新聞主題	應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)帶負(fù)載試驗(yàn)方法

 

摘要：應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)容量通常有限，當(dāng)面臨大負(fù)荷突然加載時(shí)，頻率和電壓都會(huì)發(fā)生下降現(xiàn)象。特別是由于柴油發(fā)電機(jī)組在調(diào)試初期，基本不具備帶載額定最大負(fù)載的工況。因此，康明斯公司在本文分析出廠柴油發(fā)電機(jī)帶負(fù)載試驗(yàn)方法以及現(xiàn)場(chǎng)突加試驗(yàn)的工況，探討試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，并測(cè)試其最大負(fù)載以滿足考核要求。此外，負(fù)載測(cè)試還可以檢測(cè)柴油發(fā)電機(jī)組的帶載功率，半/滿載測(cè)試、不平衡負(fù)載能力測(cè)試、突加突減功率測(cè)試、穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率、穩(wěn)態(tài)頻率調(diào)整率、瞬態(tài)電壓調(diào)整頻率、電壓恢復(fù)時(shí)間、瞬態(tài)頻率調(diào)整、頻率恢復(fù)時(shí)間、柴發(fā)持續(xù)運(yùn)行等性能指標(biāo)。

 

一、柴發(fā)負(fù)載測(cè)試方式

 

      柴油發(fā)電機(jī)組作為故障檢修或市政電源停電后的應(yīng)急電源，多數(shù)時(shí)間都處于待機(jī)狀態(tài)，一旦市政電源停電或者發(fā)生故障，柴油發(fā)電機(jī)組就起到了至關(guān)重要的作用。為防止供電故障發(fā)生時(shí)柴油發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)性能故障，加強(qiáng)日常檢測(cè)和建立完善的維護(hù)規(guī)程，定時(shí)規(guī)范地對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行負(fù)載檢測(cè)就顯得格外重要。

      根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)組容量及運(yùn)行要求，以選擇測(cè)試負(fù)載容量為2000kW為例，可供選擇的方案主要有如下3個(gè)模式：

1、移動(dòng)式測(cè)試負(fù)載

      測(cè)試負(fù)載采用車(chē)載移動(dòng)式測(cè)試負(fù)載，需要測(cè)試時(shí)，租用專業(yè)測(cè)試公司的測(cè)試負(fù)載及相應(yīng)測(cè)試設(shè)備。此方案需在柴油發(fā)電機(jī)房三層并機(jī)室預(yù)留測(cè)試負(fù)載接線柜，從接線柜引線纜至一層，并預(yù)留管線至室外測(cè)試點(diǎn)。

2、10KV固定式測(cè)試負(fù)載

      當(dāng)用戶電力設(shè)置為市政電源與柴油發(fā)電機(jī)組成的10KV并網(wǎng)供電系統(tǒng)，測(cè)試負(fù)載需采用10KV電壓等級(jí)的固定式測(cè)試負(fù)載，測(cè)試負(fù)載可安裝于室外。此方案需在柴油發(fā)電機(jī)房預(yù)留10KV測(cè)試負(fù)載接線柜，并從接線柜引10KV電纜經(jīng)由電纜橋架從進(jìn)出線間引至室外測(cè)試負(fù)載處。

3、0.4KV固定式測(cè)試負(fù)載

      本方案中測(cè)試負(fù)載采用0.4KV電壓等級(jí)，負(fù)載容量可選1臺(tái)2000kW或者4臺(tái)500kW，測(cè)試負(fù)載可安裝于室外。此方案需在柴油發(fā)電機(jī)房設(shè)置20/0.4KV降壓變壓器及相應(yīng)低壓出線柜。利用低壓母線槽或低壓電纜經(jīng)由進(jìn)出線間引至室外的測(cè)試負(fù)載。

     以上3個(gè)方案中，方案一的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省造價(jià)但其后期操作繁瑣，每次進(jìn)行測(cè)試時(shí)都需要租用測(cè)試設(shè)備，測(cè)試前后需進(jìn)行電纜連接和拆除的工作，耗費(fèi)大量入力物力，且測(cè)試性能不夠穩(wěn)定可靠。方案二的測(cè)試負(fù)載電壓等級(jí)為20 KV，是直接模擬高壓配電柜的帶載性能，不需設(shè)置降壓變壓器和相關(guān)低壓出線柜，工程相對(duì)簡(jiǎn)單。但后期維護(hù)復(fù)雜，建造成本及維護(hù)費(fèi)用較高，測(cè)試性能與0.4 KV電壓等級(jí)測(cè)試負(fù)載無(wú)太大差異。方案三中0.4 KV電壓等級(jí)模擬測(cè)試發(fā)電機(jī)組并機(jī)升壓（高壓配電柜）又經(jīng)變壓器降壓后的負(fù)載性能，其整體建造成本、后期維護(hù)成本都相對(duì)低廉，在整機(jī)產(chǎn)品測(cè)試性能、絕緣、壽命、安全等方面均有一定優(yōu)勢(shì)，整機(jī)實(shí)用性高，可獨(dú)立對(duì)單臺(tái)發(fā)電機(jī)組周期性帶載測(cè)試和其它低壓帶載測(cè)試。故本例中測(cè)試負(fù)載安裝按照方案三設(shè)計(jì)。

 

 

圖1  柴油發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)組成框圖

圖2  柴油發(fā)電機(jī)突加負(fù)載試驗(yàn)接線圖

 

 

二、優(yōu)化分析

 

      應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組（Emergency Diesel generator,EDG）在核電廠承擔(dān)安全相關(guān)功能，在核電廠失去場(chǎng)外電源時(shí)，需要對(duì)安全廠用負(fù)荷進(jìn)行分級(jí)帶載，以保證反應(yīng)堆堆芯余熱導(dǎo)出，保證3道安全屏障的安全。EDG從出廠試驗(yàn)開(kāi)始，歷經(jīng)多種試驗(yàn)，核電廠內(nèi)的突加負(fù)載試驗(yàn)是對(duì)整個(gè)柴油發(fā)電機(jī)組暫態(tài)特性的考核，是對(duì)調(diào)速器、發(fā)電機(jī)組暫態(tài)電抗以及AVR（Automatical Voltage Regulator，自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器）響應(yīng)特性進(jìn)行詳細(xì)錄波分析的一種試驗(yàn)。

      應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)容量有限，當(dāng)突然加載較大負(fù)荷時(shí)，發(fā)電機(jī)的頻率和電壓均會(huì)出現(xiàn)下降。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的突加負(fù)載試驗(yàn)，考核EDG綜合性能，驗(yàn)證突加負(fù)載能力是否滿足實(shí)際需求。

1、試驗(yàn)負(fù)荷的選取

      按照IEEE 387的規(guī)范要求，需要啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)在應(yīng)急運(yùn)行期間最大的負(fù)荷。由于在調(diào)試期間，以VVER（Water Water Ener原getic Reactor，水—水動(dòng)力反應(yīng)堆）機(jī)型為例，EDG帶載的最大負(fù)荷為L(zhǎng)AS泵（Emergency Feed Pump，應(yīng)急補(bǔ)水泵）800 kW，在蒸汽發(fā)生器失去正常補(bǔ)水后為其提供應(yīng)急補(bǔ)水，保證堆芯的余熱導(dǎo)出，而蒸汽發(fā)生器的整個(gè)管線可用的施工邏輯往往又滯后于EDG可用性的要求，因此現(xiàn)場(chǎng)僅采用小流量試驗(yàn)。小流量試驗(yàn)的缺點(diǎn)是負(fù)載小于實(shí)際負(fù)載。但從試驗(yàn)的特性來(lái)說(shuō)，該試驗(yàn)更側(cè)重于對(duì)于發(fā)電機(jī)暫態(tài)電抗和勵(lì)磁系統(tǒng)的考核，調(diào)速器的試驗(yàn)在廠家突加負(fù)載時(shí)能夠足夠證明其可靠性。工廠出廠驗(yàn)收時(shí)，EDG需要

      歷經(jīng)最大為75%額定功率的突加負(fù)載（4210 kW），在該條件下的頻率最大偏差為依5%，且在2 s內(nèi)恢復(fù)。廠家試驗(yàn)時(shí)，考核條件已經(jīng)超過(guò)現(xiàn)場(chǎng)最大單個(gè)負(fù)荷，對(duì)于EDG的暫態(tài)考核，應(yīng)側(cè)重于對(duì)于電壓跌落的考核。EDG制造廠的試驗(yàn)臺(tái)架上不具備800 kW的電機(jī)，通過(guò)阻性水電阻以及并聯(lián)電抗器來(lái)模擬試驗(yàn)負(fù)載，該類型的模擬無(wú)法實(shí)際代表電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程。突加負(fù)載試驗(yàn)更多的應(yīng)從考核無(wú)功的角度考慮，即電壓跌落的深度。使用LAS泵的小流量啟動(dòng)可以接受。

2、試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的選取

      國(guó)內(nèi)的EDG突加試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)有法國(guó)RCCE標(biāo)準(zhǔn)以及德國(guó)KTA標(biāo)準(zhǔn)。RCC—EC2400的標(biāo)準(zhǔn)為：突加負(fù)載時(shí)頻率不應(yīng)下降到額定值的95%以下，電壓不應(yīng)下降到額定值的75%以下。

      按照KTA 3702標(biāo)準(zhǔn)要求，在“Transition voltage deviation during power lever increase”（電源負(fù)載增加期間過(guò)渡電壓的偏差），頻率不應(yīng)低于額定值的95%，電壓不應(yīng)下降到85%以下。KTA標(biāo)準(zhǔn)比RCCE標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格，VVER項(xiàng)目EDG的制造及試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)采用KTA標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)參考KTA3702標(biāo)準(zhǔn)。

 

三、試驗(yàn)

 

1、試驗(yàn)的實(shí)施

      突加負(fù)載并不是單一的試驗(yàn)項(xiàng)目，是一連串連續(xù)試驗(yàn)里的一個(gè)環(huán)節(jié)。驗(yàn)證的是EDG的負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力，是把1臺(tái)接近空載的發(fā)電機(jī)突然加上負(fù)載，驗(yàn)證轉(zhuǎn)速和電壓變化。試驗(yàn)方法是將BE*母線下游帶上盡量多的負(fù)載，然后將EDG并網(wǎng)，并網(wǎng)后的EDG由于調(diào)速器自動(dòng)加載900 kW負(fù)荷，可手動(dòng)減少有功輸出，但是低功率時(shí)的功率很難停留在穩(wěn)定的平臺(tái)。需要就地和主控室配合，當(dāng)觀察到EDG輸出的功率處于低谷時(shí)，主控室果斷斷開(kāi)BE*進(jìn)線斷路器。使得本段母線負(fù)載由電網(wǎng)帶載轉(zhuǎn)移至EDG，觀察進(jìn)線斷路器斷開(kāi)前后的電壓及頻率波動(dòng)。BE*進(jìn)線斷路器分閘使得EDG進(jìn)入應(yīng)急模式，電調(diào)從試驗(yàn)?zāi)Ｊ角袚Q至應(yīng)急模式時(shí)，儀控系統(tǒng)會(huì)給出短暫的停機(jī)脈沖命令。停機(jī)脈沖命令消失后，電調(diào)檢測(cè)到轉(zhuǎn)速會(huì)將柴油發(fā)電機(jī)重新拉到以1560 r/min為起始點(diǎn)的4%Droop （勵(lì)磁下垂控制特性）曲線上。由于AVR不區(qū)分是否并網(wǎng)，它是恒Droop模式，根據(jù)發(fā)電機(jī)的電流調(diào)整發(fā)電機(jī)的端電壓。

      調(diào)試期間，下游的負(fù)載1000 kW，觀察不到電壓發(fā)生顯著的變化。該電流跟電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流相差數(shù)倍，對(duì)于AVR及發(fā)電機(jī)暫態(tài)電抗的特性考核而言比較微弱。

      在EDG進(jìn)入孤島模式后，先停掉LAS泵，然后準(zhǔn)備開(kāi)始突加負(fù)載，就地的錄波器準(zhǔn)備好之后，開(kāi)始倒計(jì)時(shí)錄波，主控人員啟動(dòng)LAS泵。LAS泵啟動(dòng)完畢后，對(duì)電壓跌落深度及恢復(fù)時(shí)間進(jìn)行初步判斷。

2、同源核相與假同期

      EDG的突加試驗(yàn)結(jié)束后，需要將處于孤島運(yùn)行的EDG與外電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)，稱為反同期。并網(wǎng)同期試驗(yàn)前，需進(jìn)行同源核相試驗(yàn)，EDG突加負(fù)載試驗(yàn)接線圖見(jiàn)圖1。經(jīng)歷同源核相試驗(yàn)，才能對(duì)同期回路的正確性做出判斷，否則在二次線接線錯(cuò)誤情況下將使得同期表顯示滿足同期條件，從而對(duì)發(fā)電機(jī)造成巨大傷害。其中同源核相部分，在發(fā)電機(jī)首次啟動(dòng)之前已經(jīng)具備條件。反同期時(shí)BE*母線和BB*母線的同期，也就是兩段PT （Position Transformer，電壓互感器）之間的同期，在BE*上電后，可對(duì)反同期回路進(jìn)行同源核相的確認(rèn)。在同一個(gè)1次電源情況下，確認(rèn)此時(shí)同期表指向12點(diǎn)。

      反同期的前提是同源核相，真正反同期操作前需進(jìn)行1次假同期，即是將進(jìn)線斷路器置于試驗(yàn)位置，然后進(jìn)行合閘。通過(guò)錄波器錄取進(jìn)線斷路器變位反饋以及BE*和BB*包絡(luò)電壓的比較，進(jìn)線斷路器的變位反饋應(yīng)在包絡(luò)電壓的近零點(diǎn)。

      調(diào)試時(shí)，由于反同期表在后備盤(pán)，后備盤(pán)調(diào)試屬于儀控人員，因此EDG調(diào)試人員并未過(guò)多深入后備盤(pán)的回路部分。而且假同期試驗(yàn)時(shí)的試驗(yàn)方法不完整，僅在接近12點(diǎn)時(shí)按下合閘按鈕，未在6點(diǎn)、9點(diǎn)方向嘗試合閘，所以默認(rèn)為同期表的輸出允許接點(diǎn)串在合閘回路當(dāng)中。在后續(xù)的調(diào)試過(guò)程中，多次核實(shí)后發(fā)現(xiàn)同期表的允許接點(diǎn)未串在合閘回路當(dāng)中，將允許接點(diǎn)串入，同期表允許接點(diǎn)串入后，需要校驗(yàn)同期表的允許頻差，按照國(guó)內(nèi)習(xí)慣設(shè)置為（0.1~0.3）Hz，換算成轉(zhuǎn)速為（3~9）r/min?；謴?fù)與外電網(wǎng)連接時(shí)，需要在主控后備盤(pán)操作，硬件按鈕操作送至儀控系統(tǒng)，儀控系統(tǒng)再送至保護(hù)柜，保護(hù)柜再送至電調(diào)/AVR。因此可以明顯察覺(jué)到響應(yīng)滯后，將允許轉(zhuǎn)差調(diào)整到0.15 Hz，也就是接近7 r/min。

      假同期操作過(guò)程中，在6點(diǎn)、9點(diǎn)方向嘗試合閘失敗，在接近12點(diǎn)時(shí)應(yīng)正確動(dòng)作。然后可以將斷路器推入工作位置，開(kāi)始正式的反同期合閘操作，正式合閘過(guò)程中進(jìn)行錄波，分析開(kāi)關(guān)變位與包絡(luò)電壓的關(guān)系，分析假同期時(shí)，兩邊PT電壓存在差異，二次線的長(zhǎng)度不一致，使得包絡(luò)電壓存在固有壓差，在同源核相期間測(cè)量包絡(luò)電壓的固有壓差，以便在假同期時(shí)對(duì)近零點(diǎn)判斷。反同期成功后，停運(yùn)EDG，試驗(yàn)結(jié)束。

 3、參數(shù)隨負(fù)載的變化情況

      圖3是柴油發(fā)電機(jī)逐步增加負(fù)載至滿載后的波形圖。柴油發(fā)電機(jī)增加負(fù)荷就意珠著增加每循環(huán)供油量，所以耗油量G_f隨負(fù)荷的增加而增加，而過(guò)量空氣系數(shù)α隨負(fù)荷的增加而減??；供油量多，放熱也多，使排氣溫度t_r隨負(fù)荷的增加而升高。

      在空負(fù)荷時(shí)，N_e＝0，p_i＝p_m，這時(shí)η_m＝0，所以g_e為無(wú)窮大。隨著負(fù)荷的增加，η_m迅遠(yuǎn)上升，而g_e反而下降。當(dāng)負(fù)荷増加到A點(diǎn)時(shí)，g_e達(dá)到最小值。再繼續(xù)增加負(fù)荷，由于過(guò)量空氣系數(shù)a減小，混合氣形成和燃繞惡化，g_e反而升高。

      排氣煙度隨負(fù)荷的増加而増加，但在低負(fù)荷時(shí)増加緩慢，且低負(fù)荷時(shí)煙度很小，肉眼看不出，通常被認(rèn)為是排氣無(wú)煙。在高負(fù)荷時(shí)，煙度迅速增加：當(dāng)接近最大功率時(shí)，由于a減小，混合氣形成和燃燒惡化，然燒不完全，排氣煙度急劇增加（圖4中B點(diǎn)），此時(shí)燃油消耗率g_e也迅速升高?；钊推咨w等機(jī)件的熱負(fù)荷也迅速增大。如果再繼續(xù)增加供油量，則柴油發(fā)電機(jī)排氣大量冒黑煙，功率反而下降，因此柴油發(fā)電機(jī)存在一個(gè)冒煙極限。為了保證柴油發(fā)電機(jī)安全可靠地運(yùn)行，不允許柴油發(fā)電機(jī)在冒煙極限下工作。

      從圖4中還可以看出，A點(diǎn)g_e最低，但功率較??；B點(diǎn)功率雖高，但g_e也高。從坐標(biāo)原點(diǎn)作一射線與。曲線相切得到切點(diǎn)C，C點(diǎn)的功率N_e與g_e之比值最大，是柴油發(fā)電機(jī)使用最經(jīng)濟(jì)的點(diǎn)。

圖3  多臺(tái)柴發(fā)加載至滿載后波形圖

圖4  柴油發(fā)電機(jī)各參數(shù)隨負(fù)荷變化的情況

 

 

總結(jié)：

      分析應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)突加負(fù)載試驗(yàn)方法，進(jìn)行試驗(yàn)和后期并網(wǎng)，充分的考察柴油發(fā)電機(jī)性能。不應(yīng)拘泥于湊出最大有功負(fù)載，通過(guò)2臺(tái)或者多臺(tái)中壓電機(jī)啟動(dòng)來(lái)模擬LAS泵的真實(shí)帶載，該工況目的是湊出有功功率相近，但該情況下勵(lì)磁機(jī)的無(wú)功功率存在不足，導(dǎo)致過(guò)流保護(hù)動(dòng)作。充分認(rèn)識(shí)同源核相試驗(yàn)的極端重要性，對(duì)于回路及PT差異導(dǎo)致的固有壓差，在EDG并網(wǎng)試驗(yàn)的導(dǎo)前時(shí)間核算時(shí)進(jìn)行考慮。

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