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(shí)，頻率和電壓都會(huì )發(fā)生下降現象。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(chǎng)柴油發(fā)電機帶負載試驗方法以及現場(chǎng)突加試驗的工況，探討試驗標準，并測試其最大負載以滿(mǎn)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(mǎn)載測試、不平衡負載能力測試、突加突減功率測試、穩態(tài)電壓調整率、穩態(tài)頻率調整率、瞬態(tài)電壓調整頻率、電壓恢復時(shí)間、瞬態(tài)頻率調整、頻率恢復時(shí)間、柴發(fā)持續運行等性能指標。

 

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，多數時(shí)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(guān)重要的作用。為防止供電故障發(fā)生時(shí)柴油發(fā)電機組出現性能故障，加強日常檢測和建立完善的維護規程，定時(shí)規范地對柴油發(fā)電機組進(jìn)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(gè)模式：

1、移動(dòng)式測試負載

      測試負載采用車(chē)載移動(dòng)式測試負載，需要測試時(shí)，租用專(zhuān)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(xiàn)柜，從接線(xiàn)柜引線(xiàn)纜至一層，并預留管線(xiàn)至室外測試點(diǎn)。

2、10KV固定式測試負載

      當用戶(hù)電力設置為市政電源與柴油發(fā)電機組成的10KV并網(wǎng)供電系統，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(xiàn)柜，并從接線(xiàn)柜引10KV電纜經(jīng)由電纜橋架從進(jìn)出線(xiàn)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(xiàn)柜。利用低壓母線(xiàn)槽或低壓電纜經(jīng)由進(jìn)出線(xiàn)間引至室外的測試負載。

     以上3個(gè)方案中，方案一的優(yōu)點(diǎn)是節省造價(jià)但其后期操作繁瑣，每次進(jìn)行測試時(shí)都需要租用測試設備，測試前后需進(jìn)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(guān)低壓出線(xiàn)柜，工程相對簡(jiǎn)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(wú)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(jīng)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(chǎn)品測試性能、絕緣、壽命、安全等方面均有一定優(yōu)勢，整機實(shí)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(xiàn)圖

 

 

二、優(yōu)化分析

 

      應急柴油發(fā)電機組（Emergency Diesel generator,EDG）在核電廠(chǎng)承擔安全相關(guān)功能，在核電廠(chǎng)失去場(chǎng)外電源時(shí)，需要對安全廠(chǎng)用負荷進(jìn)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(chǎng)試驗開(kāi)始，歷經(jīng)多種試驗，核電廠(chǎng)內的突加負載試驗是對整個(gè)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(dòng)電壓調節器）響應特性進(jìn)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(shí)，發(fā)電機的頻率和電壓均會(huì )出現下降。通過(guò)現場(chǎng)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(mǎn)足實(shí)際需求。

1、試驗負荷的選取

      按照IEEE 387的規范要求，需要啟動(dòng)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(dòng)力反應堆）機型為例，EDG帶載的最大負荷為L(cháng)AS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(gè)管線(xiàn)可用的施工邏輯往往又滯后于EDG可用性的要求，因此現場(chǎng)僅采用小流量試驗。小流量試驗的缺點(diǎn)是負載小于實(shí)際負載。但從試驗的特性來(lái)說(shuō)，該試驗更側重于對于發(fā)電機暫態(tài)電抗和勵磁系統的考核，調速器的試驗在廠(chǎng)家突加負載時(shí)能夠足夠證明其可靠性。工廠(chǎng)出廠(chǎng)驗收時(shí)，EDG需要

      歷經(jīng)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(chǎng)家試驗時(shí)，考核條件已經(jīng)超過(guò)現場(chǎng)最大單個(gè)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(chǎng)的試驗臺架上不具備800 kW的電機，通過(guò)阻性水電阻以及并聯(lián)電抗器來(lái)模擬試驗負載，該類(lèi)型的模擬無(wú)法實(shí)際代表電動(dòng)機的啟動(dòng)過(guò)程。突加負載試驗更多的應從考核無(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(shí)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(guò)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(shí)施

      突加負載并不是單一的試驗項目，是一連串連續試驗里的一個(gè)環(huán)節。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(xiàn)下游帶上盡量多的負載，然后將EDG并網(wǎng)，并網(wǎng)后的EDG由于調速器自動(dòng)加載900 kW負荷，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定的平臺。需要就地和主控室配合，當觀(guān)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(xiàn)斷路器。使得本段母線(xiàn)負載由電網(wǎng)帶載轉移至EDG，觀(guān)察進(jìn)線(xiàn)斷路器斷開(kāi)前后的電壓及頻率波動(dòng)。BE*進(jìn)線(xiàn)斷路器分閘使得EDG進(jìn)入應急模式，電調從試驗模式切換至應急模式時(shí)，儀控系統會(huì )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(huì )將柴油發(fā)電機重新拉到以1560 r/min為起始點(diǎn)的4%Droop （勵磁下垂控制特性）曲線(xiàn)上。由于A(yíng)VR不區分是否并網(wǎng)，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(guān)察不到電壓發(fā)生顯著(zhù)的變化。該電流跟電動(dòng)機啟動(dòng)電流相差數倍，對于A(yíng)VR及發(fā)電機暫態(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，然后準備開(kāi)始突加負載，就地的錄波器準備好之后，開(kāi)始倒計時(shí)錄波，主控人員啟動(dòng)LAS泵。LAS泵啟動(dòng)完畢后，對電壓跌落深度及恢復時(shí)間進(jìn)行初步判斷。

2、同源核相與假同期

      EDG的突加試驗結束后，需要將處于孤島運行的EDG與外電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)，稱(chēng)為反同期。并網(wǎng)同期試驗前，需進(jìn)行同源核相試驗，EDG突加負載試驗接線(xiàn)圖見(jiàn)圖1。經(jīng)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(xiàn)接線(xiàn)錯誤情況下將使得同期表顯示滿(mǎn)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(dòng)之前已經(jīng)具備條件。反同期時(shí)BE*母線(xiàn)和BB*母線(xiàn)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(jìn)行同源核相的確認。在同一個(gè)1次電源情況下，確認此時(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(xiàn)斷路器置于試驗位置，然后進(jìn)行合閘。通過(guò)錄波器錄取進(jìn)線(xiàn)斷路器變位反饋以及BE*和BB*包絡(luò )電壓的比較，進(jìn)線(xiàn)斷路器的變位反饋應在包絡(luò )電壓的近零點(diǎn)。

      調試時(shí)，由于反同期表在后備盤(pán)，后備盤(pán)調試屬于儀控人員，因此EDG調試人員并未過(guò)多深入后備盤(pán)的回路部分。而且假同期試驗時(shí)的試驗方法不完整，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，所以默認為同期表的輸出允許接點(diǎn)串在合閘回路當中。在后續的調試過(guò)程中，多次核實(shí)后發(fā)現同期表的允許接點(diǎn)未串在合閘回路當中，將允許接點(diǎn)串入，同期表允許接點(diǎn)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(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，儀控系統再送至保護柜，保護柜再送至電調/AVR。因此可以明顯察覺(jué)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(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(xiàn)的長(cháng)度不一致，使得包絡(luò )電壓存在固有壓差，在同源核相期間測量包絡(luò )電壓的固有壓差，以便在假同期時(shí)對近零點(diǎn)判斷。反同期成功后，停運EDG，試驗結束。

 3、參數隨負載的變化情況

      圖3是柴油發(fā)電機逐步增加負載至滿(mǎn)載后的波形圖。柴油發(fā)電機增加負荷就意珠著(zhù)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(guò)量空氣系數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(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(zhù)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(diǎn)時(shí)，g_e達到最小值。再繼續增加負荷，由于過(guò)量空氣系數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(shí)増加緩慢，且低負荷時(shí)煙度很小，肉眼看不出，通常被認為是排氣無(wú)煙。在高負荷時(shí)，煙度迅速增加：當接近最大功率時(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等機件的熱負荷也迅速增大。如果再繼續增加供油量，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(gè)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(diǎn)g_e最低，但功率較??；B點(diǎn)功率雖高，但g_e也高。從坐標原點(diǎn)作一射線(xiàn)與。曲線(xiàn)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)電機使用最經(jīng)濟的點(diǎn)。

圖3  多臺柴發(fā)加載至滿(mǎn)載后波形圖

圖4  柴油發(fā)電機各參數隨負荷變化的情況

 

 

總結：

      分析應急柴油發(fā)電機突加負載試驗方法，進(jìn)行試驗和后期并網(wǎng)，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(guò)2臺或者多臺中壓電機啟動(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，但該情況下勵磁機的無(wú)功功率存在不足，導致過(guò)流保護動(dòng)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(wǎng)試驗的導前時(shí)間核算時(shí)進(jìn)行考慮。

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