核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)電子調(diào)速器性能仿真驗(yàn)證

王　玥，馬正茂，蘇　成，趙樂挺

核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)電子調(diào)速器性能仿真驗(yàn)證

王玥，馬正茂，蘇成，趙樂挺

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200030）

核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)電子調(diào)速器在研發(fā)過程中，須對電子調(diào)速器功能進(jìn)行仿真驗(yàn)證，以節(jié)省開發(fā)時(shí)間成本，同時(shí)可降低調(diào)速器樣機(jī)與柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行配機(jī)聯(lián)調(diào)時(shí)出現(xiàn)重大技術(shù)問題的風(fēng)險(xiǎn)。以國內(nèi)核電主流應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)12PC2-6B為目標(biāo)機(jī)型，建立了柴油發(fā)電機(jī)組的仿真模型。柴油發(fā)電機(jī)仿真模型包含氣缸、進(jìn)排氣閥門、進(jìn)排氣管、渦輪增壓器及曲軸等關(guān)鍵的核心部件，可以全面而具體的反映發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)性能。基于調(diào)速器樣機(jī)的實(shí)際控制算法，建立了電子調(diào)速器的仿真模型。在配機(jī)試驗(yàn)之前，將電子調(diào)速器仿真模型與柴油發(fā)電機(jī)組仿真模型進(jìn)行仿真聯(lián)調(diào)，模擬在起動(dòng)、加載、卸載、超速保護(hù)等工況下的柴油發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速響應(yīng)，對電子調(diào)速器控制算法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

柴油發(fā)電機(jī)；電子調(diào)速器；仿真模型；仿真驗(yàn)證

目前，1E級柴油發(fā)電機(jī)組調(diào)速器是核電廠柴油發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)中最后一個(gè)未國產(chǎn)化的核心電氣部件。在電子調(diào)速器在研發(fā)過程中，對電子調(diào)速器進(jìn)行仿真驗(yàn)證是必不可少的一步，柴油發(fā)電機(jī)的仿真模型應(yīng)能準(zhǔn)確反映出柴油發(fā)電機(jī)組在動(dòng)態(tài)加載過程中調(diào)速輸出的執(zhí)行信號與柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的響應(yīng)，這對柴油機(jī)的缸內(nèi)燃燒學(xué)模型、曲軸動(dòng)力學(xué)模型、渦輪增壓器動(dòng)力學(xué)模型[1]提出了嚴(yán)格的要求，目前國內(nèi)對柴油發(fā)電機(jī)組的加載仿真已有了一定的研究[2]，但這些仿真模型要對柴油機(jī)的工作過程做了諸多假設(shè)和簡化，如將柴油發(fā)電機(jī)的仿真模型直接簡化為轉(zhuǎn)速-扭矩關(guān)系的線性數(shù)學(xué)模型，不能滿足調(diào)速器開發(fā)所需的仿真模型精度和實(shí)時(shí)性要求。以國內(nèi)核電廠主流應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組12PC2-6B為目標(biāo)機(jī)型，建立滿足調(diào)速器開發(fā)所需的柴油發(fā)電機(jī)組仿真模型顯得尤為迫切和必要。

為了應(yīng)對核電廠設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故，核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)應(yīng)具備在規(guī)定時(shí)間內(nèi)成功起動(dòng)并帶載反應(yīng)堆安全停堆所需要的負(fù)荷的能力，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)如IEEE 387對應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)的性能指標(biāo)提出了嚴(yán)格的要求[3]。本文所研究的目標(biāo)機(jī)型12PC2-6B柴油發(fā)電機(jī)的主要參數(shù)及性能要求如表1所示：

表1　12PC2-6B柴油發(fā)電機(jī)的主要參數(shù)及性能要求

1　建立柴油發(fā)電機(jī)的仿真模型

采用上海交通大學(xué)最新開發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)仿真分析軟件SPEED進(jìn)行柴油發(fā)電機(jī)工作過程數(shù)值模擬仿真。該軟件與GT-power功能類似[4]，可以用來計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能和瞬態(tài)性能。

采用模塊化的建模方法，依次建立了氣缸、進(jìn)排氣閥、進(jìn)排氣管、渦輪增壓器以及曲軸箱模型，將以上模塊連接起來，輸入相應(yīng)的參數(shù)，建立的仿真模型如圖1所示。

圖1　12PC2-6B柴油發(fā)電機(jī)的仿真模型

由于電子調(diào)速器僅作用于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，與電壓調(diào)節(jié)無關(guān)，故發(fā)電機(jī)的仿真模型中僅需要考慮自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。12PC2-6B柴油發(fā)電機(jī)的柴油機(jī)曲軸與發(fā)電機(jī)之間采用剛性聯(lián)軸器連接，相當(dāng)于同一根軸系，故發(fā)電機(jī)與柴油機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可進(jìn)行合并，在曲軸箱模型中反映。

2　柴油發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型的建立

本課題所開發(fā)的電子調(diào)速器采用增量式PID[5]，增量式PID的輸出只與當(dāng)前和前兩步的誤差有關(guān)，且執(zhí)行機(jī)構(gòu)本身有記憶功能，在微小誤差下仍然可保持原位，有良好的調(diào)速效果。增量式PID的控制算法見公式（1）。

式中()——控制系統(tǒng)輸出值；

0——柴油發(fā)電機(jī)起動(dòng)階段控制系統(tǒng)輸出初始值；

()——轉(zhuǎn)速目標(biāo)值與實(shí)測值之間的控制誤差；

set()——轉(zhuǎn)速目標(biāo)值；

()——轉(zhuǎn)速實(shí)測值；

——計(jì)算的當(dāng)前步數(shù)；

0——轉(zhuǎn)速初始目標(biāo)值；

——加速斜坡常數(shù)；

()——PID閉環(huán)調(diào)節(jié)介入后的時(shí)間；

K——比例增益；

K——積分時(shí)間常數(shù)；

K——微分時(shí)間常數(shù)。

圖2為柴油發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型示意圖，圖3為PID電子調(diào)速器的仿真模型示意圖。

圖2　柴油發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型示意圖

柴油發(fā)電機(jī)起動(dòng)過程分兩個(gè)階段，第一階段為柴油發(fā)電機(jī)收到起動(dòng)信號后，首先進(jìn)行開環(huán)控制，電子調(diào)速器輸出一個(gè)固定初始值，當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到300 r/min后，進(jìn)行閉環(huán)控制，電子調(diào)速器經(jīng)PID整定后輸出信號給執(zhí)行器。其中，在起動(dòng)階段，轉(zhuǎn)速的目標(biāo)值為轉(zhuǎn)速和時(shí)間的斜坡函數(shù)，可以通過調(diào)整加速斜坡常數(shù)來調(diào)整起動(dòng)過程柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速升速的快慢。

圖3　PID電子調(diào)速器的仿真模型示意圖

3　仿真驗(yàn)證

本文柴油發(fā)電機(jī)電子調(diào)速器的性能仿真驗(yàn)證主要分為兩大部分：柴油發(fā)電機(jī)仿真模型的校準(zhǔn)和瞬態(tài)仿真模型的驗(yàn)證。建立仿真模型后，利用柴油發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速，不同負(fù)荷特性下的增壓壓力、油耗、渦前排溫等試驗(yàn)值對仿真模型進(jìn)行校準(zhǔn)，若仿真誤差不滿足要求，則調(diào)整仿真模型中的可調(diào)參數(shù)，進(jìn)行計(jì)算迭代修正，直至所有參數(shù)的誤差值均滿足要求后才可進(jìn)行下一步。穩(wěn)態(tài)模型校準(zhǔn)后，在模型中加入第2節(jié)中所述調(diào)速系統(tǒng)的仿真模塊，建立柴油發(fā)電機(jī)的瞬態(tài)仿真模型，通過仿真模擬實(shí)際工程中柴油發(fā)電機(jī)組的各瞬態(tài)過程試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證電子調(diào)速器控制算法的準(zhǔn)確性，柴油發(fā)電機(jī)電子調(diào)速器性能仿真驗(yàn)證的流程如圖4所示。

圖4　柴油發(fā)電機(jī)電子調(diào)速器性能仿真驗(yàn)證流程圖

3.1　柴油發(fā)電機(jī)仿真模型的校準(zhǔn)

為了校準(zhǔn)柴油發(fā)電機(jī)仿真模型，分別對柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行600 r/min負(fù)荷特性的25%、50%、75%、90%、100%、110%工況進(jìn)行仿真，以柴油發(fā)電機(jī)主要性能參數(shù)的試驗(yàn)值為參考值，通過調(diào)節(jié)仿真模型中缸內(nèi)韋伯燃燒模型中的可調(diào)參數(shù)及各工況下的動(dòng)力摩擦系數(shù)[6]，不斷進(jìn)行仿真計(jì)算迭代修正，最終各仿真計(jì)算值與試驗(yàn)值的誤差在5%以內(nèi)，即可認(rèn)為仿真精度基本滿足要求。柴油發(fā)電機(jī)的增壓壓力、缸內(nèi)爆發(fā)壓力、渦前排溫、渦前壓力、燃油消耗率的仿真計(jì)算值與試驗(yàn)值的對比結(jié)果如圖5～圖9所示。

圖5～圖9所示，經(jīng)過多次迭代，仿真誤差最大點(diǎn)出現(xiàn)在渦前排溫75%的工況點(diǎn)，為2.3%，其他主要性能參數(shù)的計(jì)算值與試驗(yàn)值的誤差均在1%以內(nèi)，滿足仿真精度在5%以內(nèi)誤差的指標(biāo)要求。

圖5　增壓壓力計(jì)算值與試驗(yàn)值對比圖

圖6　缸內(nèi)爆發(fā)壓力計(jì)算值與試驗(yàn)值對比圖

圖7　渦前排溫計(jì)算值與試驗(yàn)值對比圖

圖8　渦前壓力計(jì)算值與試驗(yàn)值對比圖

圖9　油耗計(jì)算值與試驗(yàn)值對比圖

3.2　瞬態(tài)仿真模型的驗(yàn)證

在校準(zhǔn)后的柴油發(fā)電機(jī)仿真模型基礎(chǔ)上，加入PID調(diào)速模塊，建立柴油發(fā)電機(jī)的瞬態(tài)仿真模型。仿真模擬柴油發(fā)電機(jī)組在起動(dòng)、加載、卸載、超速保護(hù)過程中的響應(yīng)，從而驗(yàn)證電子調(diào)速器控制算法的準(zhǔn)確性。

3.2.1柴油發(fā)電機(jī)起動(dòng)過程仿真驗(yàn)證

仿真模擬某核電項(xiàng)目柴油發(fā)電機(jī)的起動(dòng)及帶載可靠性試驗(yàn)，并將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證。

柴油發(fā)電機(jī)起動(dòng)及帶載過程：柴油機(jī)通過壓縮空氣起動(dòng)，當(dāng)柴油機(jī)達(dá)到發(fā)火轉(zhuǎn)速（約80 r/min）后，調(diào)速器介入，將柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速拉升至額定轉(zhuǎn)速。柴油發(fā)電機(jī)起動(dòng)成功并達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，手動(dòng)突加35%的額定負(fù)載。

本文在仿真中將柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速從80 r/min開始計(jì)算，第1 s給定噴油量，轉(zhuǎn)速達(dá)到300 r/min時(shí)PID調(diào)節(jié)開始介入，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定到600 r/min時(shí)突加35%額定負(fù)荷，總計(jì)算時(shí)間設(shè)定為25 s，轉(zhuǎn)速及油門齒條相對位移如圖10所示。

圖10　起動(dòng)和加載過程轉(zhuǎn)速及齒條響應(yīng)仿真結(jié)果

結(jié)果表明，如表2所示柴油發(fā)電機(jī)起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速拉升曲線、油門齒條的響應(yīng)趨勢基本一致，實(shí)際起動(dòng)時(shí)間為15 s，仿真過程的起動(dòng)時(shí)間為14.3 s，有一定誤差，由于仿真過程直接從發(fā)火轉(zhuǎn)速算起，未考慮高壓空氣沖轉(zhuǎn)柴油機(jī)到發(fā)火轉(zhuǎn)速所用的時(shí)間，故實(shí)際誤差基本可忽略不計(jì)，且起動(dòng)時(shí)間的快慢與PID中目標(biāo)轉(zhuǎn)速的斜坡函數(shù)設(shè)定有關(guān)，可通過調(diào)節(jié)斜坡函數(shù)的斜率來控制起動(dòng)過程中的用時(shí)。

起動(dòng)后加載時(shí)柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算值較試驗(yàn)值跌落更小，主要原因是仿真過程中PID調(diào)節(jié)為電子調(diào)節(jié)模塊，未考慮調(diào)速器執(zhí)行器的響應(yīng)延時(shí)。

柴油發(fā)電機(jī)起動(dòng)過程的仿真值及試驗(yàn)值對比結(jié)果表明，主要參數(shù)的誤差均在5%以內(nèi)，此仿真過程基本反映了柴油發(fā)電機(jī)的起動(dòng)及帶載可靠性試驗(yàn)中各參數(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變化。

表2　起動(dòng)過程的試驗(yàn)值和仿真值對比

3.2.2負(fù)載性能試驗(yàn)過程仿真校驗(yàn)

仿真模擬某核電項(xiàng)目柴油發(fā)電機(jī)負(fù)載性能試驗(yàn)，并將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證。

將柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速從600 r/min開始進(jìn)行計(jì)算，為了便于記錄加載過程的轉(zhuǎn)速響應(yīng)變化，在第10 s開始每隔10 s逐步加載25%，50%，75%，90%，100%，110%，最后在第70 s突卸全部負(fù)荷，總的計(jì)算時(shí)間設(shè)定為75 s，負(fù)載變化、轉(zhuǎn)速及油門齒條相對位移如圖11和圖12所示。

圖11　逐步加載過程轉(zhuǎn)速及齒條響應(yīng)仿真結(jié)果

從圖11可以看出，當(dāng)突加負(fù)荷時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速降低，此時(shí)調(diào)速器開始起作用，迅速做出減速判斷增加油泵齒條開度，增加供油使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，突加負(fù)荷后仿真結(jié)果的轉(zhuǎn)速響應(yīng)與試驗(yàn)記錄曲線基本一致。將單步加載25%負(fù)荷時(shí)的計(jì)算值與試驗(yàn)值對比，如表3所示。從結(jié)果可以看出，單步加載過程的仿真結(jié)果與試驗(yàn)值基本一致。

表3　單步加載25%負(fù)荷瞬態(tài)計(jì)算值和試驗(yàn)值對比

注：① 恢復(fù)時(shí)間指恢復(fù)到額定轉(zhuǎn)速的98%，即轉(zhuǎn)速恢復(fù)到588～612范圍內(nèi)。

圖12　突卸110%負(fù)荷轉(zhuǎn)速及齒條響應(yīng)仿真結(jié)果

從圖12可以看出，當(dāng)負(fù)載突然變?yōu)榱銜r(shí)，柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速提高，此時(shí)調(diào)速器開始起作用，迅速做出加速判斷減小油泵齒條開度，減少供油使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。計(jì)算值與試驗(yàn)值對比如表4所示。從結(jié)果可以看出，突卸110%負(fù)荷的仿真結(jié)果與試驗(yàn)值基本一致。

表4　突卸110%負(fù)荷瞬態(tài)計(jì)算參數(shù)試驗(yàn)值和仿真值對比

3.2.3超速保護(hù)過程仿真校驗(yàn)

將柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速從600 r/min開始計(jì)算，先逐步將柴油發(fā)電機(jī)加載至100%負(fù)荷，待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，為了模擬柴油發(fā)電機(jī)的超速過程，將調(diào)速器模型中的目標(biāo)轉(zhuǎn)速調(diào)高至700 r/min，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到超速保護(hù)設(shè)定值112%額定轉(zhuǎn)速即672 r/min時(shí)，通過邏輯判斷模塊將負(fù)載模塊的輸出和PID的輸出值直接切換至0，總的計(jì)算時(shí)間設(shè)定為120 s，轉(zhuǎn)速及油門齒條相對位移如圖13所示。

圖13　超速保護(hù)動(dòng)作時(shí)轉(zhuǎn)速及齒條響應(yīng)仿真結(jié)果

從圖13可以看出，當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到672 r/min，超速保護(hù)開始動(dòng)作，柴油發(fā)電機(jī)出口斷路器分閘，負(fù)荷全部卸掉，油泵齒條開度切換至0，斷油使柴油發(fā)電機(jī)停機(jī)，柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在慣性帶動(dòng)及機(jī)械摩擦損失下轉(zhuǎn)速逐步降至0，用時(shí)約65 s，與實(shí)際情況基本一致。

4　結(jié)論

采用SPEED軟件建立了12PC2-6B柴油發(fā)電機(jī)的仿真模型，根據(jù)調(diào)速器的實(shí)際控制算法建立了調(diào)速器的仿真模型。通過12PC2-6B柴油發(fā)電機(jī)出廠試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對所建立的仿真模型進(jìn)行了校準(zhǔn)，并通過仿真模擬了12PC2-6B柴油發(fā)電機(jī)組出廠試驗(yàn)實(shí)際的瞬態(tài)試驗(yàn)過程，得出了以下結(jié)論：

（1）柴油發(fā)電機(jī)增壓壓力、缸內(nèi)爆壓、油耗等參數(shù)的計(jì)算值和試驗(yàn)值的誤差均在可接受的誤差限5%以內(nèi)，仿真精度滿足要求。

（2）仿真模擬了柴油發(fā)電機(jī)組在起動(dòng)、加載、卸載、超速保護(hù)過程中的響應(yīng)，瞬態(tài)仿真的轉(zhuǎn)速響應(yīng)與試驗(yàn)結(jié)果一致，瞬態(tài)仿真中各主要性能參數(shù)的誤差均在10%以內(nèi)，滿足柴油發(fā)電機(jī)電子調(diào)速器開發(fā)過程對柴油發(fā)電機(jī)瞬態(tài)仿真模型精度的要求，驗(yàn)證了電子調(diào)速器控制算法的準(zhǔn)確性。

［1］ 亓驥才．渦輪增壓柴油機(jī)瞬態(tài)特性影響規(guī)律研究［D］．上海交通大學(xué)，2013.

［2］ 張淑興．應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組仿真研究［D］．大連理工大學(xué)，2009.

［3］ Standard Criteria for Diesel Generator Units Applied as Standby Power Supplies for Nuclear Power Generating Stations：IEEE Std 387-1995［S］．1995.

［4］ 徐榮，梁慧茹，王賀春．應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的建模與瞬態(tài)仿真［J］．內(nèi)燃機(jī)，2014（3）：7-10.

［5］ 溫進(jìn)超，李寶強(qiáng)．基于PID控制方法的電子調(diào)速器在柴油機(jī)上的應(yīng)用［J］．廣東造船，2013（6）．

［6］ 周松．內(nèi)燃機(jī)工作過程仿真技術(shù)［M］．北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

Simulation and Verification for the Electronic Speed Governor of the Emergency Diesel Generator in Nuclear Power Plants

WANG Yue，MA Zhengmao，SU Cheng，ZHAO Leting

（Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute Co.LTD，Shanghai，200030，China）

In the research and development of electronic speed governor for emergency diesel generator，its function must be verified by simulation so as to save development time and avoid major technical problem in the phase of coordination between prototype governor and diesel engine. Based on the domestic mainly used diesel generator 12PC2-6B in nuclear power plant as the target model，the diesel generator simulation model was developed. The diesel engine model includes cylinders，inlet and exhaust valves and pipes，turbocharger，crankshaft and other core components，which can reflect the transient performance of diesel engine comprehensively and accurately. Based on the actual control algorithm of the prototype governor，the simulation model of the electronic governor was developed. Before the engine matching test，the simulation models of electronic governor and diesel engine were combined to simulate the speed response in starting，loading，unloading，overspeed protection progress，so as to verify the control algorithm of electronic governor.

Emergency diesel generator；Electronic governor；Simulation model；Simulation and verification

TK4

A

0258-0918（2021）05-0982-07

2020-12-14

國家重大科技專項(xiàng)（編號：2019ZX06002025）

王 玥（1987—），男，上海市人，工程師，現(xiàn)從事核電廠應(yīng)急/備用電源方面研究