核電應急柴油發電機組加載過程建模與仿真

王賀春，王玥，徐榮，胡松

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

核電應急柴油發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.哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，黑龍江哈爾濱150001；2.陜西柴油機重工有限公司，陜西興平713105）

為了減少核電應急柴油發電機組的開發時間及成本，并滿足核電應急柴油發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的聯合仿真環境，并在此基礎上根據核電站反應堆安全停堆的負荷特性建立了某柴油發電機組的瞬態仿真模型，提出了核電應急柴油發電機組調速系統的增量式PID控制方案，進行了柴油機突加、突減負載的瞬態仿真計算，預測了柴油機在加載過程中的轉速、噴油量、齒條位置等參數的變化。將仿真計算的結果與MAN公司的仿真結果進行了對比分析，對比結果表明所建立的聯合仿真模型具有一定的準確性及良好的動態特性。

應急柴油發電機組；GT?power；Matlab／Simulink；PID；瞬態仿真

核電站遇到突發事件時，需要迅速啟動柴油應急發電機組，對整個核電廠應急供電，使核反應堆保持在安全狀態或及時冷卻停堆。近年我國核電事業有了很大的發展，但應急柴油發電機組卻大部分依賴進口，國產項目尚處于交機階段，未來具有很大的發展空間。應急發電機組應具備在短時間內起動，并達到加載反應堆停堆所需的全部負載的能力，同時要保證發電機終端電壓和頻率的穩定，這對柴油機的加載過程中的負載變化響應提出了嚴格的要求。由于核電應急發電機組在研發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，準確的仿真就顯得尤為必須和重要［1?3］。

Matlab／Simulink建立的調速控制系統模型具有簡便、靈活、控制能力強等特點，且能夠快速準確的建立應急柴油發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雜，開發時間長，而且進行了諸多假設，有些只能夠反映發動機部分參數在控制策略執行時的變化趨勢。而GT?power是進行發動機仿真的專業軟件，由該軟件建立的發動機模型基本能夠全面反映發動機的性能，同時可以大大降低整個仿真系統的開發時間及成本。因此，本文對應急柴油發電機組的瞬態加載過程進行了基于GT?power與Matlab／Simulink的聯合仿真［4］。

1 柴油機模型

GT?power是由Gamma Technologies公司開發的具有發動機工業標準的模擬仿真軟件，它是基于管內一維流動和缸內容積法進行分析計算的，可以較為準確的模擬不同工況下發動機的性能變化。本文應用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 調速器及負載加載模型

柴油機調速器及負載加載模型利用Matlab／Simulink軟件建立。Simulink是一種基于Matlab的框圖設計環境，是實現動態系統建模、仿真和分析的一個軟件包，具有適應面廣、結構和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優點，因此Simulink已被廣泛應用于控制系統和數字信號處理的復雜仿真和設計［5］。

2.1 調速器控制模型

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

圖2 調速器模型流程圖Fig.2 The flow chart of speed controller model

PID控制器是根據誤差的比例、積分和微分進行控制，由于該仿真模型龐大，瞬態加載過程多，而傳統位置式PID控制的輸出與整個過去的狀態有關，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的運算有很大影響；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，在微小誤差下仍可保持原位，因此本模型調速系統使用增量式PID［6?10］。增量式PID數學模型為

式中：R（k）為控制系統輸出，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，Td為微分時間常數。

2.2 負載加載模型

在應急柴油發電機組的瞬態仿真中，要通過數學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，應用負載系數，在已知的定負荷基礎上，使負載隨時間以如圖3所示曲線的趨勢變化。負載系數的數學模型為

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

圖3 負載系數變化曲線Fig.3 The curves of load factor

圖4 負載加載結果Fig.4 The curves of load results

3 聯合仿真平臺的建立

GT?power與Simulink的耦合是通過GT?power中的控制模塊實現的，其中包括SimulinkHarness、SensorConn（傳感器）、ActuatorConn（執行器）。該GT?power模型中的柴油機轉速、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，轉速信號通過PID整定得到齒條位置信號，然后根據齒條位置及轉速查表可得到每缸每循環噴油量，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果；負載及調速器中的每缸每循環噴油量作為輸出信號由Simulink模型傳送至SimulinkHarness，并經過ActuatorConn分別施控于GT?power模型中的扭矩模塊及噴油器模塊。其模塊關系圖如圖5所示。

在進行聯合仿真計算時，該柴油機的GT?power模型相當于Simulink模型中的一個S函數動態模塊，數據通過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模型中的參數在每個采樣周期被讀取一次，并通過函數的調用傳遞到GT?power模型中。聯合仿真模型如圖6所示。

圖5 聯合仿真模塊關系圖Fig.5 The module relation chart of co?simulation

圖6 聯合仿真模型Fig.6 The model of co?simulation

4 仿真結果分析

4.1 仿真計算結果

在應急柴油發電機聯合仿真平臺建立以后，對仿真計算方法和仿真時間進行設置，然后進行計算。以圖4所示的負載進行計算，計算完成后，柴油機轉速曲線、每缸每循環噴油量、噴油泵齒條位置、進氣壓力、柴油機輸出功率等數據保存在Matlab工作空間中，在使用GT?power對柴油機進行仿真時，按每一循環進行計算，打開GT?power的運行結果GT?post，可以查看運行結束時所有模塊的最后一循環的各參數狀態，其結果分別如圖7～圖11所示。圖12和圖13為加載穩定后柴油機缸內壓力與缸內溫度曲線。

從圖4負載的加載結果及圖7的轉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，轉速在突加負載時突降，然后經過調速器調整，噴油量升高，轉速回升，由于在每步加載后期，負載的增長率越來越大，由于調速器滯后于負載的變化，此時轉速又略有下降；在4.85、9.85、14.85、…、39.85、44.85 s負載突降，轉速突升，經調速器調整后噴油量降低，轉速回降；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一致。由此可見，在此種負荷特性下，應急柴油機的轉速、噴油量、輸出功率均有較好動態響應。

圖7 柴油機轉速變化曲線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 缸內溫度變化曲線Fig.13 The curves of temperature in cylinder

4.2 仿真計算結果對比分析

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

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

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

4 結論

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

2）將計算結果與MAN公司的仿真結果進行對比分析，驗證了該聯合仿真模型的準確性，表明了該模型具有更好的動態響應特性，能夠較為準確的預測應急柴油發電機組在負載變化時轉速、噴油量、輸出功率等參數的變化。

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

［1］LIM H G，YANG J E，HWANG M J.A quantitative analysis of a risk impact due to a starting time extension of the emer?gency diesel generator in optimized power reactor?1000［J］.Reliability Engineering and System Safety，2007，92（7）：961?970.

［2］YEAGER K E，WILLIS J R.Modeling of emergency diesel generators in an 800 megawatt nuclear power plant［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，1993，8（3）：433?441.

［3］WAN Weiguo，LI Zhong.Analysis comparison of emergency diesel pump set cooling system schemes［J］.Marine Electric and Electronic Engineering，2011：6?13.

［4］王銀燕，杜劍維，王賀春，等.基于GT?Power與Simulink的發動機及其控制系統仿真［J］.系統仿真學報，2008， 20（16）：4379?4381.WANG Yinyan，DU Jianwei，WANG Hechun，et al.Simu?lation of engine and control system based on GT?Power and Simulink［J］.Journal of System Simulation，2008，20（16）：4379?4381.

［5］李穎，朱伯立，張威.Simulink動態系統建模與仿真基礎［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2004：91?141.LI Ying，ZHU Boli，ZHANG Wei.Dynamic system modeling on Simulink and simulation theory［M］.Xidian：Xidian Uni?versity Press，2004：91?141.

［6］宋百玲，宋恩哲.應用Simulink對M851型柴油機調速系統建模與仿真［J］.哈爾濱工程大學學報，2004，25（4）：4?14.SONG Bailing，SONG Enzhe.Modeling and simulating for diesel's speed governor system of M851 by Simulink［J］.Journal of Harbin Engineering University，2004，25（4）：4?14.

［7］黃曼磊，唐嘉亨.柴油機調速系統的數學模型［J］.哈爾濱工程大學學報，1997，18（6）：20?25.HUANG Manlei，TANG Jiaheng，GOU Zhenming.The mathematical model of diesel engine speed regulation system［J］.Journal of Harbin Engineering University，1997，18（6）：20?25.

［8］宋恩哲，陸平，孫軍，等.多功能數字式電子調速器的實驗研究［J］.哈爾濱工程大學學報，2004，25（4）：482?486.SONG Enzhe，LU Ping，SUN Jun，et al.Research on multi -function digital electronic speed governor R082［J］.Jour?nal of Harbin Engineering University，2004，25（4）：482?486.

［9］石勇，齊自達，張連瑜，等.CMAC復合PID在柴油發電機組轉速控制中的應用［J］.內燃機學報，2012，30（6）：563?568.SHI Yong，QI Zida，ZHANG Lianyu，et al.Application of CMAC neural network coupled with PID controller on speed control of diesel generating set［J］.Transactions of CSICE，2012，30（6）：563?568.

［10］張淑興.應急柴油發電機組仿真研究［D］.大連：大連理工大學，2009：6?12.HANG Shuxing.Research on simulation of emergency diesel generator set［D］.Dalian：Dalian University of Tech?nology，2009：6?12.

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.網絡出版時間：2015?04?28.

工信部基礎研究基金資助項目（4010103010402）.

王賀春（1979?），男，講師，博士.

王賀春，E?mail：wanghechun＠hrbeu.edu.cn.