李 震,林羅波,董毓暉,朱興文,邢艷平
(華能山東石島灣核電有限公司,山東 威海 264300)
關(guān)鍵字:核電廠;應(yīng)急柴油發(fā)電機組;調(diào)速器;同期模式;孤島模式
根據(jù)核電廠運行的特殊性和安全性等特點,核電廠內(nèi)配置的柴油發(fā)電機組作為核電廠失去廠外正常電源后,提供可靠安全電力,以確保反應(yīng)堆安全停堆,防止正常地外部電源系統(tǒng)失電導(dǎo)致其他重要設(shè)備損壞。因此,要求柴油發(fā)電機組具有可靠性、穩(wěn)定性、低運維和快速啟動等特點。調(diào)速器作為應(yīng)急柴油發(fā)電機組速度控制系統(tǒng)中的重要設(shè)備,其選型和參數(shù)選取至關(guān)重要,要求其調(diào)速性能穩(wěn)定、靈敏且可靠,所以選型必須要符合工程特點,參數(shù)配置要滿足機組技術(shù)要求。
柴油機調(diào)速器的作用是通過執(zhí)行機構(gòu)改變油量調(diào)節(jié)機構(gòu)位置,進而改變循環(huán)供油量,將柴油機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速范圍,維持柴油機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。調(diào)速器根據(jù)自身控制原理,可分為機械式調(diào)速器、液壓式調(diào)速器和電子式調(diào)速器。機械調(diào)速器直接利用飛重產(chǎn)生的離心力去拉動油量調(diào)節(jié)機構(gòu)以調(diào)節(jié)柴油機的轉(zhuǎn)速,但控制精度較低,目前已很少使用[1];液壓調(diào)速器利用飛重產(chǎn)生的離心力控制一個功率放大元件,再利用其液壓作用所產(chǎn)生的更大動力去拉動油量調(diào)節(jié)機構(gòu)來調(diào)節(jié)柴油機轉(zhuǎn)速;電子式調(diào)速器將轉(zhuǎn)速傳感器采集的轉(zhuǎn)速信號傳送至控制器,控制器通過比較分析實時轉(zhuǎn)速信號和設(shè)定轉(zhuǎn)速,計算并輸出電流或電壓信號至執(zhí)行器,驅(qū)動油量調(diào)節(jié)機構(gòu)來調(diào)節(jié)柴油機轉(zhuǎn)速[2]。由于發(fā)電機組對轉(zhuǎn)速控制要求很高,為滿足工作要求發(fā)電柴油機主要采用液壓式調(diào)遙器和電子調(diào)速器。電子調(diào)速系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)速傳感器,電子調(diào)速器的控制器和執(zhí)行機構(gòu)電子調(diào)速器具有控制精度高、結(jié)構(gòu)簡單的特點,已經(jīng)成為調(diào)速器的主流發(fā)展方向[3]。柴油發(fā)電機調(diào)速控制原理如圖1所示。
圖1 柴油發(fā)電機調(diào)速控制原理
高溫氣冷堆示范工程(以下簡稱示范工程)是兩臺反應(yīng)堆帶一臺汽輪發(fā)電機發(fā)電,應(yīng)急電力系統(tǒng)按照每個反應(yīng)堆兩個緊急停堆和專設(shè)安全設(shè)施負(fù)荷組的劃分而設(shè)置為兩個獨立的安全供電序列。每個序列設(shè)置一段應(yīng)急母線,每段應(yīng)急母線配置一臺應(yīng)急柴油發(fā)電機組。應(yīng)急柴油發(fā)電機采用電子調(diào)速和機械調(diào)速,電子調(diào)速控制器采用S.E.M.T.PIELSTICK 型號E19600 速度控制器。應(yīng)急柴油發(fā)電機組分為應(yīng)急模式和非應(yīng)急模式,應(yīng)急模式機組啟動分為遠(yuǎn)方手動、遠(yuǎn)方自動和就地啟動方式,非應(yīng)急模式機組啟動只有就地試驗位啟動方式,同期并網(wǎng)只能在就地試驗?zāi)J较逻M行。
示范工程應(yīng)急柴油發(fā)電機組參數(shù)額定容量是1 750 kVA,功率因數(shù)0.8,額定功率1 400 kW,輔機配電負(fù)荷中3臺風(fēng)冷冷卻風(fēng)機(每臺功率30 kW),兩臺排熱風(fēng)機(每臺功率11 kW),共112 kW。柴油發(fā)電機除供輔機配電負(fù)荷外,還有1 288 kW,而應(yīng)母線的正常進線的堆變的額定容量是1 250 kVA,額定功率是1 000 kW,即應(yīng)急母線提供的負(fù)荷小于1 288 kW,同時基于對堆變反沖運行方式的安全性考慮,不能讓堆變承擔(dān)過多功率,所以柴油發(fā)電機并網(wǎng)的同時,還需要額外接入臨時負(fù)載箱,進行柴油發(fā)電機并網(wǎng)及帶載試驗驗證。帶臨時負(fù)載箱接線如圖2 所示。這樣就導(dǎo)致示范工程同期帶載方式比較復(fù)雜,這也是對柴油發(fā)電機機組并網(wǎng)后調(diào)速系統(tǒng)性能是否合格的考驗[3]。
圖2 帶臨時負(fù)載箱接線
示范工程柴油發(fā)電機組技術(shù)規(guī)格書對調(diào)速器的性能有做具體的要求。柴油發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)有孤島運行和同期運行兩種工作模式。在應(yīng)急工作模式下,機組需要在20 s 內(nèi)達(dá)到電壓頻率合格要求(f>0.98fn,fn=50 Hz;U>0.95UN,UN=400 V)后帶載,機組以孤島模式單機運行,只帶應(yīng)急母線負(fù)荷,不與電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。
2.2.1 孤島模式
孤島模式時,以柴油機轉(zhuǎn)速為控制目標(biāo),將柴油機轉(zhuǎn)速維持恒定,不隨所帶負(fù)載變化而改變,負(fù)載速度曲線如圖3所示。
圖3 孤島模式負(fù)載速度曲線
2.2.2 同期模式
同期模式時,在非應(yīng)急工作模式下,就地試驗位置,可以實現(xiàn)同期并網(wǎng)功能。此時,柴油機轉(zhuǎn)速與負(fù)載是一條斜率為負(fù)的下垂(Droop)線性曲線,機組轉(zhuǎn)速將隨負(fù)載的“增加/減少”而“降低/升高”,負(fù)載速度曲線如圖4所示。
圖4 同期模式負(fù)載速度曲線
在同期模式,負(fù)載速度曲線是一條斜率為負(fù)的斜線,而電網(wǎng)頻率是一條直線,兩個直線相交的交點就是柴油發(fā)電機同期并網(wǎng)運行的平衡點。
1)同期模式下手動升降速與機組輸出功率變化關(guān)系。
示范工程應(yīng)急柴油發(fā)電機組在同期模式,以初始功率10%同期并網(wǎng),假設(shè)電網(wǎng)頻率為50 Hz,柴油機轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率保持一致(1 000 r/min),如圖5 所示。并網(wǎng)后柴油機工作在平衡點A點,并網(wǎng)后柴油機轉(zhuǎn)速維持在1 000 r/min 不變,斜線表示柴油機在下垂(Droop)模式下的速度設(shè)定曲線,斜線與縱軸的交點即為調(diào)速器的速度設(shè)定點[4]。
圖5 同期模式下手動升降速曲線
如果手動旋轉(zhuǎn)升速旋鈕,柴油機的下垂(Droop)曲線將水平向上移動至“+手動升速”曲線位置,速度設(shè)定線與柴油機實際轉(zhuǎn)速(并網(wǎng)后柴油機轉(zhuǎn)速不變)相交在B點,在橫坐標(biāo)上為柴油機輸出功率將增加到D值。
相反,如果手動選擇降速旋鈕,柴油機的下垂(Droop)曲線將水平向下移動至“-手動降速”曲線位置,速度設(shè)定線與柴油機實際轉(zhuǎn)速(并網(wǎng)后柴油機轉(zhuǎn)速不變)相交在C點,在橫坐標(biāo)上為柴油機輸出功率將減少到E值。
這就是手動調(diào)節(jié)機組轉(zhuǎn)速旋鈕從而改變機組輸出有功增加的原理,手動增減速,實際上是使下垂(Droop)曲線上下水平移動,改變機組并網(wǎng)后的平衡點。
2)同期模式下電網(wǎng)頻率變化與機組輸出功率變化關(guān)系。
示范工程應(yīng)急柴油發(fā)電機組在期模式以初始功率10%并網(wǎng),假設(shè)電網(wǎng)頻率為50 Hz,并網(wǎng)后柴油機工作在平衡點A點,如圖6所示。
圖6 同期模式下電網(wǎng)頻率與負(fù)載曲線
當(dāng)電網(wǎng)頻率上升至50.1 Hz(對應(yīng)1 002 r/min)時,即升至“+電網(wǎng)頻率上升”曲線位置,柴油機在沒有進行手動干預(yù)情況下,下垂(Droop)曲線不變,電網(wǎng)頻率曲線與柴油機下垂(Droop)曲線交點上移至C點,柴油機轉(zhuǎn)速上升至1 002 r/min,輸出功率降至E值。
相反,當(dāng)電網(wǎng)頻率下降至49.9 Hz(對應(yīng)998 r/min)時,即升至“-電網(wǎng)頻率下降”曲線位置,柴油機在沒有進行手動干預(yù)情況下,下垂(Droop)曲線不變,電網(wǎng)頻率曲線與柴油機下垂(Droop)曲線交點上移至B點,柴油機轉(zhuǎn)速下降至998 r/min,輸出功率升至D值。
由此可知,柴油機調(diào)速器在并網(wǎng)工作模式時,沒有手動干預(yù)下,外電網(wǎng)的頻率波動會引起柴油機組的有功功率輸出變化[5]。
示范工程在2 號柴油發(fā)電機組同期并網(wǎng)試驗期間,一次同期并網(wǎng)試驗,同期并網(wǎng)后,有功功率沖擊很高,最高達(dá)300 kW,同時又出現(xiàn)逆功率負(fù)3.01 kW,有功功率波形如圖7所示。
圖7 并網(wǎng)試驗有功功率波形
2.3.1 有功功率沖擊過高
在同期模式下柴油發(fā)電機,在同期并網(wǎng)后向電網(wǎng)發(fā)出有功功率,在同期并網(wǎng)時要求柴油發(fā)電機頻率高于電網(wǎng)頻率,即同期正頻差,設(shè)定初始功率,使機組快速達(dá)到初始功率。示范工程初始功率是10%(140 kW)。
初步分析,造成這種現(xiàn)象有兩種原因,第一種是同步器中頻率同步的設(shè)定值偏大,造成了并網(wǎng)時刻機組頻率超前較多;二是并網(wǎng)后電網(wǎng)頻率下降或者機組收到了升速信號,造成機組有功功率的上升。
檢查同步器設(shè)定值在正常取值范圍,并對并網(wǎng)前錄波顯示,機端頻率與電網(wǎng)頻率差與同步器設(shè)定值能夠匹配,原因一排除。
針對第二種原因,開展檢查,核對并網(wǎng)后的儀控邏輯及電路工作情況,邏輯步有防逆功措施,該邏輯為并網(wǎng)開關(guān)合閘后機組自動升速至10%功率。實際電路實現(xiàn)路徑為采樣儀表、數(shù)據(jù)傳遞、PLC 運算及指令輸出。整個過程存在累計的時間延遲,機組最終停留的功率肯定會高于預(yù)設(shè)值10%。采取優(yōu)化措施為修正機組自動帶載功率的設(shè)定值為3%,并且增加機組的調(diào)節(jié)系數(shù)至6%。
根據(jù)示范工程同期并網(wǎng)特點,將初始功率改為3%,在后續(xù)同期并網(wǎng)試驗數(shù)據(jù)可以看出并網(wǎng)時刻有功功率沖擊114 kW左右,可以接受。
2.3.2 同期并網(wǎng)出現(xiàn)逆功率
柴油發(fā)電機組在同期模式,負(fù)載速度下垂(Droop)曲線,斜率為調(diào)差系數(shù)
式中:?f為機組頻率變化率;?P為機組功率變化率。
出現(xiàn)逆功率的負(fù)載速度曲線如圖8 所示。當(dāng)機組的調(diào)差系數(shù)Kc1,并網(wǎng)時機組頻率低于電網(wǎng)頻率,在并網(wǎng)時電網(wǎng)頻率為電網(wǎng)頻率2,機組在運行在B點,機組會出現(xiàn)逆功率;當(dāng)并網(wǎng)后電網(wǎng)頻率降至頻率1,機組以初始功率10%運行在A點平衡點穩(wěn)定運行。造成逆功率原因是,一是調(diào)差系數(shù)太小,斜率太平緩,受電網(wǎng)頻率升降機組負(fù)載響應(yīng)變化很大,若并網(wǎng)瞬間,電網(wǎng)頻率升高,導(dǎo)致平衡點在功率負(fù)半軸,會出現(xiàn)逆功率;二是機組空載轉(zhuǎn)速設(shè)定值太小,比電網(wǎng)頻率高但高的余量不足,沒有躲過電網(wǎng)頻率變化范圍,導(dǎo)致并網(wǎng)時,可能出現(xiàn)電網(wǎng)頻率高于機組頻率出現(xiàn)逆功率。
圖8 出現(xiàn)逆功率的負(fù)載速度曲線
在示范工程24 h 同期及帶載試驗期間(帶載100%負(fù)荷22 h和帶載110%負(fù)荷2 h)根據(jù)對電網(wǎng)頻率錄波看出,電網(wǎng)頻率變化范圍是49.975~50.051 Hz。機組空載設(shè)定轉(zhuǎn)速為1 022 r/min,根據(jù)試驗得出機組滿功率時轉(zhuǎn)速是999.804 r/min。調(diào)速器手動升降速設(shè)定值為5 r/min。
調(diào)節(jié)系數(shù)公式
式中:Droop為調(diào)節(jié)系數(shù);Nset為機組空載設(shè)定轉(zhuǎn)速;Ne為機組滿載設(shè)定轉(zhuǎn)速。
此時調(diào)節(jié)系數(shù)
在相同的調(diào)節(jié)系數(shù)Droop下,當(dāng)設(shè)定不同的空載轉(zhuǎn)速限制Nset時,其滿載設(shè)定轉(zhuǎn)速Ne將不同。當(dāng)其滿載設(shè)定轉(zhuǎn)速Ne超出電網(wǎng)頻率變化范圍,機組將無法輸出其額定最大有功功率[6]。
根據(jù)電子調(diào)速器E19600 的Droop曲線,可得知某一特定轉(zhuǎn)速N0,對應(yīng)有功功率輸出P0的計算公式為
在電網(wǎng)頻率變化范圍是49.975~50.051 Hz,對應(yīng)機組輸出滿功率變化為1 455.6~1 561 kW,具體計算結(jié)果如表1所示。
表1 Droop(2.22%)曲線數(shù)據(jù)
理論計算輸出滿功率變化為1 455.6~1 561 kW,基本符合帶載110%要求,但是為了減少機組負(fù)載波動和提升人員操作的容錯性,需要增大Droop值,減緩電網(wǎng)頻率波動對機組負(fù)載的影響?,F(xiàn)假設(shè)Droop值為6%,機組空載轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 060 r/min的情況下,機組的輸出功率數(shù)據(jù)如表2所示。
表2 Droop(6%)曲線數(shù)據(jù)
調(diào)整Droop值為6%,機組空載轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 060 r/min情況下完成機組110%功率平臺的試驗,負(fù)載功率變化范圍為1 560.9~1 521.7 kW,負(fù)載波動為39.2 kW。理論計算調(diào)整后,能夠顯著減少有功功率受電網(wǎng)波動的影響,同時提高機組空載設(shè)定轉(zhuǎn)速,也有效避免并網(wǎng)時刻出現(xiàn)逆功率情況,下面是對調(diào)整后數(shù)據(jù)再次試驗驗證[7]。
調(diào)整Droop值為6%,驗證調(diào)整后調(diào)速器對柴油機調(diào)速器對柴油機轉(zhuǎn)速控制效果的好壞,這是直接影響機組運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定和輸出電力的品質(zhì)。對調(diào)速器調(diào)節(jié)效果的評價也有著一套技術(shù)指標(biāo),示范工程應(yīng)急柴油發(fā)電機組技術(shù)規(guī)格書對柴油機電氣技術(shù)指標(biāo)要求如表3所示[8]。
表3 柴油機技術(shù)指標(biāo)要求
在24 h帶載試驗中,以100%負(fù)載功率平臺數(shù)據(jù)計算以上電氣技術(shù)指標(biāo)參數(shù),看是否符合表3 要求,具體數(shù)據(jù)如表4所示。
表4 帶載試驗數(shù)據(jù)表 單位:Hz
2.4.1 穩(wěn)態(tài)頻率(速度)調(diào)整率δst
穩(wěn)態(tài)速度調(diào)整率δwt,是柴油機負(fù)載變化前后,機組穩(wěn)定頻率差值與額定頻率的比[6]。
穩(wěn)態(tài)頻率調(diào)整率δwt≤±3%,符合技術(shù)規(guī)格書要求。
2.4.2 穩(wěn)態(tài)頻率波動率
穩(wěn)態(tài)頻率波動率?,是指柴油機在穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時頻率變化的過程稱為頻率波動率,是最高頻率與平均頻率的差與平均頻率的比。
穩(wěn)態(tài)頻率波動率?≤0.5%,符合技術(shù)規(guī)格書要求。
2.4.3 瞬態(tài)頻率調(diào)整率δst
柴油機在額定工況下穩(wěn)定運轉(zhuǎn),若突然卸去全部負(fù)載,測定頻率變化最大值與額定工況頻差值與額定工況頻率比[9]。突卸負(fù)載時的瞬態(tài)頻率調(diào)整率公式為
若柴油機在額定工況運轉(zhuǎn)時,突加全部負(fù)載,額定工況頻率與測定頻率變化最低值差值與額定工況頻率比。突加負(fù)載時瞬態(tài)頻率調(diào)整率公式為
由上述計算可知,突加突卸全部負(fù)載時瞬態(tài)頻率調(diào)整率≤7%,符合柴油發(fā)電機技術(shù)規(guī)格書要求[10]。
根據(jù)帶載試驗遇到問題和試驗數(shù)據(jù),重新調(diào)整同期模式下調(diào)差系數(shù)和空載頻率設(shè)定值,按照示范工程應(yīng)急柴油發(fā)電機組技術(shù)規(guī)格書要求,分析調(diào)整參數(shù)后調(diào)試器性能指標(biāo)符合要求。針對核電廠運行特點,要求合理配置調(diào)速器參數(shù)等,使其滿足機組啟動時間、突加突卸負(fù)載、轉(zhuǎn)速恢復(fù)時間、孤島和同期模式切換等基本性能,還要保障核電廠失去全部廠外正常電源后,能夠可靠為安全停堆系統(tǒng)及專設(shè)安全措施供電。