核電廠應急柴油發電機組調速系統特性研究與應用實踐

史佳俊

摘 要應急柴油發電機組是核電廠內的應急電源，調速器作為轉速自動控制系統的核心部分，對柴油發電機組轉速、功率等參數進行控制，是確保整個柴油機系統穩定運行的關鍵設備。本文以秦山第二核電廠應急柴油發電機組調速系統為研究對象，對調速系統的控制機理和工作模式進行了說明，以特性分析為主，結合典型故障案例分析，相關方法可為核電柴油發電機組調速系統調試和故障排查提供指導。

【關鍵詞】應急柴油機 調速器 速降 模式

1 引言

秦山第二核電廠應急柴油機采用法國S.E.M.T PIELSTICK公司生產的16PC2-5V400型多用途大功率柴油機。為了確保核電應急母線的可靠性，應急柴油發電機組必須在10秒內起動并建立起額定電壓和頻率，并按照帶載程序帶載。為滿足以上需求，應急柴油機調速系統選用精度等級較高的電子液壓式調速器，它由電子控制箱和電液執行器兩部分組成，簡稱電調和機調。

2 概述

調速器的作用是在柴油機各種工況運轉中，當外界負荷發生變化時能夠自動調節噴油泵的供油量，以保證柴油機在規定的轉速下穩定運轉。此外，為保證柴油發電機輸出電壓穩定，要求其在規定轉速下恒定運轉。

正常情況下，秦山第二核電廠應急柴油發電機調速系統被電磁傳感器感知的交流信號在電子調速器內被轉換成與原動機轉速成正比的直流電壓信號。轉速設定電壓和實際的轉速電壓在和點處代數相加，轉速設定電壓為正電壓，實際轉速電壓為負電壓。當兩者在和點處相加且數值相等而極性相反時，結果為零，和點平衡，柴油機在一個不變而穩定的轉速下運行。

3 調速系統運行模式

應急柴油機調速系統有三種運行模式：同步模式、液壓模式和速降模式。

3.1 同步模式 -Isochronous mode

秦山第二核電廠應急柴油發電機運行在Isochronous模式下的工況包括每兩月一次的低負荷帶載性能試驗。該模式下應急柴油發電機只能供應急母線段負荷。

該模式下應急柴油發電機保持恒頻恒速運行，與負荷大小無關。此時柴油機與外電網不存在任何聯系，僅僅向應急段母線供電，柴油機的轉速是穩定的。當進行手動加減負荷和程序工步卸載帶載時，負荷的變化將造成柴油機實際轉速的波動，但由于該模式下柴油機的速度設定點是唯一不變的，柴油機通過調節進油量，補償由于負荷變化帶來的速度偏差，最終使柴油機的轉速恢復到額定設定值。Isochronous 模式下柴油發電機運行曲線是一條水平直線。

3.2 液壓模式- Hydraulic mode

在該模式下運行的應急柴油發電機，一旦電調工作電源失去或“看門狗”自檢未通過，柴油機速度將失去正常的速度控制，此時瞬間會自動切換至液壓模式運行，由EGB—50P機械液壓調速器控制調節柴油機速度。該模式是柴油機速度控制的后備保證，同時可實現空載怠速起動，以降低對機械零部件的磨損。

3.3 速降模式-Droop

速降，也稱調速率，是控制系統傳遞環節中的一個重要參數，其大小直接影響到系統的反應速度和穩定性。沒有速降的系統是不穩定的，對于速降的設定要合適，不能太高或太低，一般在3%～5%。需要說明的是，電調和機調均可以對速降進行設定，機調速降的實現是通過內部負荷活塞桿與速敏機構之間的速降連接桿實現的，速降值通過機調端部面板上的“speed droop”旋鈕進行調節。

4 案例分析

4.1 速降模式下，并網瞬間功率下降

4.1.1 事件背景

109大修1LHP電子調速器實施技改更換成E19600裝置后，對其進行功能試驗驗證期間，操作人員通過主控同期小車將1LHP機組并入外網瞬間，有功功率未能保持穩定，同時迅速下降至逆功率保護動作，導致柴油機同外網解列。

4.1.2 事件分析

并網瞬間的初始功率未能保持穩定，原因在于柴油機出力不足。其原動力來自機械調速器的驅動作用，其執行部分通過聯接桿控制高壓油泵。

E19600電子調速器根據出口斷路器的輔助節點開入裝置電信號，從而進入速降模式。并網前，操作人員通過主控同期小車進行發電側和系統側的壓差、頻差和相位差的調節操作，以滿足同期并網條件。并網瞬間，燃油尺條位置在低負荷下非常小，若頻率略微增大至50.02HZ，此時外界不提供原動機增量干預，燃油尺條位置將減小到最小限制值，有功功率將會迅速下降至逆功率保護動作區域，最終導致逆功率保護動作使機組與電網解列。

考慮到外網頻率波動的可能性，操作人員在并網瞬間應立即給予增加速度脈沖信號使有功功率穩定。

4.2 并網后有功無法提升

4.2.1 事件背景

秦山二廠1LHP柴油發電機組在某次并網試驗過程中，其有功功率升至50%PN左右無法再增加，并網試驗不成功。

4.2.2 事件分析

升降有功功率的實質是利用速降原理，通過逐漸開入電調裝置速度設定值脈沖信號來實現。

在電調輸出回路中串接電流表，同時給出增加脈沖，發現電流信號并未發生變化，而現場查看EGB機調速降值在3.7%左右。通過分析可知：柴油機在并網模式Droop情況下，機調作為最終的執行輸出機構，接收電調輸出的電流信號，機調3.7%的速降值會在電調速降未達到滿負荷的情況下，提前達到機調限值，從而造成功率無法再調節增加。

在速降模式下，由于EGB速降定值設置的不合理，導致有功功率增至50%PN時即達到了機調執行器的最大限制，此時功率無法再上升。要解決這一問題，可以通過減小機調速降斜率Droop，或者增大機調速度整定值Speed setting來實現。前者最好設置為0，而后者將導致在運行過程中由于電調失效而切換至液壓模式時，速度和頻率過高。綜上，將機調速降值由3.7%調整至0為最佳選擇。

5 結束語

核電應急柴油機調速系統工作模式多，結構復雜。涉及調速系統的調節和故障排查，國內專業人士均十分謹慎，復雜技術問題仍需向國外技術專家尋求支持，關鍵技術為國外少數專業公司所壟斷。本文以柴油發電機組調速系統特性分析為主線，結合典型故障案例分析，提出了解決問題的方法，為后續調速系統檢修和調試工作積累了經驗。

作者單位

中核核電運行管理有限公司 浙江省海鹽縣 314300