新聞主題	應急柴油發(fā)電機帶負載試驗方法

 

摘要：應急柴油發(fā)電機容量通常有限，當面臨大負荷突然加載時，頻率和電壓都會發(fā)生下降現(xiàn)象。特別是由于柴油發(fā)電機組在調試初期，基本不具備帶載額定最大負載的工況。因此，康明斯公司在本文分析出廠柴油發(fā)電機帶負載試驗方法以及現(xiàn)場突加試驗的工況，探討試驗標準，并測試其最大負載以滿足考核要求。此外，負載測試還可以檢測柴油發(fā)電機組的帶載功率，半/滿載測試、不平衡負載能力測試、突加突減功率測試、穩(wěn)態(tài)電壓調整率、穩(wěn)態(tài)頻率調整率、瞬態(tài)電壓調整頻率、電壓恢復時間、瞬態(tài)頻率調整、頻率恢復時間、柴發(fā)持續(xù)運行等性能指標。

 

一、柴發(fā)負載測試方式

 

      柴油發(fā)電機組作為故障檢修或市政電源停電后的應急電源，多數(shù)時間都處于待機狀態(tài)，一旦市政電源停電或者發(fā)生故障，柴油發(fā)電機組就起到了至關重要的作用。為防止供電故障發(fā)生時柴油發(fā)電機組出現(xiàn)性能故障，加強日常檢測和建立完善的維護規(guī)程，定時規(guī)范地對柴油發(fā)電機組進行負載檢測就顯得格外重要。

      根據柴油發(fā)電機組容量及運行要求，以選擇測試負載容量為2000kW為例，可供選擇的方案主要有如下3個模式：

1、移動式測試負載

      測試負載采用車載移動式測試負載，需要測試時，租用專業(yè)測試公司的測試負載及相應測試設備。此方案需在柴油發(fā)電機房三層并機室預留測試負載接線柜，從接線柜引線纜至一層，并預留管線至室外測試點。

2、10KV固定式測試負載

      當用戶電力設置為市政電源與柴油發(fā)電機組成的10KV并網供電系統(tǒng)，測試負載需采用10KV電壓等級的固定式測試負載，測試負載可安裝于室外。此方案需在柴油發(fā)電機房預留10KV測試負載接線柜，并從接線柜引10KV電纜經由電纜橋架從進出線間引至室外測試負載處。

3、0.4KV固定式測試負載

      本方案中測試負載采用0.4KV電壓等級，負載容量可選1臺2000kW或者4臺500kW，測試負載可安裝于室外。此方案需在柴油發(fā)電機房設置20/0.4KV降壓變壓器及相應低壓出線柜。利用低壓母線槽或低壓電纜經由進出線間引至室外的測試負載。

     以上3個方案中，方案一的優(yōu)點是節(jié)省造價但其后期操作繁瑣，每次進行測試時都需要租用測試設備，測試前后需進行電纜連接和拆除的工作，耗費大量入力物力，且測試性能不夠穩(wěn)定可靠。方案二的測試負載電壓等級為20 KV，是直接模擬高壓配電柜的帶載性能，不需設置降壓變壓器和相關低壓出線柜，工程相對簡單。但后期維護復雜，建造成本及維護費用較高，測試性能與0.4 KV電壓等級測試負載無太大差異。方案三中0.4 KV電壓等級模擬測試發(fā)電機組并機升壓（高壓配電柜）又經變壓器降壓后的負載性能，其整體建造成本、后期維護成本都相對低廉，在整機產品測試性能、絕緣、壽命、安全等方面均有一定優(yōu)勢，整機實用性高，可獨立對單臺發(fā)電機組周期性帶載測試和其它低壓帶載測試。故本例中測試負載安裝按照方案三設計。

 

 

圖1  柴油發(fā)電機組試驗組成框圖

圖2  柴油發(fā)電機突加負載試驗接線圖

 

 

二、優(yōu)化分析

 

      應急柴油發(fā)電機組（Emergency Diesel generator,EDG）在核電廠承擔安全相關功能，在核電廠失去場外電源時，需要對安全廠用負荷進行分級帶載，以保證反應堆堆芯余熱導出，保證3道安全屏障的安全。EDG從出廠試驗開始，歷經多種試驗，核電廠內的突加負載試驗是對整個柴油發(fā)電機組暫態(tài)特性的考核，是對調速器、發(fā)電機組暫態(tài)電抗以及AVR（Automatical Voltage Regulator，自動電壓調節(jié)器）響應特性進行詳細錄波分析的一種試驗。

      應急柴油發(fā)電機組發(fā)電機容量有限，當突然加載較大負荷時，發(fā)電機的頻率和電壓均會出現(xiàn)下降。通過現(xiàn)場的突加負載試驗，考核EDG綜合性能，驗證突加負載能力是否滿足實際需求。

1、試驗負荷的選取

      按照IEEE 387的規(guī)范要求，需要啟動柴油發(fā)電機在應急運行期間最大的負荷。由于在調試期間，以VVER（Water Water Ener原getic Reactor，水—水動力反應堆）機型為例，EDG帶載的最大負荷為LAS泵（Emergency Feed Pump，應急補水泵）800 kW，在蒸汽發(fā)生器失去正常補水后為其提供應急補水，保證堆芯的余熱導出，而蒸汽發(fā)生器的整個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)場僅采用小流量試驗。小流量試驗的缺點是負載小于實際負載。但從試驗的特性來說，該試驗更側重于對于發(fā)電機暫態(tài)電抗和勵磁系統(tǒng)的考核，調速器的試驗在廠家突加負載時能夠足夠證明其可靠性。工廠出廠驗收時，EDG需要

      歷經最大為75%額定功率的突加負載（4210 kW），在該條件下的頻率最大偏差為依5%，且在2 s內恢復。廠家試驗時，考核條件已經超過現(xiàn)場最大單個負荷，對于EDG的暫態(tài)考核，應側重于對于電壓跌落的考核。EDG制造廠的試驗臺架上不具備800 kW的電機，通過阻性水電阻以及并聯(lián)電抗器來模擬試驗負載，該類型的模擬無法實際代表電動機的啟動過程。突加負載試驗更多的應從考核無功的角度考慮，即電壓跌落的深度。使用LAS泵的小流量啟動可以接受。

2、試驗標準的選取

      國內的EDG突加試驗參照標準有法國RCCE標準以及德國KTA標準。RCC—EC2400的標準為：突加負載時頻率不應下降到額定值的95%以下，電壓不應下降到額定值的75%以下。

      按照KTA 3702標準要求，在“Transition voltage deviation during power lever increase”（電源負載增加期間過渡電壓的偏差），頻率不應低于額定值的95%，電壓不應下降到85%以下。KTA標準比RCCE標準嚴格，VVER項目EDG的制造及試驗標準采用KTA標準，試驗驗收標準參考KTA3702標準。

 

三、試驗

 

1、試驗的實施

      突加負載并不是單一的試驗項目，是一連串連續(xù)試驗里的一個環(huán)節(jié)。驗證的是EDG的負荷轉移能力，是把1臺接近空載的發(fā)電機突然加上負載，驗證轉速和電壓變化。試驗方法是將BE*母線下游帶上盡量多的負載，然后將EDG并網，并網后的EDG由于調速器自動加載900 kW負荷，可手動減少有功輸出，但是低功率時的功率很難停留在穩(wěn)定的平臺。需要就地和主控室配合，當觀察到EDG輸出的功率處于低谷時，主控室果斷斷開BE*進線斷路器。使得本段母線負載由電網帶載轉移至EDG，觀察進線斷路器斷開前后的電壓及頻率波動。BE*進線斷路器分閘使得EDG進入應急模式，電調從試驗模式切換至應急模式時，儀控系統(tǒng)會給出短暫的停機脈沖命令。停機脈沖命令消失后，電調檢測到轉速會將柴油發(fā)電機重新拉到以1560 r/min為起始點的4%Droop （勵磁下垂控制特性）曲線上。由于AVR不區(qū)分是否并網，它是恒Droop模式，根據發(fā)電機的電流調整發(fā)電機的端電壓。

      調試期間，下游的負載1000 kW，觀察不到電壓發(fā)生顯著的變化。該電流跟電動機啟動電流相差數(shù)倍，對于AVR及發(fā)電機暫態(tài)電抗的特性考核而言比較微弱。

      在EDG進入孤島模式后，先停掉LAS泵，然后準備開始突加負載，就地的錄波器準備好之后，開始倒計時錄波，主控人員啟動LAS泵。LAS泵啟動完畢后，對電壓跌落深度及恢復時間進行初步判斷。

2、同源核相與假同期

      EDG的突加試驗結束后，需要將處于孤島運行的EDG與外電網進行并網，稱為反同期。并網同期試驗前，需進行同源核相試驗，EDG突加負載試驗接線圖見圖1。經歷同源核相試驗，才能對同期回路的正確性做出判斷，否則在二次線接線錯誤情況下將使得同期表顯示滿足同期條件，從而對發(fā)電機造成巨大傷害。其中同源核相部分，在發(fā)電機首次啟動之前已經具備條件。反同期時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，可對反同期回路進行同源核相的確認。在同一個1次電源情況下，確認此時同期表指向12點。

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

      調試時，由于反同期表在后備盤，后備盤調試屬于儀控人員，因此EDG調試人員并未過多深入后備盤的回路部分。而且假同期試驗時的試驗方法不完整，僅在接近12點時按下合閘按鈕，未在6點、9點方向嘗試合閘，所以默認為同期表的輸出允許接點串在合閘回路當中。在后續(xù)的調試過程中，多次核實后發(fā)現(xiàn)同期表的允許接點未串在合閘回路當中，將允許接點串入，同期表允許接點串入后，需要校驗同期表的允許頻差，按照國內習慣設置為（0.1~0.3）Hz，換算成轉速為（3~9）r/min?；謴团c外電網連接時，需要在主控后備盤操作，硬件按鈕操作送至儀控系統(tǒng)，儀控系統(tǒng)再送至保護柜，保護柜再送至電調/AVR。因此可以明顯察覺到響應滯后，將允許轉差調整到0.15 Hz，也就是接近7 r/min。

      假同期操作過程中，在6點、9點方向嘗試合閘失敗，在接近12點時應正確動作。然后可以將斷路器推入工作位置，開始正式的反同期合閘操作，正式合閘過程中進行錄波，分析開關變位與包絡電壓的關系，分析假同期時，兩邊PT電壓存在差異，二次線的長度不一致，使得包絡電壓存在固有壓差，在同源核相期間測量包絡電壓的固有壓差，以便在假同期時對近零點判斷。反同期成功后，停運EDG，試驗結束。

 3、參數(shù)隨負載的變化情況

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

      在空負荷時，N_e＝0，p_i＝p_m，這時η_m＝0，所以g_e為無窮大。隨著負荷的增加，η_m迅遠上升，而g_e反而下降。當負荷増加到A點時，g_e達到最小值。再繼續(xù)增加負荷，由于過量空氣系數(shù)a減小，混合氣形成和燃繞惡化，g_e反而升高。

      排氣煙度隨負荷的増加而増加，但在低負荷時増加緩慢，且低負荷時煙度很小，肉眼看不出，通常被認為是排氣無煙。在高負荷時，煙度迅速增加：當接近最大功率時，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），此時燃油消耗率g_e也迅速升高。活塞和汽缸蓋等機件的熱負荷也迅速增大。如果再繼續(xù)增加供油量，則柴油發(fā)電機排氣大量冒黑煙，功率反而下降，因此柴油發(fā)電機存在一個冒煙極限。為了保證柴油發(fā)電機安全可靠地運行，不允許柴油發(fā)電機在冒煙極限下工作。

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

圖3  多臺柴發(fā)加載至滿載后波形圖

圖4  柴油發(fā)電機各參數(shù)隨負荷變化的情況

 

 

總結：

      分析應急柴油發(fā)電機突加負載試驗方法，進行試驗和后期并網，充分的考察柴油發(fā)電機性能。不應拘泥于湊出最大有功負載，通過2臺或者多臺中壓電機啟動來模擬LAS泵的真實帶載，該工況目的是湊出有功功率相近，但該情況下勵磁機的無功功率存在不足，導致過流保護動作。充分認識同源核相試驗的極端重要性，對于回路及PT差異導致的固有壓差，在EDG并網試驗的導前時間核算時進行考慮。

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