柴油机调速系统典型故障案例分析
时间：2023-04-10 13:10:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
张 洁，褚威威，李仕炜
(青岛前进船厂，山东 青岛 266000)
在计划性修理中，柴油发电机组属于必修装备，其修理调试主要涉及到机电2个专业，系统较复杂。修后负荷试验中既要考虑柴油发电机组单机性能，又需要考虑到机组并网运行时的需求；
既要考虑柴油机的调速特性，又要关注发电机的调压特性。本文通过梳理最近数年承修工程中出现的典型案例，结合基本工作原理总结出分析思路和处理措施，对后续工作开展提供参考。
柴油发电机组涉及到机、电、管多专业，其中调速系统属于典型的电液一体化闭环反馈系统。调试前的准备工作非常重要，针对性的准备工作可以快速准确定位故障，提高调试效率。准备工作从图纸、工具、人员配置等方面描述如下。
1)技术资料准备。调试前需提前准备柴油发电机组相关技术资料、主要包括技术说明书、接线图，梳理并实际确认调速信号、调压信号的信号走向图。技术资料准备不充分会导致现场调试压力骤增和调试时间延长,影响生产节点。
2)工装具准备。调试前需要准备对应的专用工具，普通调试万用表、信号模拟器、常用电工工具即可满足要求。当遇到问题需要进一步确认分析时，需要用示波表测量实际信号的波形和幅值。
3)人员配备。调试人员应熟悉系统，有丰富的实践经验。
结合近年来柴油发电机组调试过程中出现的典型案例，其故障分析和处理措施如下。
1)16V396TC53型柴油机启动过程中转速无法正常升至额定转速。该型柴油机配置DYNA系列电子调速器，柴油机启动后升速慢，需要约20 s使转速升至额定值。
(1)检查发现启动用空气压力正常，吹车发火转速正常。
(2)检查发现启动过程中执行器油门位置约为7格，正常启动油门应在10格附近。
(3)手动停机后进一步检查，发现齿条连杆卡滞。
(4)对调速器执行器及齿条连杆进行拆卸、清洁等处理，重新安装后启动，启动供油量达10.5格，空车油门回落到3.5格，此时，柴油机工作正常。
2)16V396SE84型柴油机游车。该型柴油机配置R082型电子调速器，该调速系统具备自检功能，可以通过人机对话装置进行监测和调整。柴油机修后怠速游车，升至额定转速后游车现象仍然没有消失。
(1)检查发现转速传感器安装距离为0.4 mm，转速传感器信号波形幅值和信号电缆绝缘均正常。
(2)调速系统参数设定对比其他机组无异常。
(3)调速系统R082控制箱左右机对调后游车现象没有变化。
(4)检查柴油机油路，发现I号和II号高压泵之间、靠近II号高压泵方向的油量连接杆紧固螺栓未上紧，导致空车磨合时实际供油量波动，柴油供油量不稳引起游车。
(5)对连接杆紧固螺栓按照工艺上紧后试验，柴油机工作正常。
3)16V396SE84型柴油机启动后，转速在500 r/min时无法继续升速。
通过软件调取该型柴油机燃油限值参数，并对照其调速器燃油限值，发现柴油机转速为500 r/min时，4台柴油机的燃油齿条位移均为7.0 mm，不存在电气参数设置过低的情况。在无法判断高压油泵是否存在供油量不足的情况下，将该参数修改为7.5 mm，燃油齿条位移提高0.5 mm。再次启动柴油机，故障现象消失。将参数改回7.0 mm，故障复现。
柴油机维修后机械性能可能发生变化，电气参数也要进行调校，使机电匹配，否则也可能引起故障现象。若非单纯的机械或电气故障，则属于机电参数匹配问题，需要机电综合进行分析考虑。
柴油机启动过程中燃油齿条限制作用导致转速无法超过500 r/min临界点，不能转入下一启动过程。可通过手动推燃油齿条的方法，瞬间加大柴油机供油量，如果转速可正常上升，基本上可判断故障为燃油限值设定过低导致。
经与柴油机厂家沟通，通过人机对话装置将燃油限制曲线放宽0.5格，柴油机启动工作正常。
4)TBD604BL6型柴油机偶发性降速。柴油机配置DYNA系列电子调速器。柴油发电机组使用过程中、空载和带载工况下都存在转速突然下降后迅速回调现象。
根据柴油机转速先降后升的特点，观察转速波动时柴油机供油齿条动作情况，转速波动时，燃油齿条会有突然下落后回调的动作，分析波动时柴油机因供油量突然减少而掉速。
(1)检查转速传感器外观无损；
测量转速传感器感应线圈阻值在正常范围内；
测量信号线绝缘值正常。
(2)用示波表测量机组运行时转速传感器信号为幅值稳定的类正弦波。
(3)检查调速控制回路，发现机体上接线盒内执行器线圈的信号线未拧紧。柴油机运行期间，因为振动偶发，使信号线与接线柱开路造成执行器线圈瞬时失电，执行器失电后，柴油机因为供油量突然减少而转速突降，然后又因为接触恢复，调速器再将柴油机回调至设定转速。检查紧固调速回路接线，柴油机工作正常。
柴油发电机组出现转速波动时，首先观察波动的初始趋势，如果波动总是降速后回调，则应该首先检查电控系统油门控制信号回路的导通性和绝缘性。同时应注意如果燃油系统不畅，严重时会出现空车和轻载时正常、重载时转速波动的现象。
5)MTU8V396TE54型柴油机无故障停机。该型柴油机使用过程中出现无故障停机现象，监控系统无报警，检查机组和控制系统无异常后重新启动，工作正常。
柴油机断油、断气都可导致停机。梳理技术资料发现正常停机时通过断开调速器电子盒电源，使电子调速器执行器失电归零，断开柴油机供油回路，使柴油机因为缺油正常停机。紧急停机流程为执行正常停机动作的同时关闭停车空气挡板，通过同时断油和断气使柴油机快速紧急停机。
(1)检查发现柴油机机体的停车空气挡板未动作、停机时转速下降至发火转速后停机，现象与按下停机按钮后的正常停机时间接近。
(2)梳理多次停机现象，发现故障停机时柴油机存在单机负荷较大的共性，检查运行记录，发现3次停机时负荷分别为单机容量的60%、65%和68%，并有较长时间的稳定运行。
(3)检查柴油机调速回路线路绝缘情况，发现导通性正常。
(4)模拟试验各组件功能无异常，分析调速器执行器中供电回路的航空继电器，如果性能下降，大电流下常闭触点跳开会导致调速器失电，此时停机原理和动作与故障现象相同，监控系统无故障。通过更换新的继电器进行试验，并与厂家联系确认，该型柴油机机旁控制箱内控制电源的继电器设计冗余量不充分，长时间使用后性能下降，造成大电流情况下触点开路。已经有类似故障发生，当前情况下可通过更换备件，同时注意单机负荷连续运行时间，即可确保正常使用。
掌握柴油机正常停机和安保系统报警后紧急停机的原理，明白两者执行过程中的区别可对故障进行准确定位。柴油机无故障停机后应确认空气挡板是否关闭，如果关闭则检查安保及其他紧急停机联锁条件，如果挡板未动作则说明系统未执行紧急停机程序；
监控系统未报警、空气挡板未动作，则可首先按照正常停机流程分析。
6)16V396SE84型柴油机启动失败。柴油机启动时，当曲轴转速超过启动转速时，调速器动作供油，使油气在柴油机缸内压燃，转速上升，采集飞轮端转速信号做反馈，与设定转速比较，使柴油机稳定在设定的转速值。
测量转速信号频率，结合飞轮齿数，可计算出实际柴油机启动转速。系统设定值为80 r/min，实测柴油机启动转速为78 r/min，柴油机未达到有效的启动转速而不投入工作。经与柴油机厂家确认并获得认可后，将系统设定值由原80 r/min修改为75 r/min(小于实测值)，柴油机工作正常。
7)TBD604BL6型柴油机超速停机。该型柴油机修后试验首次启动时，转速未上升到额定转速就停机。
检查发现电磁脉冲转速传感器端部受损。典型的调速系统在接收到柴油机曲轴转速达发火转速时，会控制高压油泵给各缸内供油，增大柴油压力，使其升温自燃，使柴油机转速快速达到设定值。如果转速传感器安装距离过近，启动过程中未达到额定转速则端部可能受损，调速器失去转速信号，退出调速状态，油门控制信号复位，柴油机供油量归零，降速停机。
转速传感器的安装中，检验要求包括：手动盘车，齿顶对中；
拧紧后回转90°～180°，锁定时本体固定不随动；
手动盘车无卡滞；
线路绝缘，传感器内阻正常，外观无破损。同时总结转速传感器安装的要素如下。
(1)齿顶对中，先拧紧转速传感器，再按照螺距逆时针旋转，确保安装距离为0.4～0.8 mm。
(2)手动盘车，确保能够及时发现卡滞并调整安装距离，防止安装距离过近。
(3)电动盘车或者气动吹车，用示波表监测转速信号波形，通常为类正弦波，幅值按照电子调速器不同有不同的要求，DYNA型电子调速器要求幅值电压大于3 V、典型值为18 V。安装距离过远可导致幅值过低。
8) MTU8V396SE54型柴油机更换新的转速传感器后无法正常启动。
柴油机启动需要燃油发火转速正常，气路、油路动作正常。油气条件具备后，吹车转速达到150 r/min，信号测量频率经换算已达发火转速，信号幅值2 V，MTU公司规定的调速器认可的转速信号有效幅值范围为3～60 V，顺时针旋转转速传感器30°，微调转速传感器安装距离，使其顶部与飞轮齿圈距离微微靠近，盘车时幅值达3.2 V，检查系统正常后再次启动柴油机，柴油机可正常启动。
转速传感器安装距离太远，调速器接收不到有效的发火转速信号，无法正常对各缸供油，无法使转速上升。若安装距离过近，易导致传感器端部与飞轮齿顶摩擦、碰撞受损。
9)TBD234V6型柴油机启动超速。该型柴油机先后2次启动后转速持续上升，达到2 000 r/min以上，超速保护装置未动作。
检查发现，因外力原因，2根安保用转速传感器信号线的其中一根接地，而该线路本应接到电子调速器输入端(2号端子)。这导致超速保护控制器内部2号端子与电源输入端(4号端子)负极相通，间接造成电源负极接地。
超速保护控制器与调速器共用电源负极，间接造成调速器内部电源负极接地，导致转速控制模块的场效应管被击穿、损坏，在调速器接通DC24 V电源后，始终有DC18 V电压输送至执行器，导致执行器油门开度最大。执行器正常驱动电压见表1，表1中，驱动电压为脉宽调制信号的有效值。所以，柴油机启动后转速持续上升，又因超速保护用转速传感器插头脱落，导致超速保护控制器未接收到转速信号，故未实现超速停车保护功能。
表1 执行器正常驱动电压
启动前应进行完整性检查和确认，确认油门齿条位置在零位。设备完成效应试验后，应做好防护，防止交叉作业造成损坏。
10)TBD620V12启动超速。该型柴油机配置DC2型电子调速器，可通过软件进行参数监测和调整，柴油机修后系统完整性检查和安保试验合格，启动柴油机后超速停车。
安保试验功能正常，超速时监控系统已正常执行紧急停机程序，分析为柴油机供油量过大导致超速。通过使用DC2型调速器调速软件，发现停机状态下燃油齿条零位反馈由于安装原因和机械零位不一致，电气零位对应机械“0+N”格供油量，导致启动时实际供油量过大，柴油机超速引起安保系统动作紧急停机。
部分调速器对零位的要求有联锁关系限制，R082型调速系统对零位有严格的标准，零位反馈标准值为1 V，误差值超过0.035 V时，调速器会提示调速器故障，禁止使用。DC2型调速器无此功能，因此修理回装后应进行零位标定后方可启动。
11)TBD234V6型柴油机副机启动后无法达到额定转速。该型柴油机配置ESG1000B型电子调速器，调速器故障，更换新调速器后柴油机额定转速低，调整速度旋钮，柴油机转速达不到额定值 。
该型柴油机额定转速为1 500 r/min，其对应信号频率为4.2 kHz、飞轮齿圈168齿。而更换的ESG1000M型调速器适用于飞轮齿数212齿的柴油机，此时，工作转速为1 188 r/min，即使转速有±100 r/min的调整范围，也无法调至1 500 r/min。按照原型号更换调速盒后，柴油机可以达到正常额定转速。
同系列调速器如果飞轮齿圈设定值大于实际值，会出现启动困难，启动后转速低现象。若飞轮齿圈设定值小于实际值，则启动困难，启动后可能会出现超速现象。
12)MTU16V396SE84型柴油机供电后调速器故障，油门齿条显示在最大位置。该型柴油机调速器供电后，调速器控制箱故障灯亮，齿条位移显示在最大值。
调速器位移显示信号来源于执行器，执行器反馈信号在内场进行标校，标校误差按要求控制在±0.1 V内。经查阅原始资料，R082调速系统工作和执行器安装零位反馈有连锁关系，机械零位对应电器零位反馈信号应为1V，若误差超0.035 V，R082系统将执行内部自我保护程序，调速器故障灯亮，同时将油门显示锁定在最大值20格。
重新进行标定，使机械零位对应反馈电压为0.998 V，调速器控制箱故障灯灭，柴油机启动工作正常。
13)某船6 600 V中压柴油发电机组并车后逆功跳闸故障。中压柴油发电机组原动机为16VPA6280MPC型柴油机，配2301D型电子调速器。2301D控制器负责恒频模式下的调速，功率管理系统负责下垂模式下的调速，二者分时复用控制回路中的转速传感器、调速器执行器等。发电机组在恒频和下垂2种模式下，分别与1#、2#、3#中压柴油发电机组并车时均出现逆功现象。分析处理过程如下。
(1)通过调试软件读取2301D控制器程序，分别在怠速和额定转速下在线监测4#柴油机转速信号(空载)，参数显示与外部仪表和监控系统测量数值一致，转速传感器工作正常。
(2)4#柴油机带300 kW负荷，监测控制器内部4#柴油机功率采集数据，并与配电板功率表显示进行对比，结果基本一致(程序298 kW，功率表300 kW)，确认信号传输回路中的电压互感器、电流互感器正常。
(3)并车(下垂模式)监测4#柴油机功率下降时的加速指令，通过开关量(True、False)变化进行控制，共计3次，说明功率管理系统在4#柴油机功率下降时向控制器发出3次加速指令，而且控制器已经执行命令，判断调速器控制器控制功能正常。
(4)4#柴油机空载状态下监测执行器输出电流，怠速模式(400 r/min)下执行器输出电流正常，转为额定模式(1 000 r/min)时电流数持续增加到最大值(200 mA)，此时柴油机转速无变化，判断此工况下执行器控制功能失效。参照1#～3#柴油机组数据，额定转速时驱动电流应为60 mA， 驱动电流120 mA时对应油门位置最大。
(5)将执行器的转速限值放宽，控制器电流值立即从200 mA降到60 mA。经过分析，发现执行器内部零件磨损，导致执行器转速限值出现偏移。返厂检修后功能正常。
1)监控系统的报警信息是故障定位的重要线索。监控系统负责对柴油发电机组的运行情况进行监视、预警、报警并实施报警后的应急处理，监控系统的报警往往是故障定位的关键线索。
2)故障定位需要逆向思维。工作开展过程中，尤其是对故障的排除和分析要有质疑的习惯，要习惯逆向思维，从故障分析到排除故障现象，应对故障原因的唯一性进行分析确认，互为印证，确保故障定位的准确。
3)工作记录是技能提升的重要助力。技术人员分析问题的思路以及解决问题的经验，需要大量的实践和思考来获得。因此，养成工作记录并及时整理的习惯，对提升分析和解决问题的能力有很大帮助。
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