核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組調(diào)速器參數(shù)整定分析

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(jī)組；調(diào)速器；同期模式；孤島模式

0 引言

根據(jù)核電廠運(yùn)行的特殊性和安全性等特點(diǎn)，核電廠內(nèi)配置的柴油發(fā)電機(jī)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(jī)組具有可靠性、穩(wěn)定性、低運(yùn)維和快速啟動等特點(diǎn)。調(diào)速器作為應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)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(diǎn)，參數(shù)配置要滿足機(jī)組技術(shù)要求。

1 柴油發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)

柴油機(jī)調(diào)速器的作用是通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)改變油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)位置，進(jìn)而改變循環(huán)供油量，將柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速范圍，維持柴油機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。調(diào)速器根據(jù)自身控制原理，可分為機(jī)械式調(diào)速器、液壓式調(diào)速器和電子式調(diào)速器。機(jī)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(jī)構(gòu)以調(diào)節(jié)柴油機(jī)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(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)柴油機(jī)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(shí)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(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速［2］。由于發(fā)電機(jī)組對轉(zhuǎn)速控制要求很高，為滿足工作要求發(fā)電柴油機(jī)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(jī)構(gòu)電子調(diào)速器具有控制精度高、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，已經(jīng)成為調(diào)速器的主流發(fā)展方向［3］。柴油發(fā)電機(jī)調(diào)速控制原理如圖1所示。

圖1 柴油發(fā)電機(jī)調(diào)速控制原理

2 示范工程應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)

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(jī)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(dú)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(jī)組。應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)采用電子調(diào)速和機(jī)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(jī)組分為應(yīng)急模式和非應(yīng)急模式，應(yīng)急模式機(jī)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(jī)組啟動只有就地試驗(yàn)位啟動方式，同期并網(wǎng)只能在就地試驗(yàn)?zāi)Ｊ较逻M(jìn)行。

2.1 技術(shù)參數(shù)及同期帶載方式

示范工程應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)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(jī)配電負(fù)荷中3臺風(fēng)冷冷卻風(fēng)機(jī)（每臺功率30 kW），兩臺排熱風(fēng)機(jī)（每臺功率11 kW），共112 kW。柴油發(fā)電機(jī)除供輔機(jī)配電負(fù)荷外，還有1 288 kW，而應(yīng)母線的正常進(jìn)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(yùn)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(jī)并網(wǎng)的同時，還需要額外接入臨時負(fù)載箱，進(jìn)行柴油發(fā)電機(jī)并網(wǎng)及帶載試驗(yàn)驗(yàn)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(jī)機(jī)組并網(wǎng)后調(diào)速系統(tǒng)性能是否合格的考驗(yàn)［3］。

圖2 帶臨時負(fù)載箱接線

2.2 發(fā)電機(jī)組調(diào)速方式

示范工程柴油發(fā)電機(jī)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(jī)組調(diào)速系統(tǒng)有孤島運(yùn)行和同期運(yùn)行兩種工作模式。在應(yīng)急工作模式下，機(jī)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(jī)組以孤島模式單機(jī)運(yùn)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(jī)轉(zhuǎn)速為控制目標(biāo)，將柴油機(jī)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(yàn)位置，可以實(shí)現(xiàn)同期并網(wǎng)功能。此時，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載是一條斜率為負(fù)的下垂（Droop）線性曲線，機(jī)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(diǎn)就是柴油發(fā)電機(jī)同期并網(wǎng)運(yùn)行的平衡點(diǎn)。

1）同期模式下手動升降速與機(jī)組輸出功率變化關(guān)系。

示范工程應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)工作在平衡點(diǎn)A點(diǎn)，并網(wǎng)后柴油機(jī)轉(zhuǎn)速維持在1 000 r/min 不變，斜線表示柴油機(jī)在下垂（Droop）模式下的速度設(shè)定曲線，斜線與縱軸的交點(diǎn)即為調(diào)速器的速度設(shè)定點(diǎn)［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(jī)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(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速（并網(wǎng)后柴油機(jī)轉(zhuǎn)速不變）相交在B點(diǎn)，在橫坐標(biāo)上為柴油機(jī)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(jī)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(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速（并網(wǎng)后柴油機(jī)轉(zhuǎn)速不變）相交在C點(diǎn)，在橫坐標(biāo)上為柴油機(jī)輸出功率將減少到E值。

這就是手動調(diào)節(jié)機(jī)組轉(zhuǎn)速旋鈕從而改變機(jī)組輸出有功增加的原理，手動增減速，實(shí)際上是使下垂（Droop）曲線上下水平移動，改變機(jī)組并網(wǎng)后的平衡點(diǎn)。

2）同期模式下電網(wǎng)頻率變化與機(jī)組輸出功率變化關(guān)系。

示范工程應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)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(jī)工作在平衡點(diǎn)A點(diǎn)，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(jī)在沒有進(jìn)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(jī)下垂（Droop）曲線交點(diǎn)上移至C點(diǎn)，柴油機(jī)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(jī)在沒有進(jìn)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(jī)下垂（Droop）曲線交點(diǎn)上移至B點(diǎn)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速下降至998 r/min，輸出功率升至D值。

由此可知，柴油機(jī)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(jī)組的有功功率輸出變化［5］。

2.3 發(fā)電機(jī)組同期并網(wǎng)試驗(yàn)問題分析

示范工程在2 號柴油發(fā)電機(jī)組同期并網(wǎng)試驗(yàn)期間，一次同期并網(wǎng)試驗(yàn)，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(yàn)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(jī)，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(jī)頻率高于電網(wǎng)頻率，即同期正頻差，設(shè)定初始功率，使機(jī)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(jī)組頻率超前較多；二是并網(wǎng)后電網(wǎng)頻率下降或者機(jī)組收到了升速信號，造成機(jī)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(jī)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(jī)組自動升速至10%功率。實(shí)際電路實(shí)現(xiàn)路徑為采樣儀表、數(shù)據(jù)傳遞、PLC 運(yùn)算及指令輸出。整個過程存在累計的時間延遲，機(jī)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(jī)組自動帶載功率的設(shè)定值為3%，并且增加機(jī)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(diǎn)，將初始功率改為3%，在后續(xù)同期并網(wǎng)試驗(yàn)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(jī)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(jī)組頻率變化率；?P為機(jī)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(jī)組的調(diào)差系數(shù)Kc1，并網(wǎng)時機(jī)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(jī)組在運(yùn)行在B點(diǎn)，機(jī)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(jī)組以初始功率10%運(yùn)行在A點(diǎn)平衡點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)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(jī)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(diǎn)在功率負(fù)半軸，會出現(xiàn)逆功率；二是機(jī)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(jī)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(yàn)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(jī)組空載設(shè)定轉(zhuǎn)速為1 022 r/min，根據(jù)試驗(yàn)得出機(jī)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(jī)組空載設(shè)定轉(zhuǎn)速；Ne為機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)組負(fù)載的影響。現(xiàn)假設(shè)Droop值為6%，機(jī)組空載轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 060 r/min的情況下，機(jī)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(jī)組空載轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 060 r/min情況下完成機(jī)組110%功率平臺的試驗(yàn)，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(jī)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(yàn)驗(yàn)證［7］。

2.4 參數(shù)整定效果分析

調(diào)整Droop值為6%，驗(yàn)證調(diào)整后調(diào)速器對柴油機(jī)調(diào)速器對柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制效果的好壞，這是直接影響機(jī)組運(yùn)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(jī)組技術(shù)規(guī)格書對柴油機(jī)電氣技術(shù)指標(biāo)要求如表3所示［8］。

表3 柴油機(jī)技術(shù)指標(biāo)要求

在24 h帶載試驗(yàn)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(yàn)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(jī)負(fù)載變化前后，機(jī)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(jī)在穩(wěn)定運(yùn)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(jī)在額定工況下穩(wěn)定運(yùn)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(jī)在額定工況運(yùn)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(jī)技術(shù)規(guī)格書要求［10］。

3 結(jié)語

根據(jù)帶載試驗(yàn)遇到問題和試驗(yàn)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(jī)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(yùn)行特點(diǎn)，要求合理配置調(diào)速器參數(shù)等，使其滿足機(jī)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。