核电厂应急柴油发电机电子调速器性能仿真验证

王　玥，马正茂，苏　成，赵乐挺

核电厂应急柴油发电机电子调速器性能仿真验证

王玥，马正茂，苏成，赵乐挺

（上海核工程研究设计院有限公司，上海 200030）

核电厂应急柴油发电机电子调速器在研发过程中，须对电子调速器功能进行仿真验证，以节省开发时间成本，同时可降低调速器样机与柴油发电机进行配机联调时出现重大技术问题的风险。以国内核电主流应急柴油发电机12PC2-6B为目标机型，建立了柴油发电机组的仿真模型。柴油发电机仿真模型包含气缸、进排气阀门、进排气管、涡轮增压器及曲轴等关键的核心部件，可以全面而具体的反映发动机的瞬态性能。基于调速器样机的实际控制算法，建立了电子调速器的仿真模型。在配机试验之前，将电子调速器仿真模型与柴油发电机组仿真模型进行仿真联调，模拟在起动、加载、卸载、超速保护等工况下的柴油发电机组的转速响应，对电子调速器控制算法进行了仿真验证。

柴油发电机；电子调速器；仿真模型；仿真验证

目前，1E级柴油发电机组调速器是核电厂柴油发电机控制系统中最后一个未国产化的核心电气部件。在电子调速器在研发过程中，对电子调速器进行仿真验证是必不可少的一步，柴油发电机的仿真模型应能准确反映出柴油发电机组在动态加载过程中调速输出的执行信号与柴油发电机转速之间的响应，这对柴油机的缸内燃烧学模型、曲轴动力学模型、涡轮增压器动力学模型[1]提出了严格的要求，目前国内对柴油发电机组的加载仿真已有了一定的研究[2]，但这些仿真模型要对柴油机的工作过程做了诸多假设和简化，如将柴油发电机的仿真模型直接简化为转速-扭矩关系的线性数学模型，不能满足调速器开发所需的仿真模型精度和实时性要求。以国内核电厂主流应急柴油发电机组12PC2-6B为目标机型，建立满足调速器开发所需的柴油发电机组仿真模型显得尤为迫切和必要。

为了应对核电厂设计基准事故，核电厂应急柴油发电机应具备在规定时间内成功起动并带载反应堆安全停堆所需要的负荷的能力，相关标准法规如IEEE 387对应急柴油发电机的性能指标提出了严格的要求[3]。本文所研究的目标机型12PC2-6B柴油发电机的主要参数及性能要求如表1所示：

表1　12PC2-6B柴油发电机的主要参数及性能要求

1　建立柴油发电机的仿真模型

采用上海交通大学最新开发的发动机仿真分析软件SPEED进行柴油发电机工作过程数值模拟仿真。该软件与GT-power功能类似[4]，可以用来计算发动机的稳态性能和瞬态性能。

采用模块化的建模方法，依次建立了气缸、进排气阀、进排气管、涡轮增压器以及曲轴箱模型，将以上模块连接起来，输入相应的参数，建立的仿真模型如图1所示。

图1　12PC2-6B柴油发电机的仿真模型

由于电子调速器仅作用于转速调节，与电压调节无关，故发电机的仿真模型中仅需要考虑自身的转动惯量。12PC2-6B柴油发电机的柴油机曲轴与发电机之间采用刚性联轴器连接，相当于同一根轴系，故发电机与柴油机的转动惯量可进行合并，在曲轴箱模型中反映。

2　柴油发电机调速系统仿真模型的建立

本课题所开发的电子调速器采用增量式PID[5]，增量式PID的输出只与当前和前两步的误差有关，且执行机构本身有记忆功能，在微小误差下仍然可保持原位，有良好的调速效果。增量式PID的控制算法见公式（1）。

式中()——控制系统输出值；

0——柴油发电机起动阶段控制系统输出初始值；

()——转速目标值与实测值之间的控制误差；

set()——转速目标值；

()——转速实测值；

——计算的当前步数；

0——转速初始目标值；

——加速斜坡常数；

()——PID闭环调节介入后的时间；

K——比例增益；

K——积分时间常数；

K——微分时间常数。

图2为柴油发电机调速系统仿真模型示意图，图3为PID电子调速器的仿真模型示意图。

图2　柴油发电机调速系统仿真模型示意图

柴油发电机起动过程分两个阶段，第一阶段为柴油发电机收到起动信号后，首先进行开环控制，电子调速器输出一个固定初始值，当柴油发电机转速达到300 r/min后，进行闭环控制，电子调速器经PID整定后输出信号给执行器。其中，在起动阶段，转速的目标值为转速和时间的斜坡函数，可以通过调整加速斜坡常数来调整起动过程柴油发电机转速升速的快慢。

图3　PID电子调速器的仿真模型示意图

3　仿真验证

本文柴油发电机电子调速器的性能仿真验证主要分为两大部分：柴油发电机仿真模型的校准和瞬态仿真模型的验证。建立仿真模型后，利用柴油发电机在额定转速，不同负荷特性下的增压压力、油耗、涡前排温等试验值对仿真模型进行校准，若仿真误差不满足要求，则调整仿真模型中的可调参数，进行计算迭代修正，直至所有参数的误差值均满足要求后才可进行下一步。稳态模型校准后，在模型中加入第2节中所述调速系统的仿真模块，建立柴油发电机的瞬态仿真模型，通过仿真模拟实际工程中柴油发电机组的各瞬态过程试验，并将试验结果与仿真结果进行对比，验证电子调速器控制算法的准确性，柴油发电机电子调速器性能仿真验证的流程如图4所示。

图4　柴油发电机电子调速器性能仿真验证流程图

3.1　柴油发电机仿真模型的校准

为了校准柴油发电机仿真模型，分别对柴油发电机进行600 r/min负荷特性的25%、50%、75%、90%、100%、110%工况进行仿真，以柴油发电机主要性能参数的试验值为参考值，通过调节仿真模型中缸内韦伯燃烧模型中的可调参数及各工况下的动力摩擦系数[6]，不断进行仿真计算迭代修正，最终各仿真计算值与试验值的误差在5%以内，即可认为仿真精度基本满足要求。柴油发电机的增压压力、缸内爆发压力、涡前排温、涡前压力、燃油消耗率的仿真计算值与试验值的对比结果如图5～图9所示。

图5～图9所示，经过多次迭代，仿真误差最大点出现在涡前排温75%的工况点，为2.3%，其他主要性能参数的计算值与试验值的误差均在1%以内，满足仿真精度在5%以内误差的指标要求。

图5　增压压力计算值与试验值对比图

图6　缸内爆发压力计算值与试验值对比图

图7　涡前排温计算值与试验值对比图

图8　涡前压力计算值与试验值对比图

图9　油耗计算值与试验值对比图

3.2　瞬态仿真模型的验证

在校准后的柴油发电机仿真模型基础上，加入PID调速模块，建立柴油发电机的瞬态仿真模型。仿真模拟柴油发电机组在起动、加载、卸载、超速保护过程中的响应，从而验证电子调速器控制算法的准确性。

3.2.1柴油发电机起动过程仿真验证

仿真模拟某核电项目柴油发电机的起动及带载可靠性试验，并将仿真结果与试验结果进行对比验证。

柴油发电机起动及带载过程：柴油机通过压缩空气起动，当柴油机达到发火转速（约80 r/min）后，调速器介入，将柴油发电机转速拉升至额定转速。柴油发电机起动成功并达到额定转速后，手动突加35%的额定负载。

本文在仿真中将柴油发电机转速从80 r/min开始计算，第1 s给定喷油量，转速达到300 r/min时PID调节开始介入，转速稳定到600 r/min时突加35%额定负荷，总计算时间设定为25 s，转速及油门齿条相对位移如图10所示。

图10　起动和加载过程转速及齿条响应仿真结果

结果表明，如表2所示柴油发电机起动过程中转速拉升曲线、油门齿条的响应趋势基本一致，实际起动时间为15 s，仿真过程的起动时间为14.3 s，有一定误差，由于仿真过程直接从发火转速算起，未考虑高压空气冲转柴油机到发火转速所用的时间，故实际误差基本可忽略不计，且起动时间的快慢与PID中目标转速的斜坡函数设定有关，可通过调节斜坡函数的斜率来控制起动过程中的用时。

起动后加载时柴油发电机转速计算值较试验值跌落更小，主要原因是仿真过程中PID调节为电子调节模块，未考虑调速器执行器的响应延时。

柴油发电机起动过程的仿真值及试验值对比结果表明，主要参数的误差均在5%以内，此仿真过程基本反映了柴油发电机的起动及带载可靠性试验中各参数的动态响应变化。

表2　起动过程的试验值和仿真值对比

3.2.2负载性能试验过程仿真校验

仿真模拟某核电项目柴油发电机负载性能试验，并将仿真结果与试验结果进行对比验证。

将柴油发电机转速从600 r/min开始进行计算，为了便于记录加载过程的转速响应变化，在第10 s开始每隔10 s逐步加载25%，50%，75%，90%，100%，110%，最后在第70 s突卸全部负荷，总的计算时间设定为75 s，负载变化、转速及油门齿条相对位移如图11和图12所示。

图11　逐步加载过程转速及齿条响应仿真结果

从图11可以看出，当突加负荷时，柴油发电机转速迅速降低，此时调速器开始起作用，迅速做出减速判断增加油泵齿条开度，增加供油使转速稳定，突加负荷后仿真结果的转速响应与试验记录曲线基本一致。将单步加载25%负荷时的计算值与试验值对比，如表3所示。从结果可以看出，单步加载过程的仿真结果与试验值基本一致。

表3　单步加载25%负荷瞬态计算值和试验值对比

注：① 恢复时间指恢复到额定转速的98%，即转速恢复到588～612范围内。

图12　突卸110%负荷转速及齿条响应仿真结果

从图12可以看出，当负载突然变为零时，柴油发电机转速迅速提高，此时调速器开始起作用，迅速做出加速判断减小油泵齿条开度，减少供油使转速稳定。计算值与试验值对比如表4所示。从结果可以看出，突卸110%负荷的仿真结果与试验值基本一致。

表4　突卸110%负荷瞬态计算参数试验值和仿真值对比

3.2.3超速保护过程仿真校验

将柴油发电机转速从600 r/min开始计算，先逐步将柴油发电机加载至100%负荷，待转速稳定后，为了模拟柴油发电机的超速过程，将调速器模型中的目标转速调高至700 r/min，当转速达到超速保护设定值112%额定转速即672 r/min时，通过逻辑判断模块将负载模块的输出和PID的输出值直接切换至0，总的计算时间设定为120 s，转速及油门齿条相对位移如图13所示。

图13　超速保护动作时转速及齿条响应仿真结果

从图13可以看出，当柴油发电机转速达到672 r/min，超速保护开始动作，柴油发电机出口断路器分闸，负荷全部卸掉，油泵齿条开度切换至0，断油使柴油发电机停机，柴油发电机转速在惯性带动及机械摩擦损失下转速逐步降至0，用时约65 s，与实际情况基本一致。

4　结论

采用SPEED软件建立了12PC2-6B柴油发电机的仿真模型，根据调速器的实际控制算法建立了调速器的仿真模型。通过12PC2-6B柴油发电机出厂试验的试验数据对所建立的仿真模型进行了校准，并通过仿真模拟了12PC2-6B柴油发电机组出厂试验实际的瞬态试验过程，得出了以下结论：

（1）柴油发电机增压压力、缸内爆压、油耗等参数的计算值和试验值的误差均在可接受的误差限5%以内，仿真精度满足要求。

（2）仿真模拟了柴油发电机组在起动、加载、卸载、超速保护过程中的响应，瞬态仿真的转速响应与试验结果一致，瞬态仿真中各主要性能参数的误差均在10%以内，满足柴油发电机电子调速器开发过程对柴油发电机瞬态仿真模型精度的要求，验证了电子调速器控制算法的准确性。

［1］ 亓骥才．涡轮增压柴油机瞬态特性影响规律研究［D］．上海交通大学，2013.

［2］ 张淑兴．应急柴油发电机组仿真研究［D］．大连理工大学，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］ 徐荣，梁慧茹，王贺春．应急柴油发电机组的建模与瞬态仿真［J］．内燃机，2014（3）：7-10.

［5］ 温进超，李宝强．基于PID控制方法的电子调速器在柴油机上的应用［J］．广东造船，2013（6）．

［6］ 周松．内燃机工作过程仿真技术［M］．北京航空航天大学出版社，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

国家重大科技专项（编号：2019ZX06002025）

王 玥（1987—），男，上海市人，工程师，现从事核电厂应急/备用电源方面研究