核電站遇到突發(fā)事件時(shí)，需要迅速啟動(dòng)柴油應(yīng)急發(fā)電機(jī)組，對(duì)核反應(yīng)堆進(jìn)行及時(shí)冷卻停堆，以避免重大事故的發(fā)生，這對(duì)柴油機(jī)的加載過(guò)程中的負(fù)載變化響應(yīng)提出了嚴(yán)格的要求。在機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)，必須根據(jù)反應(yīng)堆安全停堆負(fù)荷特性對(duì)機(jī)組的啟動(dòng)及瞬態(tài)加載能力進(jìn)行模擬。

　　【摘 要】本文建立了某柴油發(fā)電機(jī)組柴油機(jī)的瞬態(tài)仿真模型，在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)編制了仿真計(jì)算程序，根據(jù)核電站反應(yīng)堆安全停堆的負(fù)荷特性，進(jìn)行了柴油機(jī)突加負(fù)載瞬態(tài)仿真計(jì)算，預(yù)測(cè)了柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速、噴油量、進(jìn)氣壓力以及齒條位置等參數(shù)的變化。將計(jì)算結(jié)果與國(guó)外某公司的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了所建立仿真模型的準(zhǔn)確性及實(shí)用性。

　　【關(guān)鍵詞】電力論文發(fā)表最好的網(wǎng)站,柴油機(jī),發(fā)電機(jī)組,瞬態(tài),建模,仿真

　　引言

　　本文建立了某柴油發(fā)電機(jī)組柴油機(jī)的瞬態(tài)仿真模型，在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)編制了仿真計(jì)算程序，根據(jù)某核電站反應(yīng)堆安全停堆的運(yùn)行特性，進(jìn)行了柴油機(jī)加載過(guò)程的仿真模擬研究。

　　1 柴油機(jī)仿真的數(shù)學(xué)模型

　　1.1 柴油機(jī)氣缸內(nèi)的基本方程

　　假定氣缸內(nèi)的工質(zhì)在任意時(shí)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(gè)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(duì)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(guò)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(jì)算的是中高速柴油機(jī)，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(kuò)散燃燒分開(kāi)考慮，dx1/d代表預(yù)混合燃燒，dx2/d代表擴(kuò)散燃燒，兩種燃燒的持續(xù)期分別為zp與zd，τ=zp/2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?jǐn)?shù)，Qd代表擴(kuò)散燃燒的燃料分?jǐn)?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(jìn)行換熱。根據(jù)工質(zhì)對(duì)燃燒室周壁的瞬時(shí)平均換熱系數(shù)αw和壁面的平均溫度Tw，按傳熱學(xué)中的牛頓公式，計(jì)算燃燒室周壁傳熱率：

　　式中，n為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速;w為瞬時(shí)平均傳熱系數(shù)，采用Woschni公式計(jì)算;Ai為換熱面積;Tz為氣缸內(nèi)工質(zhì)瞬時(shí)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(jìn)排氣閥的流量

　　通過(guò)進(jìn)、排氣閥流入或流出氣缸的流動(dòng)視為準(zhǔn)穩(wěn)定流動(dòng)。在進(jìn)氣閥處的流動(dòng)，均為亞音速流動(dòng)。通過(guò)進(jìn)氣閥的流量為：

　　亞臨界流動(dòng)時(shí)通過(guò)排氣閥的流量為：

　　超臨界流動(dòng)時(shí)通過(guò)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(jìn)氣管內(nèi)氣體的氣體常數(shù);Fs、Fe為進(jìn)、排氣閥的幾何截面積;μs、μe為進(jìn)、排氣閥的流量系數(shù)，其值采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

　　1.5 渦輪增壓器的計(jì)算模型

　　在仿真中，將渦輪簡(jiǎn)化為一個(gè)節(jié)流噴嘴，渦輪的扭矩為：

　　壓氣機(jī)的扭矩可由能量方程求得：

　　增壓器轉(zhuǎn)速可由角動(dòng)量守恒方程求得：

　　式中，Tti、Tc1為渦輪進(jìn)口溫度和壓氣機(jī)進(jìn)口溫度;t、c為渦輪效率、壓氣機(jī)效率;nt、nc為渦輪轉(zhuǎn)速、壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速;Itk為增壓器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

　　1.6 曲軸動(dòng)力學(xué)模型

　　在加速及突然加載過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在一個(gè)較大的范圍內(nèi)變化。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化可通過(guò)動(dòng)力學(xué)扭矩平衡方程求得：

　　式中，n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速;Je、JL分別為發(fā)動(dòng)機(jī)部分及負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Ni、Nm、NL分別為發(fā)動(dòng)機(jī)的指示功率、摩擦功率、負(fù)載的功率。

　　1.7 PID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(jìn)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(shí)際值之間的控制誤差;Kp為比例增益;TI為積分時(shí)間常數(shù);TD為微分時(shí)間常數(shù)。

　　調(diào)速器模型簡(jiǎn)化為PID模型和噴油量模型。輸入?yún)��?shù)為期望轉(zhuǎn)速和實(shí)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(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)。噴油量模型是根據(jù)噴油特性曲線(xiàn)換算成柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和齒條格數(shù)的二維數(shù)組gf=f(n，R)，查表求得實(shí)際循環(huán)噴油量gf。

　　1.8 負(fù)載加載模型

　　在應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組瞬態(tài)仿真中，負(fù)載加載過(guò)程是很重要的，尤其是如何能通過(guò)數(shù)學(xué)模型來(lái)代替實(shí)際中電感負(fù)載的負(fù)荷變化。在整個(gè)加載過(guò)程中，應(yīng)用加載系數(shù)，在已知的定負(fù)荷基礎(chǔ)上， 使負(fù)載隨時(shí)間以如圖1所示曲線(xiàn)的趨勢(shì)變化，圖中橫坐標(biāo)T表示加載時(shí)間，t為運(yùn)行時(shí)間，縱坐標(biāo)為實(shí)際負(fù)載與柴油機(jī)額定功率的比值，即加載系數(shù)。

　　圖1 負(fù)載加載系數(shù)

　　2 Simulink仿真模型

　　根據(jù)柴油機(jī)工作過(guò)程瞬態(tài)數(shù)學(xué)模型，在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)上，建立了某型柴油機(jī)的瞬態(tài)仿真模型。該機(jī)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(jì)算結(jié)果與對(duì)比分析

　　在所建立的柴油機(jī)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(duì)仿真計(jì)算方法和仿真時(shí)間進(jìn)行選取。

　　為了驗(yàn)證動(dòng)態(tài)仿真模型的準(zhǔn)確性，將仿真計(jì)算結(jié)果與國(guó)外某公司的相關(guān)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，圖2 是負(fù)載的變化導(dǎo)致柴油機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。通過(guò)對(duì)比分析可知，除了個(gè)別時(shí)間段的轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅度有一定的偏差，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)是一致的。驗(yàn)證了此仿真模型的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

　　圖2 仿真計(jì)算結(jié)果與國(guó)外某公司的仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖

　　4 結(jié)論

　　通過(guò)以上分析，可得出如下結(jié)論：

　　(1)通過(guò)將仿真結(jié)果與國(guó)外某公司進(jìn)行對(duì)比分析可知，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)一致，驗(yàn)證了此仿真模型的準(zhǔn)確性及實(shí)用性。

　　(2)柴油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，在不同時(shí)刻突加負(fù)載時(shí)，該仿真模型能夠預(yù)測(cè)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速、噴油量、進(jìn)氣壓力以及齒條位置等參數(shù)的變化，且其變化與柴油機(jī)的負(fù)載變化有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

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