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核电应急柴油发电机组加载过程建模与仿真

2020-10-14
来源: 礼德动力

核电站遇到突发事件时,需要迅速启动柴油应急发电机组,对整个核电厂应急供电,使核反应堆保持在安全状态或及时冷却停堆。近年我国核电事业有了很大的发展,但应急柴油发电机组却大部分依赖进口,国产项目尚处于交机阶段,未来具有很大的发展空间。应急发电机组应具备在短时间内起动,并达到加载反应堆停堆所需的全部负载的能力,同时要保证发电机终端电压和频率的稳定,这对柴油机的加载过程中的负载变化响应提出了严格的要求。由于核电应急发电机组在研发过程中无法进行启动和加载试验,并且又对启动和加载时间有着严格的要求,准确的仿真就显得尤为必须和重要[1⁃3]

Matlab/Simulink建立的调速控制系统模型具有简便、灵活、控制能力强等特点,且能够快速准确的建立应急柴油发电机组的多种变负荷加载模型,但是基于Matlab/Simulink的柴油机整机模型程序复杂,开发时间长,而且进行了诸多假设,有些只能够反映发动机部分参数在控制策略执行时的变化趋势。而GT⁃power是进行发动机仿真的专业软件,由该软件建立的发动机模型基本能够全面反映发动机的性能,同时可以大大降低整个仿真系统的开发时间及成本。因此,本文对应急柴油发电机组的瞬态加载过程进行了基于GT⁃power与Matlab/Simulink的联合仿真[4]

1 柴油机模型

GT⁃power是由Gamma Technologies公司开发的具有发动机工业标准的模拟仿真软件,它是基于管内一维流动和缸内容积法进行分析计算的,可以较为准确的模拟不同工况下发动机的性能变化。本文应用GT⁃power软件对某柴油机进行建模仿真,该机为四冲程、18缸、双废气涡轮增压器带中冷器、MPC排气管。该柴油机的整机仿真模型如图1所示。

图1 柴油机的GT⁃power整机模型
Fig.1 Diesel engine model based on GT⁃power

2 调速器及负载加载模型

柴油机调速器及负载加载模型利用Matlab/Simulink软件建立。Simulink是一种基于Matlab的框图设计环境,是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包,具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点,因此Simulink已被广泛应用于控制系统和数字信号处理的复杂仿真和设计[5]

2.1 调速器控制模型

调速器模型简化为PID模型和喷油量模型,本文采用的调速器模型示意图如图2所示。根据期望转速和实际转速的差值,经PID整定求解得到柴油机的喷油泵齿条位置R。喷油量模型是根据喷油特性曲线换算成柴油机转速和齿条位置的二维数组m=f(n,R),查表求得实际循环喷油量m。

图2 调速器模型流程图
Fig.2 The flow chart of speed controller model

PID控制器是根据误差的比例、积分和微分进行控制,由于该仿真模型庞大,瞬态加载过程多,而传统位置式PID控制的输出与整个过去的状态有关,用到了误差的累加值,在仿真计算后期,误差的累加会对系统的运算有很大影响;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,在微小误差下仍可保持原位,因此本模型调速系统使用增量式PID[6⁃10]。增量式PID数学模型为

式中:R(k)为控制系统输出,e(k)为期望值与实际值之间的控制误差,Kp为比例增益,Ti为积分时间常数,Td为微分时间常数。

2.2 负载加载模型

在应急柴油发电机组的瞬态仿真中,要通过数学模型来代替实际中电感负载的负荷变化。在整个加载过程中,应用负载系数,在已知的定负荷基础上,使负载随时间以如图3所示曲线的趋势变化。负载系数的数学模型为

式中:k对应图3中的横坐标,代表仿真时间t与每步加载用时T(3 s)的比值,P(k)对应图3中的纵坐标,为实际负载P与已知定负荷Pn的比值,即负载系数。通过将每步加载的已知定负荷与不同时刻对应的负载系数相乘,即可求得对应时刻的实际负载,以某种工作状态下的结果进行加载如图4所示。

图3 负载系数变化曲线
Fig.3 The curves of load factor

图4 负载加载结果
Fig.4 The curves of load results

3 联合仿真平台的建立

GT⁃power与Simulink的耦合是通过GT⁃power中的控制模块实现的,其中包括SimulinkHarness、SensorConn(传感器)、ActuatorConn(执行器)。该GT⁃power模型中的柴油机转速、扭矩、进排气温度、压力等信号通过SensorConn连接到SimulinkHarness上,并传送至Simulink模型中,转速信号通过PID整定得到齿条位置信号,然后根据齿条位置及转速查表可得到每缸每循环喷油量,柴油机输出功率、进气温度、排气温度等信号则直接输送到Matlab的工作空间,这样可以方便的保存计算结果;负载及调速器中的每缸每循环喷油量作为输出信号由Simulink模型传送至SimulinkHarness,并经过ActuatorConn分别施控于GT⁃power模型中的扭矩模块及喷油器模块。其模块关系图如图5所示。

在进行联合仿真计算时,该柴油机的GT⁃power模型相当于Simulink模型中的一个S函数动态模块,数据通过SimulinkHarness模块传递。在GT⁃power中的信号反馈到Simulink之前,GT⁃power模型进行一次计算,Simulink模型中的参数在每个采样周期被读取一次,并通过函数的调用传递到GT⁃power模型中。联合仿真模型如图6所示。

图5 联合仿真模块关系图
Fig.5 The module relation chart of co⁃simulation

图6 联合仿真模型
Fig.6 The model of co⁃simulation

4 仿真结果分析

4.1 仿真计算结果

在应急柴油发电机联合仿真平台建立以后,对仿真计算方法和仿真时间进行设置,然后进行计算。以图4所示的负载进行计算,计算完成后,柴油机转速曲线、每缸每循环喷油量、喷油泵齿条位置、进气压力、柴油机输出功率等数据保存在Matlab工作空间中,在使用GT⁃power对柴油机进行仿真时,按每一循环进行计算,打开GT⁃power的运行结果GT⁃post,可以查看运行结束时所有模块的最后一循环的各参数状态,其结果分别如图7~图11所示。图12和图13为加载稳定后柴油机缸内压力与缸内温度曲线。

从图4负载的加载结果及图7的转速变化曲线可以看出,在2、7、12、…、37、42 s突加负载,每步的加载时间为3 s,转速在突加负载时突降,然后经过调速器调整,喷油量升高,转速回升,由于在每步加载后期,负载的增长率越来越大,由于调速器滞后于负载的变化,此时转速又略有下降;在4.85、9.85、14.85、…、39.85、44.85 s负载突降,转速突升,经调速器调整后喷油量降低,转速回降;从图4和图11可以看出柴油机的输出功率和负载的变化响应一致。由此可见,在此种负荷特性下,应急柴油机的转速、喷油量、输出功率均有较好动态响应。

图7 柴油机转速变化曲线
Fig.7 The curves of rotation speed

图8 喷油泵齿条位置变化曲线
Fig.8 The curves of fuel rack position

图9 每缸每循环喷油量变化曲线
Fig.9 The curves of fuel injection quantity

图10 进气压力变化曲线图
Fig.10 The curves of intake pressure

图11 柴油机输出功率变化曲线
Fig.11 The curves of engine power

图12 示功图
Fig.12 The indicator diagram

图13 缸内温度变化曲线
Fig.13 The curves of temperature in cylinder

4.2 仿真计算结果对比分析

为了验证所建立的瞬态模型的准确性及实用性,将仿真计算结果与MAN公司在相同负载下的仿真结果进行了对比。图14为柴油机转速随时间的变化对比曲线图。

图14 仿真结果与MAN公司计算的转速变化对比Fig.14 The contrast curve of rotation speed between
this model and MAN

转速瞬态调整率和稳定时间是应急柴油发电机组的重要电气性能指标。通过图14的对比分析可知,2种结果的柴油机转速变化趋势一致,不同的是每步加载过程中柴油机转速波动的幅度及加载后转速的稳定时间。在每步的突加、突减负载时,该模型仿真计算的柴油机转速下降或上升幅度均小于MAN公司的仿真结果,所以转速瞬态调整率就更小,转速回稳速度更快,波动也更小,转速曲线更平滑稳定,显示了更好的调速特性;在最后两步加载后,其转速分别于37、47 s恢复稳定,而后者在37.7、47.7 s恢复稳定,本模型计算的转速稳定时间略优于MAN公司仿真结果。综上可知,该联合仿真平台所建立的模型具有一定的准确性,且动态响应特性略优。

4 结论

1)建立了核电应急柴油发电机组在GT⁃power与Matlab/Simulink的联合仿真环境下的瞬态模型,能够利用专业的柴油机仿真模型和灵活的控制方式,对核电应急柴油机发电机组在多种变负荷加载时进行仿真计算。

2)将计算结果与MAN公司的仿真结果进行对比分析,验证了该联合仿真模型的准确性,表明了该模型具有更好的动态响应特性,能够较为准确的预测应急柴油发电机组在负载变化时转速、喷油量、输出功率等参数的变化。

3)该仿真平台的柴油机模型采用了非线性的GT⁃power模型,柴油机性能参数计算完整、可信,仿真计算结果能够模拟在瞬态加载过程中柴油机的参数变化,为柴油机的选型、调整提供依据。