核电厂应急柴油机喷油器积碳问题浅析

刘立佳 张晓菲

中国核电工程有限公司 北京 100840

摘要：本文主要对某核电厂M310机组中LHP/LHQ001GE应急柴油发电机喷油器积碳原因进行分析。首先对LHP/LHQ001GE四台柴油机的主油箱柴油进行取样分析，分析发现硫含量、十六烷值不符合国家车用VI柴油标准，柴油密度接近标准上限、硫含量偏高、十六烷值偏小。而后，从这三个参数对柴油组分、柴油与润滑油匹配度、起火性能方面进行分析，并结合现场实际积碳情况确认柴油密度、硫含量、十六烷值是影响柴油机喷油器积碳的关键因素。本文的研究将对减少柴油机喷油器积碳提供一定的指导意义，从而提高应急柴油发电机组的可靠性。

关键词：应急柴油发电机；积碳；柴油密度；硫含量；十六烷值

1、背景

某核电厂1号机组大修期间，在检修1LHP、1LHQ系统中应急柴油发电机组时，发现喷油器积碳严重（如图1所示），该核电厂又对2号机组LHP、LHQ系统中应急柴油发电机组进行拆解发现同样发现喷油器积碳严重。积碳不仅阻碍燃烧室和活塞的散热，还会缩小燃烧室容积，使柴油动力性能下降，油耗增加[1,2,3]。该核电机组应急交流柴油发电机使用的柴油是由中石化森美（福建）石油有限公司提供的0号车用IV柴油。出于环保需要，我国自2013年6月8日出台GB19147-013《车用柴油V》替代《车用柴油IV》相关规定，柴油中硫含量有降低的趋势。

本文主要从柴油密度、高硫柴油向低硫转换[4]与润滑油的匹配性、十六烷值三方面对柴油机喷油器积碳原因进行分析。本文的研究将有助于减少柴油机喷油器积碳，保证应急柴油发电机组可靠性。

2、现场油样监测结果及分析

表1 1/2LHP/LHQ104BA油样监测结果

检测项目	1LHP 104BA	1LHQ 104BA	2LHP 104BA	2LHQ 104BA	GB 252-2015 普通柴油	GB 19147-013 车用柴油
						Ⅲ	Ⅳ	V
运 动 黏 度 20 ℃ ， mm²/s	4.388	4.464	3.994	4.198	3.0~8.0	3.0~8.0	3.0~8.0	3.0~8.0
密度 20℃，kg/m3	842.3	841.8	846.7	848.4	报告	810~850	810~850	810~850
水分，%（V/V）	<0.03	<0.03	<0.03	<0.03	≤0.03	≤0.03	≤0.03	≤0.03
闭口闪点，℃	66	66	66	64	≥55	≥55	≥55	≥55
凝点，℃	-18	-16	-18	-18	≤0	≤0	≤0	≤0
铜片腐蚀 50℃,3h	1a	1a	1a	1a	不大于 1	不大于 1	不大于 1	不大于 1
总不溶物， mg/100mL	1	1	0.8	0.8	≤2.5	≤2.5	≤2.5	≤2.5
硫含量，mg/kg	1110	877	152	151	≤350	≤350	≤50	≤10
灰分，%（m/m）	0.001	0.001	0.001	0.001	≤0.01	≤0.01	≤0.01	≤0.01
10%蒸余物残炭，%（m/m）	0.00	0.00	0.00	0.00	≤0.3	≤0.3	≤0.3	≤0.3
馏程 50% 回 收温度，℃	270	272	265.5	265.5	≤300	≤300	≤300	≤300
90%回收温度，℃	335	332	327	324	≤355	≤355	≤355	≤355
95%回收温度，℃	352	348	341.5	338	≤365	≤365	≤365	≤365
十六烷值	46.2	47.5	44.3	43.0	≥45	≥49	≥49	≥51

从表1可以看出按照 GB19147-2013《车用柴油Ⅳ》的质量要求，该油样不合格的指标主要表现在十六烷值偏小、硫含量偏高，密度接近标准要求的上限。

2.1 密度

密度对柴油机的影响主要表现在燃烧性能上。柴油的密度越大，说明油中重质组分越多，柴油不容易充分燃烧，容易在汽缸内和喷嘴上产生积炭，造成汽缸的磨损和堵塞油路，使耗油量增大。

该核电厂2号机组2LHP001GE/2LHQ001GE两台柴油机，使用的柴油密度分别为846.4和848.4接近GB19147-2013《车用柴油Ⅳ》的标准要求上限（810~850 kg/m3）。图2所示为监测中心数据库0号柴油的密度分布图，横坐标为监测样本数，纵坐标为柴油密度。从数据上分析，这两个柴油的密度处于边缘区，表明油中的重质组分高于大多数0号柴油，因此喷油器容易发生积碳现象。

1LHP104BA

1LHQ104BA

2LHP104BA

2LHQ104BA

图2 0号柴油密度分布图

2.2 硫含量

柴油中的硫含量分为活性硫和非活性硫。活性硫会对储运设备和柴油机的供油系统造成腐蚀，而非活性硫燃烧后会形成二氧化硫或三氧化硫，遇水后就形成亚硫酸或硫酸腐蚀柴油机部件，因此硫含量越低越好。从表1可以看出1/2LHP/LHQ001GE使用的柴油的硫含量均不满足GB19147-2013《车用柴油Ⅳ》质量指标。从图3样本数据库与硫含量关系曲线也可看出1/2 LHP/LHQ001GE所用柴油较正常0号车用柴油（IV）硫含量较高。

目前，国内在役核电机组应急柴油发电机均使用的与高硫含量相匹配的润滑油，含有较多的碱性添加剂以中和燃料燃烧生成的酸性物质。如硫含量降低，低硫燃油与高碱值气缸润滑油配合使用，气缸中多余的碱性物质如钙灰会沉积在活塞顶部，这些沉积物非常硬，当柴油机负荷发生变化时，它们会破坏缸套润滑油油膜，加剧缸套和活塞环磨损，长期运行，容易造成积碳。

1LHP001GE、1LHQ001GE使用柴油硫含量分别为1110、877，相比2LHP001GE、2LHQ001GE的152和151高5-7倍，检查发现1LHP001GE、LHQ001GE积碳相对较轻。

通过上述分析可以得出，高硫柴油向低硫柴油切换，虽然可以减少亚硫酸或硫酸等腐蚀柴油机部件物质，但是却带来了低硫燃油与高碱值润滑油不匹配问题，进而导致了柴油机积碳严重。

1LHP104BA

1LHQ104BA

2LHQ104BA

2LHP104BA

图3 0号车用柴油（IV）硫含量分布图

2.3 十六烷值

十六烷值指与柴油自然性相当的标准燃料中所含正十六烷的体积百分数，是评价柴油的发火性能的一个指标。

十六烷值高的柴油容易起动，燃烧均匀，输出功率大。十六烷值越低，滞燃期越长，可燃混合气体含量越多，一旦着火就会猛烈燃烧，导致最大压力升高率和最高燃烧压力急剧增加，相应的会使柴油机工作更加粗暴。十六烷值低于 45 时，不利于发动机着火。

十六烷值也并非越高越好，当十六烷值高于 65 时，着火后仍然有相当多的柴油继续喷入燃烧室，气相与液相的柴油并存，由于滞燃期短，燃料未及与空气均匀混合即着火自燃，以致燃烧不完全，部分烃类热分解而产生游离碳粒，造成烟度增加，随废气排出，造成发动机冒黑烟及油耗增大，功率下降。因此，柴油的十六烷值不易过高，也不能过低，在45~65较为合适。

通常而言，高转速柴油机要求柴油具有较高的十六烷值，可根据柴油机的转速来选用合适的十六烷值，见表2所示。

表 2 柴油十六烷值选用参考

转速，r/min	选用的十六烷指数
＞1500	50～60
800～1500	45～55
400～800	35～50
200～400	30～40
100～200	15～40

1号机组1LHP/LHQ001GE应急柴油发电机额定转速为1500 r/min，从油样监测结果看，2LHP/LHQ001GE应急柴油发电机所用柴油十六烷值较低（分别为44.3/43.0），因此会影响到柴油机的起火性能，造成喷油器积碳。

3、 结论及建议

结论：该核电厂1/2号机组LHP/LHQ应急柴油发电机喷油器积碳的原因主要有柴油密度偏高、高硫向低硫转换、十六烷值偏低等。

建议：针对柴油密度偏高、十六烷值偏低，柴油可能存在氧化，建议定期更换柴油（一般不超过2年）；高硫向低硫转换，需定期对润滑油进行取样分析，以确定是否进行润油换型。

参考文献

[1] 陆军，姚毅.柴油发动机积碳的形成与预防[J].装备制造技术，2008,6:133-135.

[2] 金军平，黄邦戈.柴油机积碳的预防与清除[J].汽车维修，2008，10:39-40.

[3] 赵广苗.柴油机积碳形成原因分析与预防措施[J].企业技术开发，2014,33:73-75.

[4] 张建城，鄢进波.低硫燃油引发的主机停车故障[J].航海技术，2015,5：42-44.