核電應(yīng)急柴油發(fā)電機組加載過程建模與仿真

王賀春，王玥，徐榮，胡松

（1.哈爾濱工程大學(xué)動力與能源工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001；2.陜西柴油機重工有限公司，陜西興平713105）

核電應(yīng)急柴油發(fā)電機組加載過程建模與仿真

王賀春1，王玥1，徐榮2，胡松1

（1.哈爾濱工程大學(xué)動力與能源工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001；2.陜西柴油機重工有限公司，陜西興平713105）

為了減少核電應(yīng)急柴油發(fā)電機組的開發(fā)時間及成本，并滿足核電應(yīng)急柴油發(fā)電機組的多種變負荷加載的仿真計算，建立了基于GT?power與Matlab／Simulink的聯(lián)合仿真環(huán)境，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)核電站反應(yīng)堆安全停堆的負荷特性建立了某柴油發(fā)電機組的瞬態(tài)仿真模型，提出了核電應(yīng)急柴油發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)的增量式PID控制方案，進行了柴油機突加、突減負載的瞬態(tài)仿真計算，預(yù)測了柴油機在加載過程中的轉(zhuǎn)速、噴油量、齒條位置等參數(shù)的變化。將仿真計算的結(jié)果與MAN公司的仿真結(jié)果進行了對比分析，對比結(jié)果表明所建立的聯(lián)合仿真模型具有一定的準(zhǔn)確性及良好的動態(tài)特性。

應(yīng)急柴油發(fā)電機組；GT?power；Matlab／Simulink；PID；瞬態(tài)仿真

核電站遇到突發(fā)事件時，需要迅速啟動柴油應(yīng)急發(fā)電機組，對整個核電廠應(yīng)急供電，使核反應(yīng)堆保持在安全狀態(tài)或及時冷卻停堆。近年我國核電事業(yè)有了很大的發(fā)展，但應(yīng)急柴油發(fā)電機組卻大部分依賴進口，國產(chǎn)項目尚處于交機階段，未來具有很大的發(fā)展空間。應(yīng)急發(fā)電機組應(yīng)具備在短時間內(nèi)起動，并達到加載反應(yīng)堆停堆所需的全部負載的能力，同時要保證發(fā)電機終端電壓和頻率的穩(wěn)定，這對柴油機的加載過程中的負載變化響應(yīng)提出了嚴格的要求。由于核電應(yīng)急發(fā)電機組在研發(fā)過程中無法進行啟動和加載試驗，并且又對啟動和加載時間有著嚴格的要求，準(zhǔn)確的仿真就顯得尤為必須和重要［1?3］。

Matlab／Simulink建立的調(diào)速控制系統(tǒng)模型具有簡便、靈活、控制能力強等特點，且能夠快速準(zhǔn)確的建立應(yīng)急柴油發(fā)電機組的多種變負荷加載模型，但是基于Matlab／Simulink的柴油機整機模型程序復(fù)雜，開發(fā)時間長，而且進行了諸多假設(shè)，有些只能夠反映發(fā)動機部分參數(shù)在控制策略執(zhí)行時的變化趨勢。而GT?power是進行發(fā)動機仿真的專業(yè)軟件，由該軟件建立的發(fā)動機模型基本能夠全面反映發(fā)動機的性能，同時可以大大降低整個仿真系統(tǒng)的開發(fā)時間及成本。因此，本文對應(yīng)急柴油發(fā)電機組的瞬態(tài)加載過程進行了基于GT?power與Matlab／Simulink的聯(lián)合仿真［4］。

1 柴油機模型

GT?power是由Gamma Technologies公司開發(fā)的具有發(fā)動機工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的模擬仿真軟件，它是基于管內(nèi)一維流動和缸內(nèi)容積法進行分析計算的，可以較為準(zhǔn)確的模擬不同工況下發(fā)動機的性能變化。本文應(yīng)用GT?power軟件對某柴油機進行建模仿真，該機為四沖程、18缸、雙廢氣渦輪增壓器帶中冷器、MPC排氣管。該柴油機的整機仿真模型如圖1所示。

圖1 柴油機的GT?power整機模型Fig.1 Diesel engine model based on GT?power

2 調(diào)速器及負載加載模型

柴油機調(diào)速器及負載加載模型利用Matlab／Simulink軟件建立。Simulink是一種基于Matlab的框圖設(shè)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，因此Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計［5］。

2.1 調(diào)速器控制模型

調(diào)速器模型簡化為PID模型和噴油量模型，本文采用的調(diào)速器模型示意圖如圖2所示。根據(jù)期望轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速的差值，經(jīng)PID整定求解得到柴油機的噴油泵齒條位置R。噴油量模型是根據(jù)噴油特性曲線換算成柴油機轉(zhuǎn)速和齒條位置的二維數(shù)組m＝f（n，R），查表求得實際循環(huán)噴油量m。

圖2 調(diào)速器模型流程圖Fig.2 The flow chart of speed controller model

PID控制器是根據(jù)誤差的比例、積分和微分進行控制，由于該仿真模型龐大，瞬態(tài)加載過程多，而傳統(tǒng)位置式PID控制的輸出與整個過去的狀態(tài)有關(guān)，用到了誤差的累加值，在仿真計算后期，誤差的累加會對系統(tǒng)的運算有很大影響；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)行機構(gòu)本身有記憶功能，在微小誤差下仍可保持原位，因此本模型調(diào)速系統(tǒng)使用增量式PID［6?10］。增量式PID數(shù)學(xué)模型為

式中：R（k）為控制系統(tǒng)輸出，e（k）為期望值與實際值之間的控制誤差，Kp為比例增益，Ti為積分時間常數(shù)，Td為微分時間常數(shù)。

2.2 負載加載模型

在應(yīng)急柴油發(fā)電機組的瞬態(tài)仿真中，要通過數(shù)學(xué)模型來代替實際中電感負載的負荷變化。在整個加載過程中，應(yīng)用負載系數(shù)，在已知的定負荷基礎(chǔ)上，使負載隨時間以如圖3所示曲線的趨勢變化。負載系數(shù)的數(shù)學(xué)模型為

式中：k對應(yīng)圖3中的橫坐標(biāo)，代表仿真時間t與每步加載用時T（3 s）的比值，P（k）對應(yīng)圖3中的縱坐標(biāo)，為實際負載P與已知定負荷Pn的比值，即負載系數(shù)。通過將每步加載的已知定負荷與不同時刻對應(yīng)的負載系數(shù)相乘，即可求得對應(yīng)時刻的實際負載，以某種工作狀態(tài)下的結(jié)果進行加載如圖4所示。

圖3 負載系數(shù)變化曲線Fig.3 The curves of load factor

圖4 負載加載結(jié)果Fig.4 The curves of load results

3 聯(lián)合仿真平臺的建立

GT?power與Simulink的耦合是通過GT?power中的控制模塊實現(xiàn)的，其中包括SimulinkHarness、SensorConn（傳感器）、ActuatorConn（執(zhí)行器）。該GT?power模型中的柴油機轉(zhuǎn)速、扭矩、進排氣溫度、壓力等信號通過SensorConn連接到SimulinkHarness上，并傳送至Simulink模型中，轉(zhuǎn)速信號通過PID整定得到齒條位置信號，然后根據(jù)齒條位置及轉(zhuǎn)速查表可得到每缸每循環(huán)噴油量，柴油機輸出功率、進氣溫度、排氣溫度等信號則直接輸送到Matlab的工作空間，這樣可以方便的保存計算結(jié)果；負載及調(diào)速器中的每缸每循環(huán)噴油量作為輸出信號由Simulink模型傳送至SimulinkHarness，并經(jīng)過ActuatorConn分別施控于GT?power模型中的扭矩模塊及噴油器模塊。其模塊關(guān)系圖如圖5所示。

在進行聯(lián)合仿真計算時，該柴油機的GT?power模型相當(dāng)于Simulink模型中的一個S函數(shù)動態(tài)模塊，數(shù)據(jù)通過SimulinkHarness模塊傳遞。在GT?power中的信號反饋到Simulink之前，GT?power模型進行一次計算，Simulink模型中的參數(shù)在每個采樣周期被讀取一次，并通過函數(shù)的調(diào)用傳遞到GT?power模型中。聯(lián)合仿真模型如圖6所示。

圖5 聯(lián)合仿真模塊關(guān)系圖Fig.5 The module relation chart of co?simulation

圖6 聯(lián)合仿真模型Fig.6 The model of co?simulation

4 仿真結(jié)果分析

4.1 仿真計算結(jié)果

在應(yīng)急柴油發(fā)電機聯(lián)合仿真平臺建立以后，對仿真計算方法和仿真時間進行設(shè)置，然后進行計算。以圖4所示的負載進行計算，計算完成后，柴油機轉(zhuǎn)速曲線、每缸每循環(huán)噴油量、噴油泵齒條位置、進氣壓力、柴油機輸出功率等數(shù)據(jù)保存在Matlab工作空間中，在使用GT?power對柴油機進行仿真時，按每一循環(huán)進行計算，打開GT?power的運行結(jié)果GT?post，可以查看運行結(jié)束時所有模塊的最后一循環(huán)的各參數(shù)狀態(tài)，其結(jié)果分別如圖7～圖11所示。圖12和圖13為加載穩(wěn)定后柴油機缸內(nèi)壓力與缸內(nèi)溫度曲線。

從圖4負載的加載結(jié)果及圖7的轉(zhuǎn)速變化曲線可以看出，在2、7、12、…、37、42 s突加負載，每步的加載時間為3 s，轉(zhuǎn)速在突加負載時突降，然后經(jīng)過調(diào)速器調(diào)整，噴油量升高，轉(zhuǎn)速回升，由于在每步加載后期，負載的增長率越來越大，由于調(diào)速器滯后于負載的變化，此時轉(zhuǎn)速又略有下降；在4.85、9.85、14.85、…、39.85、44.85 s負載突降，轉(zhuǎn)速突升，經(jīng)調(diào)速器調(diào)整后噴油量降低，轉(zhuǎn)速回降；從圖4和圖11可以看出柴油機的輸出功率和負載的變化響應(yīng)一致。由此可見，在此種負荷特性下，應(yīng)急柴油機的轉(zhuǎn)速、噴油量、輸出功率均有較好動態(tài)響應(yīng)。

圖7 柴油機轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.7 The curves of rotation speed

圖8 噴油泵齒條位置變化曲線Fig.8 The curves of fuel rack position

圖9 每缸每循環(huán)噴油量變化曲線Fig.9 The curves of fuel injection quantity

圖10 進氣壓力變化曲線圖Fig.10 The curves of intake pressure

圖11 柴油機輸出功率變化曲線Fig.11 The curves of engine power

圖12 示功圖Fig.12 The indicator diagram

圖13 缸內(nèi)溫度變化曲線Fig.13 The curves of temperature in cylinder

4.2 仿真計算結(jié)果對比分析

為了驗證所建立的瞬態(tài)模型的準(zhǔn)確性及實用性，將仿真計算結(jié)果與MAN公司在相同負載下的仿真結(jié)果進行了對比。圖14為柴油機轉(zhuǎn)速隨時間的變化對比曲線圖。

圖14 仿真結(jié)果與MAN公司計算的轉(zhuǎn)速變化對比Fig.14 The contrast curve of rotation speed betweenthis model and MAN

轉(zhuǎn)速瞬態(tài)調(diào)整率和穩(wěn)定時間是應(yīng)急柴油發(fā)電機組的重要電氣性能指標(biāo)。通過圖14的對比分析可知，2種結(jié)果的柴油機轉(zhuǎn)速變化趨勢一致，不同的是每步加載過程中柴油機轉(zhuǎn)速波動的幅度及加載后轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定時間。在每步的突加、突減負載時，該模型仿真計算的柴油機轉(zhuǎn)速下降或上升幅度均小于MAN公司的仿真結(jié)果，所以轉(zhuǎn)速瞬態(tài)調(diào)整率就更小，轉(zhuǎn)速回穩(wěn)速度更快，波動也更小，轉(zhuǎn)速曲線更平滑穩(wěn)定，顯示了更好的調(diào)速特性；在最后兩步加載后，其轉(zhuǎn)速分別于37、47 s恢復(fù)穩(wěn)定，而后者在37.7、47.7 s恢復(fù)穩(wěn)定，本模型計算的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時間略優(yōu)于MAN公司仿真結(jié)果。綜上可知，該聯(lián)合仿真平臺所建立的模型具有一定的準(zhǔn)確性，且動態(tài)響應(yīng)特性略優(yōu)。

4 結(jié)論

1）建立了核電應(yīng)急柴油發(fā)電機組在GT?power與Matlab／Simulink的聯(lián)合仿真環(huán)境下的瞬態(tài)模型，能夠利用專業(yè)的柴油機仿真模型和靈活的控制方式，對核電應(yīng)急柴油機發(fā)電機組在多種變負荷加載時進行仿真計算。

2）將計算結(jié)果與MAN公司的仿真結(jié)果進行對比分析，驗證了該聯(lián)合仿真模型的準(zhǔn)確性，表明了該模型具有更好的動態(tài)響應(yīng)特性，能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)測應(yīng)急柴油發(fā)電機組在負載變化時轉(zhuǎn)速、噴油量、輸出功率等參數(shù)的變化。

3）該仿真平臺的柴油機模型采用了非線性的GT?power模型，柴油機性能參數(shù)計算完整、可信，仿真計算結(jié)果能夠模擬在瞬態(tài)加載過程中柴油機的參數(shù)變化，為柴油機的選型、調(diào)整提供依據(jù)。

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Transient modeling and simulation of nuclear emergency diesel generators during the loading process

WANG Hechun1，WANG Yue1，XU Rong2，HU Song1

（1.College of Power and Energy Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 15000，China；2.Shaanxi Diesel Engine Heavy Industry Co.，Ltd.，Xingping 713105，China）

In order to reduce the development time and costs，and to meet the demands of simulation for variable load loading of nuclear emergency diesel generator sets，a co?simulation environment based on GT?power and Mat?lab／Simulink is built，which is the basis of the establishment for the transient simulation model of a diesel engine according to load characteristics of the nuclear power plant reactor safety shutdown，and the incremental PID control scheme of nuclear emergency diesel generator sets in the speed control system is presented at the same time.The change of parameters such as rotation speed，fuel injection quantity and the rack position is predicted through the simulation of loading on the diesel engine at different times，and the comparison between calculation results and MAN Diesel and Turbo illustrates that this simulation model is practicable and good in dynamic characteristics.

emergency diesel generator set；GT?power；Matlab／Simulink；PID；transient simulation

10.3969／j.issn.1006?7043.201403023

TK422

：A

：1006?7043（2015）06?0784?05

http：／／www.cnki.net／kcms／detail／23.1390.u.20150428.0852.003.html

2014?03?09.網(wǎng)絡(luò)出版時間：2015?04?28.

工信部基礎(chǔ)研究基金資助項目（4010103010402）.

王賀春（1979?），男，講師，博士.

王賀春，E?mail：wanghechun＠hrbeu.edu.cn.