核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)特性研究與應(yīng)用實(shí)踐

史佳俊

摘 要應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組是核電廠內(nèi)的應(yīng)急電源，調(diào)速器作為轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng)的核心部分，對柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速、功率等參數(shù)進(jìn)行控制，是確保整個柴油機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備。本文以秦山第二核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)為研究對象，對調(diào)速系統(tǒng)的控制機(jī)理和工作模式進(jìn)行了說明，以特性分析為主，結(jié)合典型故障案例分析，相關(guān)方法可為核電柴油發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)調(diào)試和故障排查提供指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】應(yīng)急柴油機(jī) 調(diào)速器 速降 模式

1 引言

秦山第二核電廠應(yīng)急柴油機(jī)采用法國S.E.M.T PIELSTICK公司生產(chǎn)的16PC2-5V400型多用途大功率柴油機(jī)。為了確保核電應(yīng)急母線的可靠性，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組必須在10秒內(nèi)起動并建立起額定電壓和頻率，并按照帶載程序帶載。為滿足以上需求，應(yīng)急柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)選用精度等級較高的電子液壓式調(diào)速器，它由電子控制箱和電液執(zhí)行器兩部分組成，簡稱電調(diào)和機(jī)調(diào)。

2 概述

調(diào)速器的作用是在柴油機(jī)各種工況運(yùn)轉(zhuǎn)中，當(dāng)外界負(fù)荷發(fā)生變化時能夠自動調(diào)節(jié)噴油泵的供油量，以保證柴油機(jī)在規(guī)定的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，為保證柴油發(fā)電機(jī)輸出電壓穩(wěn)定，要求其在規(guī)定轉(zhuǎn)速下恒定運(yùn)轉(zhuǎn)。

正常情況下，秦山第二核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)被電磁傳感器感知的交流信號在電子調(diào)速器內(nèi)被轉(zhuǎn)換成與原動機(jī)轉(zhuǎn)速成正比的直流電壓信號。轉(zhuǎn)速設(shè)定電壓和實(shí)際的轉(zhuǎn)速電壓在和點(diǎn)處代數(shù)相加，轉(zhuǎn)速設(shè)定電壓為正電壓，實(shí)際轉(zhuǎn)速電壓為負(fù)電壓。當(dāng)兩者在和點(diǎn)處相加且數(shù)值相等而極性相反時，結(jié)果為零，和點(diǎn)平衡，柴油機(jī)在一個不變而穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。

3 調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行模式

應(yīng)急柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)有三種運(yùn)行模式：同步模式、液壓模式和速降模式。

3.1 同步模式 -Isochronous mode

秦山第二核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行在Isochronous模式下的工況包括每兩月一次的低負(fù)荷帶載性能試驗(yàn)。該模式下應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)只能供應(yīng)急母線段負(fù)荷。

該模式下應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)保持恒頻恒速運(yùn)行，與負(fù)荷大小無關(guān)。此時柴油機(jī)與外電網(wǎng)不存在任何聯(lián)系，僅僅向應(yīng)急段母線供電，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速是穩(wěn)定的。當(dāng)進(jìn)行手動加減負(fù)荷和程序工步卸載帶載時，負(fù)荷的變化將造成柴油機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速的波動，但由于該模式下柴油機(jī)的速度設(shè)定點(diǎn)是唯一不變的，柴油機(jī)通過調(diào)節(jié)進(jìn)油量，補(bǔ)償由于負(fù)荷變化帶來的速度偏差，最終使柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速恢復(fù)到額定設(shè)定值。Isochronous 模式下柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行曲線是一條水平直線。

3.2 液壓模式- Hydraulic mode

在該模式下運(yùn)行的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)，一旦電調(diào)工作電源失去或“看門狗”自檢未通過，柴油機(jī)速度將失去正常的速度控制，此時瞬間會自動切換至液壓模式運(yùn)行，由EGB—50P機(jī)械液壓調(diào)速器控制調(diào)節(jié)柴油機(jī)速度。該模式是柴油機(jī)速度控制的后備保證，同時可實(shí)現(xiàn)空載怠速起動，以降低對機(jī)械零部件的磨損。

3.3 速降模式-Droop

速降，也稱調(diào)速率，是控制系統(tǒng)傳遞環(huán)節(jié)中的一個重要參數(shù)，其大小直接影響到系統(tǒng)的反應(yīng)速度和穩(wěn)定性。沒有速降的系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，對于速降的設(shè)定要合適，不能太高或太低，一般在3%～5%。需要說明的是，電調(diào)和機(jī)調(diào)均可以對速降進(jìn)行設(shè)定，機(jī)調(diào)速降的實(shí)現(xiàn)是通過內(nèi)部負(fù)荷活塞桿與速敏機(jī)構(gòu)之間的速降連接桿實(shí)現(xiàn)的，速降值通過機(jī)調(diào)端部面板上的“speed droop”旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4 案例分析

4.1 速降模式下，并網(wǎng)瞬間功率下降

4.1.1 事件背景

109大修1LHP電子調(diào)速器實(shí)施技改更換成E19600裝置后，對其進(jìn)行功能試驗(yàn)驗(yàn)證期間，操作人員通過主控同期小車將1LHP機(jī)組并入外網(wǎng)瞬間，有功功率未能保持穩(wěn)定，同時迅速下降至逆功率保護(hù)動作，導(dǎo)致柴油機(jī)同外網(wǎng)解列。

4.1.2 事件分析

并網(wǎng)瞬間的初始功率未能保持穩(wěn)定，原因在于柴油機(jī)出力不足。其原動力來自機(jī)械調(diào)速器的驅(qū)動作用，其執(zhí)行部分通過聯(lián)接桿控制高壓油泵。

E19600電子調(diào)速器根據(jù)出口斷路器的輔助節(jié)點(diǎn)開入裝置電信號，從而進(jìn)入速降模式。并網(wǎng)前，操作人員通過主控同期小車進(jìn)行發(fā)電側(cè)和系統(tǒng)側(cè)的壓差、頻差和相位差的調(diào)節(jié)操作，以滿足同期并網(wǎng)條件。并網(wǎng)瞬間，燃油尺條位置在低負(fù)荷下非常小，若頻率略微增大至50.02HZ，此時外界不提供原動機(jī)增量干預(yù)，燃油尺條位置將減小到最小限制值，有功功率將會迅速下降至逆功率保護(hù)動作區(qū)域，最終導(dǎo)致逆功率保護(hù)動作使機(jī)組與電網(wǎng)解列。

考慮到外網(wǎng)頻率波動的可能性，操作人員在并網(wǎng)瞬間應(yīng)立即給予增加速度脈沖信號使有功功率穩(wěn)定。

4.2 并網(wǎng)后有功無法提升

4.2.1 事件背景

秦山二廠1LHP柴油發(fā)電機(jī)組在某次并網(wǎng)試驗(yàn)過程中，其有功功率升至50%PN左右無法再增加，并網(wǎng)試驗(yàn)不成功。

4.2.2 事件分析

升降有功功率的實(shí)質(zhì)是利用速降原理，通過逐漸開入電調(diào)裝置速度設(shè)定值脈沖信號來實(shí)現(xiàn)。

在電調(diào)輸出回路中串接電流表，同時給出增加脈沖，發(fā)現(xiàn)電流信號并未發(fā)生變化，而現(xiàn)場查看EGB機(jī)調(diào)速降值在3.7%左右。通過分析可知：柴油機(jī)在并網(wǎng)模式Droop情況下，機(jī)調(diào)作為最終的執(zhí)行輸出機(jī)構(gòu)，接收電調(diào)輸出的電流信號，機(jī)調(diào)3.7%的速降值會在電調(diào)速降未達(dá)到滿負(fù)荷的情況下，提前達(dá)到機(jī)調(diào)限值，從而造成功率無法再調(diào)節(jié)增加。

在速降模式下，由于EGB速降定值設(shè)置的不合理，導(dǎo)致有功功率增至50%PN時即達(dá)到了機(jī)調(diào)執(zhí)行器的最大限制，此時功率無法再上升。要解決這一問題，可以通過減小機(jī)調(diào)速降斜率Droop，或者增大機(jī)調(diào)速度整定值Speed setting來實(shí)現(xiàn)。前者最好設(shè)置為0，而后者將導(dǎo)致在運(yùn)行過程中由于電調(diào)失效而切換至液壓模式時，速度和頻率過高。綜上，將機(jī)調(diào)速降值由3.7%調(diào)整至0為最佳選擇。

5 結(jié)束語

核電應(yīng)急柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)工作模式多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。涉及調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和故障排查，國內(nèi)專業(yè)人士均十分謹(jǐn)慎，復(fù)雜技術(shù)問題仍需向國外技術(shù)專家尋求支持，關(guān)鍵技術(shù)為國外少數(shù)專業(yè)公司所壟斷。本文以柴油發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)特性分析為主線，結(jié)合典型故障案例分析，提出了解決問題的方法，為后續(xù)調(diào)速系統(tǒng)檢修和調(diào)試工作積累了經(jīng)驗(yàn)。

作者單位

中核核電運(yùn)行管理有限公司 浙江省海鹽縣 314300