核電用相繼增壓柴油機性能仿真

張杰，吳蘇敏，朱文江，靳文金

（1.中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000；2.大亞灣核電運營管理有限責任公司,廣東 深圳 518000）

核電站應急發電機組，是核電廠的應急電源，廠用電及備用電源失去時，自動啟動并帶載相關負荷，以保障機組安全停堆并保護關鍵設備不被損壞。礙于相繼增壓柴油機僅在上述緊急狀況下投入使用，故日常工作中，需要借助柴油機實時仿真模型，研究相繼增壓柴油機工作性能。近年來，仿真技術不斷發展，利用仿真模型進行柴油機性能仿真，已成為柴油機性能分析的重要方式。

本文采用模塊化建模方式，利用Simulink-Stateflow-Veristand 聯合建模的方式搭建柴油機實時仿真模型。搭建的仿真模型，能夠模擬柴油機典型工況，進行性能仿真。能夠體現加載過程中的，渦輪增壓器切入過程。通過多級增壓柴油機性能仿真，能夠隨時分析柴油機典型工況下的性能，為核電廠安全生產，提供理論保障。

1 多級增壓柴油機典型工況分析

核電用應急發電機組中的某型相繼增壓柴油機為一種高速柴油機，四沖程，V 型排列，直接噴射，5 組廢氣渦輪增壓，中間空氣冷卻的高速柴油機。該型柴油機結構示意圖，如圖1 所示。

起動工況下，要求相繼增壓柴油機在起動扭矩的作用下，迅速起動，使轉速達到設定轉速。

加載工況下，負載增加過程中，齒條位移增加，噴油量增大，運行轉速下降。空載狀態下，2 組渦輪增壓器進行工作，隨著負載的增加，3 組渦輪增壓器相繼切入，加載過程中，渦輪增壓器切入邏輯，如圖2 所示。

減載工況下，齒條位移減小，噴油量減少，運行轉速上升，渦輪增壓器的切出順序，與加載工況下的切入順序相反。

圖1 多級增壓柴油機結構示意圖

2 相繼增壓柴油機實時模型搭建

2.1 Simulink 模塊化建立柴油機模型

柴油機模型的搭建基于Simulink 軟件，采用模塊化建模的方法，基于柴油機結構進行使用的，建立的柴油機模型包括燃油系統子模型、進排氣系統子模型、氣缸系統子模型、動力學系統子模型。柴油機模型結構圖，如圖3 所示。

建立的柴油機模型采用發動機平均值模型，該模型發展成熟，算法結構簡單，計算成本低，仿真速度快，實時性高，對柴油機的適用性好，且后續可以實現功能添加升級、算法結構改進等操作。

建立的柴油機模型燃油系統子模型通過供油量、齒條位置及噴油特性等數據。供油量q 與齒條位移l 及柴油機轉速n 及系數k0、k1、k2的關系為：

圖2 渦輪增壓器切入邏輯

對于渦輪增壓器中的連接軸，壓氣機和渦輪通過連接軸連接，通過兩者的扭矩之差來計算轉速加速度，在穩定工況下，渦輪扭矩與壓氣機扭矩相等，加速度為0，增壓器轉速保持不變，具體公式如下：

建立的柴油機模型，進排氣系統子模型中的，中冷器部分原理為：空氣流經壓氣機被壓縮后，溫度變高，中冷器的作用是將高溫氣體進行冷卻，降低熱負荷的同時增加進氣量。式中，為中冷器出口溫度，K；為中冷器入口溫度，K；為中冷器效率；為中冷器冷卻水溫度，K。計算公式如下：

2.2 Stateflow 建立渦輪增壓器工作邏輯模型

Stateflow 是一個基于有限狀態機和流程圖來構建組合和時序邏輯決策模型并進行仿真的軟件，采用Stateflow 建立渦輪增壓器工作邏輯模型。5 組渦輪增壓器的工作狀態以valve_A1 等5 組電磁閥表示：渦輪增壓器投入，電磁閥狀態為1；渦輪增壓器投出，電磁閥狀態為0。建立的渦輪增壓器工作邏輯模型結構圖，如圖4 所示。

圖3 柴油機模型結構

2.3 Veristand 建立柴油機實時仿真模型

VeriStand 為 NI公司推出的專用于硬件在環系統的軟件。在搭建的柴油機Simulink模型界面中利用Code Generation 功能生成柴油機DLL 模型文件；在VeriStand 配置界面System Explorer 中 將DLL 文件添加至Targets-Controller-Simulation Models-Models，即實現了柴油機Simulink 模型編譯進NI 板卡，成為柴油機實時模型的過程。

完成了應急柴油機實時模型的搭建。搭建好的實時仿真模型在控制器的控制下進行運行。

圖4 渦輪增壓器工作邏輯模型

3 柴油機模型運行及性能仿真

利用搭建好的柴油機實時仿真模型，進行相繼增壓柴油機性能仿真。選取該多級增壓柴油機運行過程中的典型工況，即起動工況、加載工況、減載工況，進行性能仿真，結果如圖5 ～8。

圖5 表明，所研發的相繼增壓柴油機實時仿真模型，滿足核電用相繼增壓柴油機的最基本需求，與實際柴油機運行相一致，即起動迅速，發動機轉速能快速達到設定轉速。搭建的柴油機模型在15s 內轉速升至的核定轉速，滿足核電廠相關要求。在發動機轉速上升期間，齒條位移在前期開環控制下，呈現大齒條位移供油的狀態，后期達到閉環控制后，齒條位移保持穩定，齒條位移的變化情況與發動機轉速的變化情況的對應關系正確；表明搭建的模型能夠正確進行相繼增壓器柴油機起動性能仿真。

圖5 起動工況性能曲線

圖6 表明，在加載工況下，搭建的柴油機模型滿足核電用相繼增壓柴油機的加載要求，即在該控制策略下，自72s 左右，隨著負載的增加，柴油機齒條位移增加，柴油機功率增大，與實際柴油機運行相一致。

發動機轉速在負載增加的過程中，逐漸下降。且搭建的模型能夠滿足多次加載工況；表明搭建的模型能夠正確進行相繼增壓器柴油機加載性能仿真。

圖6 加載工況性能曲線

圖7 表明，搭建的柴油機模型的渦輪增壓器的運行情況符合要求，即起動過程中，增壓器A1、A2 立即投入工作，二者的轉速上升，當發動機轉速達到設定轉速時，二者轉速保持穩定。自72s 左右，隨著負載的增加，B1、B2、B3 以此投入工作，且三者的轉速上升迅速，在較短的時間內達到各自的穩定狀態，滿足加載工況下，對渦輪增壓器的工作要求。各渦輪增壓器投入邏輯正確，相應特性迅速；表明搭建的模型能夠正確進行相繼增壓器柴油機相繼增壓性能仿真。

圖7 渦輪增壓器投入性能曲線

圖8 表明，在減載工況下，搭建的柴油機模型滿足核電用相繼增壓柴油機的減載要求，即在該控制策略下，取初次減載時的時間為0，隨著負載的減少，柴油機齒條位移減小，柴油機功率減小。發動機轉速在負載減少的過程中，逐漸上升。且搭建的模型能夠滿足多次減載工況；表明搭建的模型能夠正確進行相繼增壓器柴油機減載性能仿真。

圖8 減載工況性能曲線

4 結語

本文利用Simulink-Stateflow-Veristand 聯合建模的方式，基于模塊化及柴油機原理的建模方法，搭建了核電用應急發電機組中的某型相繼增壓柴油機。進行了包括起動、加減載在內的典型工況下的相繼增壓柴油機性能仿真，并對仿真結果進行分析。仿真分析結果得出以下結論：（1）搭建的相繼增壓柴油機實時仿真模型能夠在真實控制器的控制下實時運行。（2）搭建的模型能正確反映某型相繼增壓柴油機在典型工況下的性能，即能夠進行該柴油機的性能仿真。（3）搭建的模型能夠體現該柴油機的各渦輪增壓器的投入運行情況，及能夠進行相繼增壓特性仿真。（4）基于該柴油機性能仿真，能夠隨時分析其典型工況下的性能，為核電廠安全生產提供理論保障。