核電廠應急柴油發電機組調速器參數整定分析

李 震，林羅波，董毓暉，朱興文，邢艷平

（華能山東石島灣核電有限公司，山東 威海 264300）

關鍵字：核電廠；應急柴油發電機組；調速器；同期模式；孤島模式

0 引言

根據核電廠運行的特殊性和安全性等特點，核電廠內配置的柴油發電機組作為核電廠失去廠外正常電源后，提供可靠安全電力，以確保反應堆安全停堆，防止正常地外部電源系統失電導致其他重要設備損壞。因此，要求柴油發電機組具有可靠性、穩定性、低運維和快速啟動等特點。調速器作為應急柴油發電機組速度控制系統中的重要設備，其選型和參數選取至關重要，要求其調速性能穩定、靈敏且可靠，所以選型必須要符合工程特點，參數配置要滿足機組技術要求。

1 柴油發電機組調速系統

柴油機調速器的作用是通過執行機構改變油量調節機構位置，進而改變循環供油量，將柴油機的轉速調節到設定的轉速范圍，維持柴油機轉速穩定。調速器根據自身控制原理，可分為機械式調速器、液壓式調速器和電子式調速器。機械調速器直接利用飛重產生的離心力去拉動油量調節機構以調節柴油機的轉速，但控制精度較低，目前已很少使用［1］；液壓調速器利用飛重產生的離心力控制一個功率放大元件，再利用其液壓作用所產生的更大動力去拉動油量調節機構來調節柴油機轉速；電子式調速器將轉速傳感器采集的轉速信號傳送至控制器，控制器通過比較分析實時轉速信號和設定轉速，計算并輸出電流或電壓信號至執行器，驅動油量調節機構來調節柴油機轉速［2］。由于發電機組對轉速控制要求很高，為滿足工作要求發電柴油機主要采用液壓式調遙器和電子調速器。電子調速系統主要包括轉速傳感器，電子調速器的控制器和執行機構電子調速器具有控制精度高、結構簡單的特點，已經成為調速器的主流發展方向［3］。柴油發電機調速控制原理如圖1所示。

圖1 柴油發電機調速控制原理

2 示范工程應急柴油發電機組調速系統

高溫氣冷堆示范工程（以下簡稱示范工程）是兩臺反應堆帶一臺汽輪發電機發電，應急電力系統按照每個反應堆兩個緊急停堆和專設安全設施負荷組的劃分而設置為兩個獨立的安全供電序列。每個序列設置一段應急母線，每段應急母線配置一臺應急柴油發電機組。應急柴油發電機采用電子調速和機械調速，電子調速控制器采用S.E.M.T.PIELSTICK 型號E19600 速度控制器。應急柴油發電機組分為應急模式和非應急模式，應急模式機組啟動分為遠方手動、遠方自動和就地啟動方式，非應急模式機組啟動只有就地試驗位啟動方式，同期并網只能在就地試驗模式下進行。

2.1 技術參數及同期帶載方式

示范工程應急柴油發電機組參數額定容量是1 750 kVA，功率因數0.8，額定功率1 400 kW，輔機配電負荷中3臺風冷冷卻風機（每臺功率30 kW），兩臺排熱風機（每臺功率11 kW），共112 kW。柴油發電機除供輔機配電負荷外，還有1 288 kW，而應母線的正常進線的堆變的額定容量是1 250 kVA，額定功率是1 000 kW，即應急母線提供的負荷小于1 288 kW，同時基于對堆變反沖運行方式的安全性考慮，不能讓堆變承擔過多功率，所以柴油發電機并網的同時，還需要額外接入臨時負載箱，進行柴油發電機并網及帶載試驗驗證。帶臨時負載箱接線如圖2 所示。這樣就導致示范工程同期帶載方式比較復雜，這也是對柴油發電機機組并網后調速系統性能是否合格的考驗［3］。

圖2 帶臨時負載箱接線

2.2 發電機組調速方式

示范工程柴油發電機組技術規格書對調速器的性能有做具體的要求。柴油發電機組調速系統有孤島運行和同期運行兩種工作模式。在應急工作模式下，機組需要在20 s 內達到電壓頻率合格要求（f>0.98fn，fn=50 Hz；U>0.95UN，UN=400 V）后帶載，機組以孤島模式單機運行，只帶應急母線負荷，不與電網聯網。

2.2.1 孤島模式

孤島模式時，以柴油機轉速為控制目標，將柴油機轉速維持恒定，不隨所帶負載變化而改變，負載速度曲線如圖3所示。

圖3 孤島模式負載速度曲線

2.2.2 同期模式

同期模式時，在非應急工作模式下，就地試驗位置，可以實現同期并網功能。此時，柴油機轉速與負載是一條斜率為負的下垂（Droop）線性曲線，機組轉速將隨負載的“增加/減少”而“降低/升高”，負載速度曲線如圖4所示。

圖4 同期模式負載速度曲線

在同期模式，負載速度曲線是一條斜率為負的斜線，而電網頻率是一條直線，兩個直線相交的交點就是柴油發電機同期并網運行的平衡點。

1）同期模式下手動升降速與機組輸出功率變化關系。

示范工程應急柴油發電機組在同期模式，以初始功率10%同期并網，假設電網頻率為50 Hz，柴油機轉速與電網頻率保持一致（1 000 r/min），如圖5 所示。并網后柴油機工作在平衡點A點，并網后柴油機轉速維持在1 000 r/min 不變，斜線表示柴油機在下垂（Droop）模式下的速度設定曲線，斜線與縱軸的交點即為調速器的速度設定點［4］。

圖5 同期模式下手動升降速曲線

如果手動旋轉升速旋鈕，柴油機的下垂（Droop）曲線將水平向上移動至“+手動升速”曲線位置，速度設定線與柴油機實際轉速（并網后柴油機轉速不變）相交在B點，在橫坐標上為柴油機輸出功率將增加到D值。

相反，如果手動選擇降速旋鈕，柴油機的下垂（Droop）曲線將水平向下移動至“-手動降速”曲線位置，速度設定線與柴油機實際轉速（并網后柴油機轉速不變）相交在C點，在橫坐標上為柴油機輸出功率將減少到E值。

這就是手動調節機組轉速旋鈕從而改變機組輸出有功增加的原理，手動增減速，實際上是使下垂（Droop）曲線上下水平移動，改變機組并網后的平衡點。

2）同期模式下電網頻率變化與機組輸出功率變化關系。

示范工程應急柴油發電機組在期模式以初始功率10%并網，假設電網頻率為50 Hz，并網后柴油機工作在平衡點A點，如圖6所示。

圖6 同期模式下電網頻率與負載曲線

當電網頻率上升至50.1 Hz（對應1 002 r/min）時，即升至“+電網頻率上升”曲線位置，柴油機在沒有進行手動干預情況下，下垂（Droop）曲線不變，電網頻率曲線與柴油機下垂（Droop）曲線交點上移至C點，柴油機轉速上升至1 002 r/min，輸出功率降至E值。

相反，當電網頻率下降至49.9 Hz（對應998 r/min）時，即升至“-電網頻率下降”曲線位置，柴油機在沒有進行手動干預情況下，下垂（Droop）曲線不變，電網頻率曲線與柴油機下垂（Droop）曲線交點上移至B點，柴油機轉速下降至998 r/min，輸出功率升至D值。

由此可知，柴油機調速器在并網工作模式時，沒有手動干預下，外電網的頻率波動會引起柴油機組的有功功率輸出變化［5］。

2.3 發電機組同期并網試驗問題分析

示范工程在2 號柴油發電機組同期并網試驗期間，一次同期并網試驗，同期并網后，有功功率沖擊很高，最高達300 kW，同時又出現逆功率負3.01 kW，有功功率波形如圖7所示。

圖7 并網試驗有功功率波形

2.3.1 有功功率沖擊過高

在同期模式下柴油發電機，在同期并網后向電網發出有功功率，在同期并網時要求柴油發電機頻率高于電網頻率，即同期正頻差，設定初始功率，使機組快速達到初始功率。示范工程初始功率是10%（140 kW）。

初步分析，造成這種現象有兩種原因，第一種是同步器中頻率同步的設定值偏大，造成了并網時刻機組頻率超前較多；二是并網后電網頻率下降或者機組收到了升速信號，造成機組有功功率的上升。

檢查同步器設定值在正常取值范圍，并對并網前錄波顯示，機端頻率與電網頻率差與同步器設定值能夠匹配，原因一排除。

針對第二種原因，開展檢查，核對并網后的儀控邏輯及電路工作情況，邏輯步有防逆功措施，該邏輯為并網開關合閘后機組自動升速至10%功率。實際電路實現路徑為采樣儀表、數據傳遞、PLC 運算及指令輸出。整個過程存在累計的時間延遲，機組最終停留的功率肯定會高于預設值10%。采取優化措施為修正機組自動帶載功率的設定值為3%，并且增加機組的調節系數至6%。

根據示范工程同期并網特點，將初始功率改為3%，在后續同期并網試驗數據可以看出并網時刻有功功率沖擊114 kW左右，可以接受。

2.3.2 同期并網出現逆功率

柴油發電機組在同期模式，負載速度下垂（Droop）曲線，斜率為調差系數

式中：?f為機組頻率變化率；?P為機組功率變化率。

出現逆功率的負載速度曲線如圖8 所示。當機組的調差系數Kc1，并網時機組頻率低于電網頻率，在并網時電網頻率為電網頻率2，機組在運行在B點，機組會出現逆功率；當并網后電網頻率降至頻率1，機組以初始功率10%運行在A點平衡點穩定運行。造成逆功率原因是，一是調差系數太小，斜率太平緩，受電網頻率升降機組負載響應變化很大，若并網瞬間，電網頻率升高，導致平衡點在功率負半軸，會出現逆功率；二是機組空載轉速設定值太小，比電網頻率高但高的余量不足，沒有躲過電網頻率變化范圍，導致并網時，可能出現電網頻率高于機組頻率出現逆功率。

圖8 出現逆功率的負載速度曲線

在示范工程24 h 同期及帶載試驗期間（帶載100%負荷22 h和帶載110%負荷2 h）根據對電網頻率錄波看出，電網頻率變化范圍是49.975～50.051 Hz。機組空載設定轉速為1 022 r/min，根據試驗得出機組滿功率時轉速是999.804 r/min。調速器手動升降速設定值為5 r/min。

調節系數公式

式中：Droop為調節系數；Nset為機組空載設定轉速；Ne為機組滿載設定轉速。

此時調節系數

在相同的調節系數Droop下，當設定不同的空載轉速限制Nset時，其滿載設定轉速Ne將不同。當其滿載設定轉速Ne超出電網頻率變化范圍，機組將無法輸出其額定最大有功功率［6］。

根據電子調速器E19600 的Droop曲線，可得知某一特定轉速N0，對應有功功率輸出P0的計算公式為

在電網頻率變化范圍是49.975～50.051 Hz，對應機組輸出滿功率變化為1 455.6～1 561 kW，具體計算結果如表1所示。

表1 Droop（2.22%）曲線數據

理論計算輸出滿功率變化為1 455.6～1 561 kW，基本符合帶載110%要求，但是為了減少機組負載波動和提升人員操作的容錯性，需要增大Droop值，減緩電網頻率波動對機組負載的影響。現假設Droop值為6%，機組空載轉速設定為1 060 r/min的情況下，機組的輸出功率數據如表2所示。

表2 Droop（6%）曲線數據

調整Droop值為6%，機組空載轉速設定為1 060 r/min情況下完成機組110%功率平臺的試驗，負載功率變化范圍為1 560.9～1 521.7 kW，負載波動為39.2 kW。理論計算調整后，能夠顯著減少有功功率受電網波動的影響，同時提高機組空載設定轉速，也有效避免并網時刻出現逆功率情況，下面是對調整后數據再次試驗驗證［7］。

2.4 參數整定效果分析

調整Droop值為6%，驗證調整后調速器對柴油機調速器對柴油機轉速控制效果的好壞，這是直接影響機組運轉的穩定和輸出電力的品質。對調速器調節效果的評價也有著一套技術指標，示范工程應急柴油發電機組技術規格書對柴油機電氣技術指標要求如表3所示［8］。

表3 柴油機技術指標要求

在24 h帶載試驗中，以100%負載功率平臺數據計算以上電氣技術指標參數，看是否符合表3 要求，具體數據如表4所示。

表4 帶載試驗數據表 單位：Hz

2.4.1 穩態頻率（速度）調整率δst

穩態速度調整率δwt，是柴油機負載變化前后，機組穩定頻率差值與額定頻率的比［6］。

穩態頻率調整率δwt≤±3%，符合技術規格書要求。

2.4.2 穩態頻率波動率

穩態頻率波動率?，是指柴油機在穩定運轉時頻率變化的過程稱為頻率波動率，是最高頻率與平均頻率的差與平均頻率的比。

穩態頻率波動率?≤0.5%，符合技術規格書要求。

2.4.3 瞬態頻率調整率δst

柴油機在額定工況下穩定運轉，若突然卸去全部負載，測定頻率變化最大值與額定工況頻差值與額定工況頻率比［9］。突卸負載時的瞬態頻率調整率公式為

若柴油機在額定工況運轉時，突加全部負載，額定工況頻率與測定頻率變化最低值差值與額定工況頻率比。突加負載時瞬態頻率調整率公式為

由上述計算可知，突加突卸全部負載時瞬態頻率調整率≤7%，符合柴油發電機技術規格書要求［10］。

3 結語

根據帶載試驗遇到問題和試驗數據，重新調整同期模式下調差系數和空載頻率設定值，按照示范工程應急柴油發電機組技術規格書要求，分析調整參數后調試器性能指標符合要求。針對核電廠運行特點，要求合理配置調速器參數等，使其滿足機組啟動時間、突加突卸負載、轉速恢復時間、孤島和同期模式切換等基本性能，還要保障核電廠失去全部廠外正常電源后，能夠可靠為安全停堆系統及專設安全措施供電。