張杰，吳蘇敏，朱文江，靳文金

（1.中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000；2.大亞灣核電運營管理有限責(zé)任公司,廣東 深圳 518000）

核電站應(yīng)急發(fā)電機(jī)組，是核電廠的應(yīng)急電源，廠用電及備用電源失去時，自動啟動并帶載相關(guān)負(fù)荷，以保障機(jī)組安全停堆并保護(hù)關(guān)鍵設(shè)備不被損壞。礙于相繼增壓柴油機(jī)僅在上述緊急狀況下投入使用，故日常工作中，需要借助柴油機(jī)實時仿真模型，研究相繼增壓柴油機(jī)工作性能。近年來，仿真技術(shù)不斷發(fā)展，利用仿真模型進(jìn)行柴油機(jī)性能仿真，已成為柴油機(jī)性能分析的重要方式。

本文采用模塊化建模方式，利用Simulink-Stateflow-Veristand 聯(lián)合建模的方式搭建柴油機(jī)實時仿真模型。搭建的仿真模型，能夠模擬柴油機(jī)典型工況，進(jìn)行性能仿真。能夠體現(xiàn)加載過程中的，渦輪增壓器切入過程。通過多級增壓柴油機(jī)性能仿真，能夠隨時分析柴油機(jī)典型工況下的性能，為核電廠安全生產(chǎn)，提供理論保障。

1 多級增壓柴油機(jī)典型工況分析

核電用應(yīng)急發(fā)電機(jī)組中的某型相繼增壓柴油機(jī)為一種高速柴油機(jī)，四沖程，V 型排列，直接噴射，5 組廢氣渦輪增壓，中間空氣冷卻的高速柴油機(jī)。該型柴油機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1 所示。

起動工況下，要求相繼增壓柴油機(jī)在起動扭矩的作用下，迅速起動，使轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速。

加載工況下，負(fù)載增加過程中，齒條位移增加，噴油量增大，運行轉(zhuǎn)速下降。空載狀態(tài)下，2 組渦輪增壓器進(jìn)行工作，隨著負(fù)載的增加，3 組渦輪增壓器相繼切入，加載過程中，渦輪增壓器切入邏輯，如圖2 所示。

減載工況下，齒條位移減小，噴油量減少，運行轉(zhuǎn)速上升，渦輪增壓器的切出順序，與加載工況下的切入順序相反。

圖1 多級增壓柴油機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 相繼增壓柴油機(jī)實時模型搭建

2.1 Simulink 模塊化建立柴油機(jī)模型

柴油機(jī)模型的搭建基于Simulink 軟件，采用模塊化建模的方法，基于柴油機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行使用的，建立的柴油機(jī)模型包括燃油系統(tǒng)子模型、進(jìn)排氣系統(tǒng)子模型、氣缸系統(tǒng)子模型、動力學(xué)系統(tǒng)子模型。柴油機(jī)模型結(jié)構(gòu)圖，如圖3 所示。

建立的柴油機(jī)模型采用發(fā)動機(jī)平均值模型，該模型發(fā)展成熟，算法結(jié)構(gòu)簡單，計算成本低，仿真速度快，實時性高，對柴油機(jī)的適用性好，且后續(xù)可以實現(xiàn)功能添加升級、算法結(jié)構(gòu)改進(jìn)等操作。

建立的柴油機(jī)模型燃油系統(tǒng)子模型通過供油量、齒條位置及噴油特性等數(shù)據(jù)。供油量q 與齒條位移l 及柴油機(jī)轉(zhuǎn)速n 及系數(shù)k0、k1、k2的關(guān)系為：

圖2 渦輪增壓器切入邏輯

對于渦輪增壓器中的連接軸，壓氣機(jī)和渦輪通過連接軸連接，通過兩者的扭矩之差來計算轉(zhuǎn)速加速度，在穩(wěn)定工況下，渦輪扭矩與壓氣機(jī)扭矩相等，加速度為0，增壓器轉(zhuǎn)速保持不變，具體公式如下：

建立的柴油機(jī)模型，進(jìn)排氣系統(tǒng)子模型中的，中冷器部分原理為：空氣流經(jīng)壓氣機(jī)被壓縮后，溫度變高，中冷器的作用是將高溫氣體進(jìn)行冷卻，降低熱負(fù)荷的同時增加進(jìn)氣量。式中，為中冷器出口溫度，K；為中冷器入口溫度，K；為中冷器效率；為中冷器冷卻水溫度，K。計算公式如下：

2.2 Stateflow 建立渦輪增壓器工作邏輯模型

Stateflow 是一個基于有限狀態(tài)機(jī)和流程圖來構(gòu)建組合和時序邏輯決策模型并進(jìn)行仿真的軟件，采用Stateflow 建立渦輪增壓器工作邏輯模型。5 組渦輪增壓器的工作狀態(tài)以valve_A1 等5 組電磁閥表示：渦輪增壓器投入，電磁閥狀態(tài)為1；渦輪增壓器投出，電磁閥狀態(tài)為0。建立的渦輪增壓器工作邏輯模型結(jié)構(gòu)圖，如圖4 所示。

圖3 柴油機(jī)模型結(jié)構(gòu)

2.3 Veristand 建立柴油機(jī)實時仿真模型

VeriStand 為 NI公司推出的專用于硬件在環(huán)系統(tǒng)的軟件。在搭建的柴油機(jī)Simulink模型界面中利用Code Generation 功能生成柴油機(jī)DLL 模型文件；在VeriStand 配置界面System Explorer 中 將DLL 文件添加至Targets-Controller-Simulation Models-Models，即實現(xiàn)了柴油機(jī)Simulink 模型編譯進(jìn)NI 板卡，成為柴油機(jī)實時模型的過程。

完成了應(yīng)急柴油機(jī)實時模型的搭建。搭建好的實時仿真模型在控制器的控制下進(jìn)行運行。

圖4 渦輪增壓器工作邏輯模型

3 柴油機(jī)模型運行及性能仿真

利用搭建好的柴油機(jī)實時仿真模型，進(jìn)行相繼增壓柴油機(jī)性能仿真。選取該多級增壓柴油機(jī)運行過程中的典型工況，即起動工況、加載工況、減載工況，進(jìn)行性能仿真，結(jié)果如圖5 ～8。

圖5 表明，所研發(fā)的相繼增壓柴油機(jī)實時仿真模型，滿足核電用相繼增壓柴油機(jī)的最基本需求，與實際柴油機(jī)運行相一致，即起動迅速，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速能快速達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速。搭建的柴油機(jī)模型在15s 內(nèi)轉(zhuǎn)速升至的核定轉(zhuǎn)速，滿足核電廠相關(guān)要求。在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速上升期間，齒條位移在前期開環(huán)控制下，呈現(xiàn)大齒條位移供油的狀態(tài)，后期達(dá)到閉環(huán)控制后，齒條位移保持穩(wěn)定，齒條位移的變化情況與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化情況的對應(yīng)關(guān)系正確；表明搭建的模型能夠正確進(jìn)行相繼增壓器柴油機(jī)起動性能仿真。

圖5 起動工況性能曲線

圖6 表明，在加載工況下，搭建的柴油機(jī)模型滿足核電用相繼增壓柴油機(jī)的加載要求，即在該控制策略下，自72s 左右，隨著負(fù)載的增加，柴油機(jī)齒條位移增加，柴油機(jī)功率增大，與實際柴油機(jī)運行相一致。

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在負(fù)載增加的過程中，逐漸下降。且搭建的模型能夠滿足多次加載工況；表明搭建的模型能夠正確進(jìn)行相繼增壓器柴油機(jī)加載性能仿真。

圖6 加載工況性能曲線

圖7 表明，搭建的柴油機(jī)模型的渦輪增壓器的運行情況符合要求，即起動過程中，增壓器A1、A2 立即投入工作，二者的轉(zhuǎn)速上升，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速時，二者轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定。自72s 左右，隨著負(fù)載的增加，B1、B2、B3 以此投入工作，且三者的轉(zhuǎn)速上升迅速，在較短的時間內(nèi)達(dá)到各自的穩(wěn)定狀態(tài)，滿足加載工況下，對渦輪增壓器的工作要求。各渦輪增壓器投入邏輯正確，相應(yīng)特性迅速；表明搭建的模型能夠正確進(jìn)行相繼增壓器柴油機(jī)相繼增壓性能仿真。

圖7 渦輪增壓器投入性能曲線

圖8 表明，在減載工況下，搭建的柴油機(jī)模型滿足核電用相繼增壓柴油機(jī)的減載要求，即在該控制策略下，取初次減載時的時間為0，隨著負(fù)載的減少，柴油機(jī)齒條位移減小，柴油機(jī)功率減小。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在負(fù)載減少的過程中，逐漸上升。且搭建的模型能夠滿足多次減載工況；表明搭建的模型能夠正確進(jìn)行相繼增壓器柴油機(jī)減載性能仿真。

圖8 減載工況性能曲線

4 結(jié)語

本文利用Simulink-Stateflow-Veristand 聯(lián)合建模的方式，基于模塊化及柴油機(jī)原理的建模方法，搭建了核電用應(yīng)急發(fā)電機(jī)組中的某型相繼增壓柴油機(jī)。進(jìn)行了包括起動、加減載在內(nèi)的典型工況下的相繼增壓柴油機(jī)性能仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。仿真分析結(jié)果得出以下結(jié)論：（1）搭建的相繼增壓柴油機(jī)實時仿真模型能夠在真實控制器的控制下實時運行。（2）搭建的模型能正確反映某型相繼增壓柴油機(jī)在典型工況下的性能，即能夠進(jìn)行該柴油機(jī)的性能仿真。（3）搭建的模型能夠體現(xiàn)該柴油機(jī)的各渦輪增壓器的投入運行情況，及能夠進(jìn)行相繼增壓特性仿真。（4）基于該柴油機(jī)性能仿真，能夠隨時分析其典型工況下的性能，為核電廠安全生產(chǎn)提供理論保障。