效值，记录时间20S。如果D时段20S记录结束后启动量依然没有复归，新开文件按照D时段记录10min，如果10min记录满启动量依然没有复归，追加10min，最多追加20min文件结束。

3.1.3　故障录波器启动条件规则

（1）启动条件：符合任一模拟量启动或开关量启动条件，按A→B→C→D时段顺序执行。

（2）新启动：新启动是指：A．突变量启动；B．断路器跳合闸信号启动。

在已经启动记录的B阶段过程中，如遇新启动，则继续延长B阶段（B1），从新启动点按B→C→D执行（B1→C1→D1）。如图10所示。

图10 新启动方式录波时序图

在已经启动记录的C阶段过程中，如遇新启动，则按A→B→C→D执行（A1→B1→C1→D1）；已经记录的C阶段数据和A1阶段数据重复地用A1阶段数据替换，已经记录的C阶段数据时间小于A1阶段的全部用A1阶段数据替换，A1阶段记录时间自动减少。如图11所示。

图11 新启动方式录波时序图

图12 新启动方式录波时序图

（3）在已经启动记录的D阶段过程中，如遇新启动，则结束本文件，新开录波文件按A→B→C→D执行（A1→B1→C1→D1）。如图12所示。

连续记录：如果启动量一直不复归同时又不满足新启动条件，则后续录波每个文件按照D→D→D连续记录，每个D阶段10min。

自动终止条件：①同时满足C阶段结束、所有启动量复归；②同时满足第一个D阶段记录满20S，所有启动量复归；③同时满足第二个文件及后续文件D阶段每记录满10min，所有启动量全部复归。

（4）单个文件限制：①容量限制：10Mb，针对B阶段较多；②录波阶段限制：20个录波阶段切换；③当单个文件限制满足时录波仍在进行，则重新开新文件按记录方式录波。

3.2　应急柴油发电机长期录波数据开发

3.2.1　长期录波数据组成

应急柴油发电机状态监测和故障诊断系统应长期记录整体机组的所有数据（表2），需要开发者对数据的采样精度、数量、同步时间、数据记录方式进行合理设计。

表2 柴油发电机数据采集表

3.2.2　长期录波功能开发

柴油发电机长期录波功能硬件应采用同步异频采集方式，软件应根据柴油发电机特性开发。以应急柴油发电机调速器为例说明，调速器各项试验需要同时记录与调速器相关的各种变送器信号、发电机机端电压及电流、用于测量计算频率或转速的测速齿轮信号或鉴相信号，其中的变送器信号为慢速变化信号，采用800Hz或1600Hz的采集频率即可；发电机机端电压电流为较快变化信号且主要关心其有效值的变化，采用3.2kHz或6.4kHz采集频率较为合适；测速齿轮或鉴相信号为边沿快速变化的脉冲信号，为精确测量转速或频率，最好采用51.2kHz或更高的采集频率。在定期检修中，定期试验数据库模板应按要求录制与柴油发电机调速系统相关的所有被试信号曲线并根据试验曲线自动计算出励磁系统的各项参数：计算动态过程的初始稳态值、峰值、终了稳态值、超调量、调节时间、上升时间、下降时间、时间常数、振荡次数、响应时间、响应比、顶值倍数、阻尼系数。

3.3　柴油发电机仿真搭建及验证

柴油发电机状态监测和故障录波系统应在仿真模型建立和验证的基础上开展，建立柴油发电机数学模型（气缸内热力过程的数学模型、气缸工作容积的数学模型、燃油燃烧发热规律的数学模型、进排气管的数学模型、涡轮增压器数学模型）、柴油发电机仿真模型（10PA6B型柴油发电机主要技术参数、GT-Power仿真模型、GT与Simulink联合仿真平台）、柴油发电机验证模型（稳态仿真、瞬态仿真模型）。在确认仿真模型和现场柴油发电机实测数据基本一致基础上开展健康诊断系统开发工作。柴油发电机组联合仿真模型图如图13所示

图13 柴油发电机组联合仿真模型图

3.4　核级柴油发电机健康诊断系统功能开发

核电站健康诊断系统功能开发应在常规电力系统故障录波基础上，增加柴油发电机组运行过程（包括健康状态、故障状态、维修状态）三个阶段系统开发，其中健康状态需要开展高运行状态和低运行状态独立开发。核级柴油发电机健康诊断系统，将改变传统的柴油发电机运行模式，将大幅提高应急柴油发电机的可靠性。

3.4.1　传统无故障录波器的运行模式

传统模式在没有状态监测和故障诊断系统的情况下，如图14所示，通过现场人员发现设备出现故障现象，设备损坏、无法启动等结果，进行故障排查和维修，最终找出故障根本原因并消除，重新启动柴油发电机确认恢复健康运行状态方式。该模式带来的弊端主要有故障原因排查难、人员技能要求高、设备损坏几率大、根本原因消除困难，易发生重大设备损坏和故障重发导致柴油发电机不可用时间加长。

图14 传统无故障录波器运行模式图

图15 增加健康诊断系统运行模式图

3.4.2　增加专用故障录波器后运行模式

如图15所示，柴油发电机技术人员利用健康诊断系统的感知、分析、决策、预警功能，实现对设备异常针对性处理措施，保证了柴油发电机从低运行状态重新回归高运行健康状态。该方式可以有效降低故障的概率，提高了柴油发电机的可靠性和降低了重大设备灾难损害的风险。

4　软件功能模块开发中重点关注问题

4.1　软件开发模块总体设计目标

软件设计人员应通过数据采集、分析决策、专家诊断、故障告警手段，针对核电特殊环境和功能要求，开发满足现场实际要求的状态监测及故障诊断系统。运维人员使用该系统实时监测、故障录波、健康诊断分析功能，有效避免柴油发电机重大设备灾难性损失、提高应急柴油发电机启动成功率、降低缺陷数量和经济成本，最终提高柴油发电机可靠性。基于上述目的，软件开发模块功能设计至少应包括热力参数模块、往复运动模块、振动系统模块、启动试验模块、带卸载模块、定期试验模块等6个基本模块，每个模块应保证设备和参数完整性。

4.2　柴油发电机组热力监测功能模块开发

热力参数监测模块应覆盖柴油发电机各个辅助系统，如图16所示，这些参数一方面作为预警和控制系统的信号输入，一方面作为运行状态评估和诊断的依据。

图16 应急柴油发电机系统整体构架图

4.3　柴油发电机往复设备检测模块开发

目前国外已抛弃传统柴油发电机振动时频分析的歧路，如图17所示，不再局限于把振动分析作为唯一的测试手段，而是把压力曲线、超声波、高频和低频振动波形通过带通滤波、包络处理后，再还原到时域上，放在一个做功周期内进行比较判断。为此，我们在往复设备模块开发中应充分参考国外最新技术。

图17 柴油发电机测量数据图

4.4　柴油发电机组振动监测系模块开发

应急柴油发电机振动监测系统主要包括传感器、数据采集器和数据分析处理服务器。振动传感器将实时采集的振动数据通过数据采集器直接传输到数据分析处理服务器中，如图18所示。

图18 应急柴油发电机振动监测系统构成图

应急柴油发电机状态监测系统，通过在机组上安装振动传感器、瞬时转速传感器以及键相传感器等，监测柴油发电机运行状态下的振动情况、瞬时转速变化情况，实现对柴油发电机的状态监测和分析。它针对应急柴油发电机启机过程和平稳运行过程，基于柴油发电机振动、转速等信号进行时域分析、角域分析和频谱分析等，提取发火冲击特征、启动冲气振动特征、气门开启与关闭冲击特征等振动类特征参数，以及启动过程的单周期和耗时及升速速率、瞬时转速波动量等速度变化特征。

4.5　应急柴油发电机启动模块研发

柴油发电机启动过程是一个多系统共同参与的过程，如何快速准确定位到启动超时的原因是一个庞大困难的工作，其分析排查复杂、故障特征难以辨别，尤其是基于现有有限的监测手段和特征，分析排查往往无从下手。因此，研发人员开发专业启动模块，应包络柴油发电机整个启动过程中三个阶段的所有柴油发电机测量数据，如图19所示。

图19 柴油发电机启动变化趋势图

第一阶段：机组接到启动信号到曲轴开始转动所用时间。该阶段影响因素主要有电磁阀的响应时间、空气在管路中的流动时间、高压空气克服阻力矩的时间。

第二阶段：曲轴转速从零到发火转速。该阶段用时主要与高压空气做功状态、柴油发电机和发电机的阻力矩大小以及各缸的发火状态有关。

第三阶段：曲轴转速从发火转速到额定转速。该阶段主要与各缸的燃烧做功状态以及动力的平衡性有关。

4.6　应急柴油发电机带卸载功能模块开发

柴油发电机带卸载过程中电仪系统控制逻辑和柴油发电机机械性能会发生各种变化，如图20所示。该模块开发过程中在控制逻辑方面应侧重于时序逻辑的数据记录；在机械性能方面的开发应侧重于模拟量瞬时变化对工艺影响分析，同时两个模块间的数据应能够在同一时标下进行融合和交互。

图20 柴油发电机事故带卸载逻辑及机械性能诊断分析图

4.7　应急柴油发电机定期试验模块的开发

根据核安全法规要求，核电站应急柴油发电机应该每月和每年都要进行定期试验。定期试验主要验证柴油发电机可用性，过度频繁的柴油发电机启动试验冲击严重影响柴油发电机可靠性。为此，应急柴油发电机状态监测和故障录波系统应包络状态监测模型采集数据（图21）要求。

图21 应急柴油发电机状态监测模型采集数据图

5　总结

核电厂应急柴油发电机组状态监测和故障诊断系统开发涉及到机械、电气、工艺、计算机、通讯等多个学科，关系到数据仿真、软硬件研发、工程应用等多个领域，是一项复杂的系统工程。同时该系统应用能够有效避免柴油发电机发生重大设备灾难性损坏、柴油发电机启动失败、故障处理时间长等问题，对核安全意义重大。为此，中广核将继续深耕，争取国产自主可控、成熟可靠的柴油发电机状态监测和故障诊断系统早日市场应用，提高核电站应急柴油机的可靠性。

作者简介：

张天元（1973-），男，辽宁人，副总工程师，工学学士，现就职于辽宁红沿河核电有限公司，主要从事核电站维修和设备管理工作。

摘自《自动化博览》2024年8月刊