應(yīng)急柴油發(fā)電機組的建模與瞬態(tài)仿真

應(yīng)急柴油發(fā)電機組的建模與瞬態(tài)仿真【摘要】本文建立了某柴油發(fā)電機組柴油機的瞬態(tài)仿真模型，在Matlab/Simulink仿真平臺編制了仿真計算程序，根據(jù)核電站反應(yīng)堆安全停堆的負荷特性，進行了柴油機突加負載瞬態(tài)仿真計算，預(yù)測了柴油機的轉(zhuǎn)速、噴油量、進氣壓力以及齒條位置等參數(shù)的變化。將計算結(jié)果與國外某公司的計算結(jié)果進行了對比分析，驗證了所建立仿真模型的準確性及實用性?！娟P(guān)鍵詞】柴油機；發(fā)電機組；瞬態(tài)；建模；仿真引言核電站遇到突發(fā)事件時，需要迅速啟動柴油應(yīng)急發(fā)電機組，對核反應(yīng)堆進行及時冷卻停堆，以避免重大事故的發(fā)生，這對柴油機的加載過程中的負載變化響應(yīng)提出了嚴格的要求。在機組設(shè)計時，必須根據(jù)反應(yīng)堆安全停堆負荷特性對機組的啟動及瞬態(tài)加載能力進行模擬。本文建立了某柴油發(fā)電機組柴油機的瞬態(tài)仿真模型，在Matlab/Simulink仿真平臺編制了仿真計算程序，根據(jù)某核電站反應(yīng)堆安全停堆的運行特性，進行了柴油機加載過程的仿真模擬研究。1柴油機仿真的數(shù)學(xué)模型1.1柴油機氣缸內(nèi)的基本方程假定氣缸內(nèi)的工質(zhì)在任意時刻都是混合均勻的，各處的壓力、溫度和成分都相同，則可用壓力、溫度及質(zhì)量三個基本參數(shù)表示缸內(nèi)氣體的狀態(tài)，即能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程及狀態(tài)方程，聯(lián)立求解可得到氣缸內(nèi)溫度Tz對曲軸轉(zhuǎn)角的變化率：式中Vz為氣缸工作容積，Qf為燃料燃燒的放熱量，Qw為通過氣缸壁的傳熱量，ms，mz為流入流出氣缸的工質(zhì)質(zhì)量。1.2燃油燃燒放熱規(guī)律本文所計算的是中高速柴油機，故選用雙韋伯函數(shù)代用燃燒放熱規(guī)律：雙韋伯函數(shù)把預(yù)混合燃燒與擴散燃燒分開考慮，dx1/d代表預(yù)混合燃燒，dx2/d代表擴散燃燒，兩種燃燒的持續(xù)期分別為zp與zd，T=zp/代表預(yù)混合燃燒領(lǐng)先角，Qp代表預(yù)混合燃燒的燃料分數(shù)，Qd代表擴散燃燒的燃料分數(shù)，Qp+Qd=1。1.3燃燒室周壁的熱傳導(dǎo)工質(zhì)與氣缸蓋底面、活塞頂面和氣缸套的表面等燃燒室諸壁面進行換熱。根據(jù)工質(zhì)對燃燒室周壁的瞬時平均換熱系數(shù)aw和壁面的平均溫度Tw，按傳熱學(xué)中的牛頓公式，計算燃燒室周壁傳熱率：式中，n為柴油機轉(zhuǎn)速；w為瞬時平均傳熱系數(shù)，采用Woschni公式計算；Ai為換熱面積；Tz為氣缸內(nèi)工質(zhì)瞬時溫度；Tw為壁面的平均溫度；i為1、2、3分別指氣缸蓋、活塞和氣缸套。1.4進排氣閥的流量通過進、排氣閥流入或流出氣缸的流動視為準穩(wěn)定流動。在進氣閥處的流動，均為亞音速流動。通過進氣閥的流量為：亞臨界流動時通過排氣閥的流量為：超臨界流動時通過排氣閥的流量為：式中，kz、ke為氣缸、排氣管內(nèi)氣體的絕熱指數(shù)；Rz、Rs為氣缸、進氣管內(nèi)氣體的氣體常數(shù)；Fs、Fe為進、排氣閥的幾何截面積；卜、”為進、排氣閥的流量系數(shù)，其值采用試驗數(shù)據(jù)。1.5渦輪增壓器的計算模型在仿真中，將渦輪簡化為一個節(jié)流噴嘴，渦輪的扭矩為：壓氣機的扭矩可由能量方程求得：增壓器轉(zhuǎn)速可由角動量守恒方程求得：式中，Tti、Tc1為渦輪進口溫度和壓氣機進口溫度；t、c為渦輪效率、壓氣機效率；nt、nc為渦輪轉(zhuǎn)速、壓氣機轉(zhuǎn)速；Itk為增壓器轉(zhuǎn)動慣量。1.6曲軸動力學(xué)模型在加速及突然加載過程中，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在一個較大的范圍內(nèi)變化。發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化可通過動力學(xué)扭矩平衡方程求得：式中，n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速；Je、JL分別為發(fā)動機部分及負載的轉(zhuǎn)動慣量；Ni、Nm、NL分別為發(fā)動機的指示功率、摩擦功率、負載的功率。1.7PID調(diào)速器控制模型PID控制器根據(jù)偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進行控制，PID控制器數(shù)學(xué)模型為:式中，R(t)為控制系統(tǒng)輸出；e(t)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(shù)；TD為微分時間常數(shù)。調(diào)速器模型簡化為PID模型和噴油量模型。輸入?yún)?shù)為期望轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速，輸出參數(shù)為齒條格數(shù)R，設(shè)定參數(shù)為比例增益、積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)。噴油量模型是根據(jù)噴油特性曲線換算成柴油機轉(zhuǎn)速和齒條格數(shù)的二維數(shù)組gf=f(n，R)，查表求得實際循環(huán)噴油量gf。1.8負載加載模型在應(yīng)急柴油發(fā)電機組瞬態(tài)仿真中，負載加載過程是很重要的，尤其是如何能通過數(shù)學(xué)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(yīng)用加載系數(shù)，在已知的定負荷基礎(chǔ)上，使負載隨時間以如圖1所示曲線的趨勢變化，圖中橫坐標T表示加載時間，t為運行時間，縱坐標為實際負載與柴油機額定功率的比值，即加載系數(shù)。圖1負載加載系數(shù)2Simulink仿真模型根據(jù)柴油機工作過程瞬態(tài)數(shù)學(xué)模型，在Matlab/Simulink仿真平臺上，建立了某型柴油機的瞬態(tài)仿真模型。該機為四沖程、1中冷、廢氣渦輪增壓、MPC排氣管。3瞬態(tài)仿真的計算結(jié)果與對比分析在所建立的柴油機瞬態(tài)仿真模型中設(shè)置仿真所需要的系統(tǒng)參數(shù)和模型參數(shù)，并對仿真計算方法和仿真時間進行選取。為了驗證動態(tài)仿真模型的準確性，將仿真計算結(jié)果與國外某公司的相關(guān)結(jié)果進行對比分析，圖2是負載的變化導(dǎo)致柴油機轉(zhuǎn)速隨時間的變化曲線。通過對比分析可知，除了個別時間段的轉(zhuǎn)速波動幅度有一定的偏差，柴油機的轉(zhuǎn)速變化趨勢是一致的。驗證了此仿真模型的準確性和實用性。圖2仿真計算結(jié)果與國外某公司的仿真計算結(jié)果對比圖4結(jié)論通過以上分析，可得出如下結(jié)論：通過將仿真結(jié)果與國外某公司進行對比分析可知，柴油機的轉(zhuǎn)速變化趨勢一致，驗證了此仿真模型的準確性及實用性。柴油機運行過程中，在不同時刻突加負載時，該仿真模型能夠預(yù)測柴油機的轉(zhuǎn)速、噴油量、進氣壓力以及齒條位置等參數(shù)的變化，且其變化與柴油機的負載變化有良好的動態(tài)響應(yīng)。