核電廠應急柴油發電機電子調速器性能仿真驗證

王　玥，馬正茂，蘇　成，趙樂挺

核電廠應急柴油發電機電子調速器性能仿真驗證

王玥，馬正茂，蘇成，趙樂挺

（上海核工程研究設計院有限公司，上海 200030）

核電廠應急柴油發電機電子調速器在研發過程中，須對電子調速器功能進行仿真驗證，以節省開發時間成本，同時可降低調速器樣機與柴油發電機進行配機聯調時出現重大技術問題的風險。以國內核電主流應急柴油發電機12PC2-6B為目標機型，建立了柴油發電機組的仿真模型。柴油發電機仿真模型包含氣缸、進排氣閥門、進排氣管、渦輪增壓器及曲軸等關鍵的核心部件，可以全面而具體的反映發動機的瞬態性能。基于調速器樣機的實際控制算法，建立了電子調速器的仿真模型。在配機試驗之前，將電子調速器仿真模型與柴油發電機組仿真模型進行仿真聯調，模擬在起動、加載、卸載、超速保護等工況下的柴油發電機組的轉速響應，對電子調速器控制算法進行了仿真驗證。

柴油發電機；電子調速器；仿真模型；仿真驗證

目前，1E級柴油發電機組調速器是核電廠柴油發電機控制系統中最后一個未國產化的核心電氣部件。在電子調速器在研發過程中，對電子調速器進行仿真驗證是必不可少的一步，柴油發電機的仿真模型應能準確反映出柴油發電機組在動態加載過程中調速輸出的執行信號與柴油發電機轉速之間的響應，這對柴油機的缸內燃燒學模型、曲軸動力學模型、渦輪增壓器動力學模型[1]提出了嚴格的要求，目前國內對柴油發電機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的工作過程做了諸多假設和簡化，如將柴油發電機的仿真模型直接簡化為轉速-扭矩關系的線性數學模型，不能滿足調速器開發所需的仿真模型精度和實時性要求。以國內核電廠主流應急柴油發電機組12PC2-6B為目標機型，建立滿足調速器開發所需的柴油發電機組仿真模型顯得尤為迫切和必要。

為了應對核電廠設計基準事故，核電廠應急柴油發電機應具備在規定時間內成功起動并帶載反應堆安全停堆所需要的負荷的能力，相關標準法規如IEEE 387對應急柴油發電機的性能指標提出了嚴格的要求[3]。本文所研究的目標機型12PC2-6B柴油發電機的主要參數及性能要求如表1所示：

表1　12PC2-6B柴油發電機的主要參數及性能要求

1　建立柴油發電機的仿真模型

采用上海交通大學最新開發的發動機仿真分析軟件SPEED進行柴油發電機工作過程數值模擬仿真。該軟件與GT-power功能類似[4]，可以用來計算發動機的穩態性能和瞬態性能。

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

圖1　12PC2-6B柴油發電機的仿真模型

由于電子調速器僅作用于轉速調節，與電壓調節無關，故發電機的仿真模型中僅需要考慮自身的轉動慣量。12PC2-6B柴油發電機的柴油機曲軸與發電機之間采用剛性聯軸器連接，相當于同一根軸系，故發電機與柴油機的轉動慣量可進行合并，在曲軸箱模型中反映。

2　柴油發電機調速系統仿真模型的建立

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

式中()——控制系統輸出值；

0——柴油發電機起動階段控制系統輸出初始值；

()——轉速目標值與實測值之間的控制誤差；

set()——轉速目標值；

()——轉速實測值；

——計算的當前步數；

0——轉速初始目標值；

——加速斜坡常數；

()——PID閉環調節介入后的時間；

K——比例增益；

K——積分時間常數；

K——微分時間常數。

圖2為柴油發電機調速系統仿真模型示意圖，圖3為PID電子調速器的仿真模型示意圖。

圖2　柴油發電機調速系統仿真模型示意圖

柴油發電機起動過程分兩個階段，第一階段為柴油發電機收到起動信號后，首先進行開環控制，電子調速器輸出一個固定初始值，當柴油發電機轉速達到300 r/min后，進行閉環控制，電子調速器經PID整定后輸出信號給執行器。其中，在起動階段，轉速的目標值為轉速和時間的斜坡函數，可以通過調整加速斜坡常數來調整起動過程柴油發電機轉速升速的快慢。

圖3　PID電子調速器的仿真模型示意圖

3　仿真驗證

本文柴油發電機電子調速器的性能仿真驗證主要分為兩大部分：柴油發電機仿真模型的校準和瞬態仿真模型的驗證。建立仿真模型后，利用柴油發電機在額定轉速，不同負荷特性下的增壓壓力、油耗、渦前排溫等試驗值對仿真模型進行校準，若仿真誤差不滿足要求，則調整仿真模型中的可調參數，進行計算迭代修正，直至所有參數的誤差值均滿足要求后才可進行下一步。穩態模型校準后，在模型中加入第2節中所述調速系統的仿真模塊，建立柴油發電機的瞬態仿真模型，通過仿真模擬實際工程中柴油發電機組的各瞬態過程試驗，并將試驗結果與仿真結果進行對比，驗證電子調速器控制算法的準確性，柴油發電機電子調速器性能仿真驗證的流程如圖4所示。

圖4　柴油發電機電子調速器性能仿真驗證流程圖

3.1　柴油發電機仿真模型的校準

為了校準柴油發電機仿真模型，分別對柴油發電機進行600 r/min負荷特性的25%、50%、75%、90%、100%、110%工況進行仿真，以柴油發電機主要性能參數的試驗值為參考值，通過調節仿真模型中缸內韋伯燃燒模型中的可調參數及各工況下的動力摩擦系數[6]，不斷進行仿真計算迭代修正，最終各仿真計算值與試驗值的誤差在5%以內，即可認為仿真精度基本滿足要求。柴油發電機的增壓壓力、缸內爆發壓力、渦前排溫、渦前壓力、燃油消耗率的仿真計算值與試驗值的對比結果如圖5～圖9所示。

圖5～圖9所示，經過多次迭代，仿真誤差最大點出現在渦前排溫75%的工況點，為2.3%，其他主要性能參數的計算值與試驗值的誤差均在1%以內，滿足仿真精度在5%以內誤差的指標要求。

圖5　增壓壓力計算值與試驗值對比圖

圖6　缸內爆發壓力計算值與試驗值對比圖

圖7　渦前排溫計算值與試驗值對比圖

圖8　渦前壓力計算值與試驗值對比圖

圖9　油耗計算值與試驗值對比圖

3.2　瞬態仿真模型的驗證

在校準后的柴油發電機仿真模型基礎上，加入PID調速模塊，建立柴油發電機的瞬態仿真模型。仿真模擬柴油發電機組在起動、加載、卸載、超速保護過程中的響應，從而驗證電子調速器控制算法的準確性。

3.2.1柴油發電機起動過程仿真驗證

仿真模擬某核電項目柴油發電機的起動及帶載可靠性試驗，并將仿真結果與試驗結果進行對比驗證。

柴油發電機起動及帶載過程：柴油機通過壓縮空氣起動，當柴油機達到發火轉速（約80 r/min）后，調速器介入，將柴油發電機轉速拉升至額定轉速。柴油發電機起動成功并達到額定轉速后，手動突加35%的額定負載。

本文在仿真中將柴油發電機轉速從80 r/min開始計算，第1 s給定噴油量，轉速達到300 r/min時PID調節開始介入，轉速穩定到600 r/min時突加35%額定負荷，總計算時間設定為25 s，轉速及油門齒條相對位移如圖10所示。

圖10　起動和加載過程轉速及齒條響應仿真結果

結果表明，如表2所示柴油發電機起動過程中轉速拉升曲線、油門齒條的響應趨勢基本一致，實際起動時間為15 s，仿真過程的起動時間為14.3 s，有一定誤差，由于仿真過程直接從發火轉速算起，未考慮高壓空氣沖轉柴油機到發火轉速所用的時間，故實際誤差基本可忽略不計，且起動時間的快慢與PID中目標轉速的斜坡函數設定有關，可通過調節斜坡函數的斜率來控制起動過程中的用時。

起動后加載時柴油發電機轉速計算值較試驗值跌落更小，主要原因是仿真過程中PID調節為電子調節模塊，未考慮調速器執行器的響應延時。

柴油發電機起動過程的仿真值及試驗值對比結果表明，主要參數的誤差均在5%以內，此仿真過程基本反映了柴油發電機的起動及帶載可靠性試驗中各參數的動態響應變化。

表2　起動過程的試驗值和仿真值對比

3.2.2負載性能試驗過程仿真校驗

仿真模擬某核電項目柴油發電機負載性能試驗，并將仿真結果與試驗結果進行對比驗證。

將柴油發電機轉速從600 r/min開始進行計算，為了便于記錄加載過程的轉速響應變化，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突卸全部負荷，總的計算時間設定為75 s，負載變化、轉速及油門齒條相對位移如圖11和圖12所示。

圖11　逐步加載過程轉速及齒條響應仿真結果

從圖11可以看出，當突加負荷時，柴油發電機轉速迅速降低，此時調速器開始起作用，迅速做出減速判斷增加油泵齒條開度，增加供油使轉速穩定，突加負荷后仿真結果的轉速響應與試驗記錄曲線基本一致。將單步加載25%負荷時的計算值與試驗值對比，如表3所示。從結果可以看出，單步加載過程的仿真結果與試驗值基本一致。

表3　單步加載25%負荷瞬態計算值和試驗值對比

注：① 恢復時間指恢復到額定轉速的98%，即轉速恢復到588～612范圍內。

圖12　突卸110%負荷轉速及齒條響應仿真結果

從圖12可以看出，當負載突然變為零時，柴油發電機轉速迅速提高，此時調速器開始起作用，迅速做出加速判斷減小油泵齒條開度，減少供油使轉速穩定。計算值與試驗值對比如表4所示。從結果可以看出，突卸110%負荷的仿真結果與試驗值基本一致。

表4　突卸110%負荷瞬態計算參數試驗值和仿真值對比

3.2.3超速保護過程仿真校驗

將柴油發電機轉速從600 r/min開始計算，先逐步將柴油發電機加載至100%負荷，待轉速穩定后，為了模擬柴油發電機的超速過程，將調速器模型中的目標轉速調高至700 r/min，當轉速達到超速保護設定值112%額定轉速即672 r/min時，通過邏輯判斷模塊將負載模塊的輸出和PID的輸出值直接切換至0，總的計算時間設定為120 s，轉速及油門齒條相對位移如圖13所示。

圖13　超速保護動作時轉速及齒條響應仿真結果

從圖13可以看出，當柴油發電機轉速達到672 r/min，超速保護開始動作，柴油發電機出口斷路器分閘，負荷全部卸掉，油泵齒條開度切換至0，斷油使柴油發電機停機，柴油發電機轉速在慣性帶動及機械摩擦損失下轉速逐步降至0，用時約65 s，與實際情況基本一致。

4　結論

采用SPEED軟件建立了12PC2-6B柴油發電機的仿真模型，根據調速器的實際控制算法建立了調速器的仿真模型。通過12PC2-6B柴油發電機出廠試驗的試驗數據對所建立的仿真模型進行了校準，并通過仿真模擬了12PC2-6B柴油發電機組出廠試驗實際的瞬態試驗過程，得出了以下結論：

（1）柴油發電機增壓壓力、缸內爆壓、油耗等參數的計算值和試驗值的誤差均在可接受的誤差限5%以內，仿真精度滿足要求。

（2）仿真模擬了柴油發電機組在起動、加載、卸載、超速保護過程中的響應，瞬態仿真的轉速響應與試驗結果一致，瞬態仿真中各主要性能參數的誤差均在10%以內，滿足柴油發電機電子調速器開發過程對柴油發電機瞬態仿真模型精度的要求，驗證了電子調速器控制算法的準確性。

［1］ 亓驥才．渦輪增壓柴油機瞬態特性影響規律研究［D］．上海交通大學，2013.

［2］ 張淑興．應急柴油發電機組仿真研究［D］．大連理工大學，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．應急柴油發電機組的建模與瞬態仿真［J］．內燃機，2014（3）：7-10.

［5］ 溫進超，李寶強．基于PID控制方法的電子調速器在柴油機上的應用［J］．廣東造船，2013（6）．

［6］ 周松．內燃機工作過程仿真技術［M］．北京航空航天大學出版社，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（編號：2019ZX06002025）

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