某核电厂柴油机甩负后柴油机转速偏高原因分析及处理

某核电厂柴油机甩负后柴油机转速偏高
原因分析及处理
摘要：在某核电厂柴油机调试试验中，柴油发电机组100%功率平台甩负荷时柴油机转速调节不能稳定在1000rpm，每次甩负荷试验后转速均稳定在1013rpm 左右，比正常的1000rpm转速偏高。

针对上述现象，对柴油机甩负荷动作过程，柴油机控制逻辑，及调速器切换逻辑进行介绍分析其根本原因及处理措施。

关键词：柴油机；甩负荷；调速器；1000rpm；转速
Reason Analysis and Treatment of high speed of diesel engine after rejection
Guo Yongwei Li Yuxin Wang Wentao
（Yangjiang Nuclear Power Co.,Ltd. Mechanical
Department Guangdong Province Yangjiang City）
ABSTRACT: In the commissioning test of diesel engine, it was found
that the speed regulation of diesel engine can not be stable at
1000rpm ,when the power plateform set is off load by 100%. After each load rejection test,the rotational speed is stable at about
1013rpm,which is higher than the normal 1000rpm.In view of the above-mentioned phenomena,the paper introduces and analyzes the basic reasons and treatment measures .By analysis diesel engine load rejection action process,diesel engine control logic and governor switching logic
KEYWORD: LHR Diesel engine; Load regection; Speed
governor;1000rpm;Rotational speed
1、概述
某核电厂柴油机执行满功率带载试验及甩负荷试验，甩负荷试验通过断开母线开关将柴油机负荷瞬间切除，以验证柴油机功率突然失去情况下的转速稳定性。

在执行100%功率平台甩负荷试验时发现每次柴油机转速稳定后，转速约在1013rpm左右，未回到1000rpm的额定转速。

本文对某核电厂柴油机甩负荷试验时转速稳定后未回到1000rpm的根本原因进行分析。

2、专业知识介绍
后备柴油发电机组是某核电产新设的SBO电源，每个核电机组设有一台SBO柴油机。

柴油机是引进法国MAN公司的18PA6B型柴油机，电子调速器为MAN生产的E19600型调速器。

引擎控制器E19600是柴油机调速系统的核心设备，以它为核心组成闭环控制系统。

是确保整个柴油机系统运行稳定响应及时的关键设备。

在柴油机启动阶段，引擎控制器限定喷入柴油机燃烧室内的最大燃油量来预防柴油机超速而失去控制；柴油机启动后，调速系统通过调速器的PID（比例/积分/微分）运算向调速执行器Europa 2231提供合适的电流信号而使柴油机发电机组在给定的转速上实现一定的负荷输出。

引擎控制器是“Reverse‐acting”类型，输出控制电流与负荷成反比，即输出功率增加时，控制电流减小。

引擎控制器带有故障自检功能。

可自动检测转速探头故障及看门狗电路故障。

电子调速器外观见图1.1：
图1.1 LHR柴油机调速器
2.1柴油机调速原理介绍
柴油机调速为单闭环控制，所有的输入信号在求和点进行比较，输出偏差信号。

对于精确稳定的控制系统，求和点输出的信号最后为零，表明实际输出值与期望值相同。

柴油机的转速信号作为单闭环控制相同中的负反馈信号，且该信号与柴油机的实际转速成正比。

转速设定值是可调的，该值作为控制系统中的一个参数比较基准。

转速设定值与实际的转速反馈系统进行比较，产生一个偏差信号，偏差信号经过特定的PID（比例/积分/微分）运算最终产生一个增加或减小油门信号并输出到执行机构；柴油机的转速便随着油门的增加/减小而增大/减小；柴油机实际转速又被反馈到调速器进行比较，最终使柴油机的转速稳定在设定值。

柴油机调速系统有两种工作模式，分别为Isochronous模式和DROOP模式。

柴油机调速原理如图2.1所示。

其中若柴油机工作在DROOP模式时，DROOP百分比值也参与到转速设定值与实际转速的偏差计算点中，对该计算点进行补偿，当计算点达平衡时，偏差消除，PID停止运算，达到调节油门的目的。

图2.1柴油机调速原理
2.1.1 Isochronous模式
Isochronous模式即无差调节模式。

此模式意味着柴油机只有一种单一频率或一个固定的转速。

也就是说，柴油机的转速恒定，而与负荷无关。

如图2.2所示。

图2.2Isochronous模式转速与负荷关系
在这种控制模式下，柴油机的运行方式为孤立系统运行。

此时柴油机系统只有转速可控，输
出的功率是由实际带动的负载决定的。

在阳江核电厂，根据LHR柴油发动机组所带负载特性，柴油发电机组应急启动时调速系统使用的是Isochronous模式。

柴油机发电机在接到启动命
令后10s内建
立额定频率和额定电压。

按照带载顺序依次带载，转速始终调节稳定在1000RPM，频率稳定
在50Hz。

2.1.2 Droop模式
Droop模式即有差调节模式。

柴油发电机组随着负荷增加，转速下降。

这种情况可以通过改
变转速来获得带载能力。

类似于油门位置不动，随着负荷加大，柴油机转速自动降低，随着
转速下降，油门控制系统也做相应改变，最终在某一转速下稳定运行。

如图2.3所示。

图2.3 DROOP模式转速与负荷关系
电子调节系统也能运行在降速模式。

在droop模式下，转速/频率的下降与负载成比例关系。

也就是说随着负载增加，转速降低。

故需要根据负荷修改相应的转速设定值。

Droop以百分比的方式给出，即波动幅度是额定频率的比值。

当给定该值后，则不同功率对
应不同的转速。

其计算公式为：
％Droop＝（空载转速－满负荷转速）/额定转速X 100%
对于Droop控制模式的发电机，若想向电网提供功率，其设定频率必须高于电网频率，根据
电网频率和要向电网提供的功率来决定柴油机的并网转速，即通过降速来向外供电。

若并网
频率低于电网频率，则柴油发电机组从电网吸收功率。

当处于droop控制模式下的发电机与
电网脱离时，柴油机转速升高到切换时的转速设定值。

2.2某核电厂柴油发电机并网操作介绍
柴油机甩负荷试验，为柴油机并网并带满功率情况下，断开母线开关将柴油机负载切除，验
证柴油机甩负荷后的转速调节能力。

某电厂并网示意图如图2.4，柴油机通过LHA母线并网
步骤如下：
接入并网同期小车
LHR柴油机启动达到额定转速，
闭合LHC001JA，
合上LHC002JA，
使用同期小车合上LHA004JA。

图2.4 LHR柴油机并网图
2.3某核电厂LHR柴油发电机并网调速器状态切换逻辑
由2.1节的介绍可知，根据LHR柴油发动机组所带负载特性，柴油发电机组应急启动时调速系统使用的是Isochronous模式，此种模式下转速恒定。

柴油机发电机并网时，柴油机频率需跟随电网频率，此时柴油机发机组调速系统需切换到droop控制模式，才能自动调节转速与电网频率保持一致。

因此并网作为调速器控制模式切换的一个条件，调速器控制模式切换
设计信号流转为：
具体接线图如下图2.5所示；
图2.5调速器切换逻辑接线图
由2.2节介绍可知，柴油机并网条件为LHC001JA/LHC002JA闭合，LHA004JA/LHA001JA合闸，4个开关柜同时合闸信号在DCS进行逻辑“与”后，柴油机并网信号触发，如图2.6。

并网
信号流转为：
信号传输逻辑图为：
图2.6 LHR柴油机同期并网逻辑
综上，LHR柴油发电机并网时调速器状态切换逻辑及信号流转过程为：
当柴油机通过LHC001JA甩负荷时，其信号流转过程为：
3、LHR柴油机甩负后柴油机转速偏高原因分析
调试期间，某核电厂柴油发电机组100%功率平台甩负荷时柴油机转速调节不能稳定在
1000rpm，每次甩负荷试验后转速均稳定在1013rpm左右，比正常的1000rpm转速偏高,其可
能原因为：
1：调速器故障或PID参数不合适，导致调速器工作不稳定
2：并网/甩负荷时调速器切换逻辑设计存在缺陷
3：甩负荷时调速器工作模式未及时切换，DROOP模式下转速上升
3.1调速器检查分析：
现场检查调速器工作正常，无故障报警，电流输出正常。

根据PID控制的基本原理，调速器PID参数设置不合适会出现如下三种情况：
PID控制输出发散震荡；
PID控制输出等幅震荡；
PID控制输出收敛缓慢；
查询历史试验数据调速器怠速及各转速平台运行稳定，速度无震荡波动，甩负荷后转速快速
稳定在1013RPM左右无波动。

未出现上述三种情况。

因此判断调速器参数设置满足调速要求。

3.2并网切换逻辑检查分析：
检查梳理并网甩负荷相关逻辑（见第3节分析），并网时切换调速器控制模式为DROOP模式，非并网期间切换调速器控制模式为Isochronous模式。

逻辑设计满足LHR柴油发电机控制要求。

3.3甩负荷时调速器工作状态分析：
柴油机发电机并网状态下，发电频率与电网同频为50Hz，转速为1000RPM。

甩负荷后调速器
控制模式切换为Isochronous模式。

图3.1调速器状态切换说明
根据调速器使用说明可知（如图3.1），调速器由“droop”切换为“Isochronous” 控制模式时，转速设定为切换时实际测得的转速。

某核电厂柴油发电机甩负荷后转速稳定在1013RPM左右，可以判断甩负荷时（1000RPM）未立即切换为“Isochronous”。

甩负荷后负
载消失，柴油机转速上升，在上升至1013RPM左右时，发生状态切换。

分析甩负荷后调速器状态切换延迟的原因如下：
甩负荷时，LHC001JA断开，此时，柴油机负荷消失，转速开始上升。

因LHC001JA断开信号
并不直接切换调速器状态，而是先送给DCS进行逻辑运算，然后DCS发出切换信号LHC420EY，通过LHR722XR送给调速器切换信号，实现调速器切换。

因此在调速器状态切换时距离
LHC001JA断开已经经过了一个时间Δt，在Δt的时间内，LHR柴油机转速上升约10几转。

综上：某核电厂柴油机甩负后柴油机转速偏高的原因为LHC001JA断开甩负荷时，调速器调
速器状态切换信号未同步送达，DROOP模式下转速设定上升。

4、柴油机甩负后柴油机转速偏高的处理及验证
4.1针对LHC001JA断开与调速器状态切换不同步的处理方法
LHC001JA断开与调速器状态切换不同步原因为LHC001JA断开的信号经DCS处理后，触发
LHC420EY后送调速器进行调速器控制状态切换。

因此可将LHC001JA断开的信号直接送调速
器，实现LHC001JA断开与调速器状态控制切换的同步：
即:当LHC001JA断开时，柴油机已脱离并网状态，此时不需等420EY信号消失，直接进行调速器切换。

其接线图实现如下图4.1：
图4.1 LHC001JA状态串入调速器切换回路图
4.2柴油机甩负后柴油机转速偏高处理后验证
按上述方式修改，将LHC001JA反馈信号直接引至调速器控制方式切换回路，进行满功率甩负荷试验，甩负荷后柴油机转速最终稳定在1000RPM左右，符合预期。

5、结论
某核电厂柴油机甩负后柴油机转速偏高的原因为LHC001JA断开甩负荷时，调速器调速器状态切换信号未同步送达。

针对原因进行处理后，消除了非预期偏差。

在仪控设计中，信号不同步往往会导致看似合理的逻辑设计，出现非预期的偏差，甚至出现报警或其他非受控的状态。

本次对某核电厂柴油机甩负后柴油机转速偏高的处理，提升了设
备状态，也为以后类似的故障处理提供了分析方法和处理方式。

参考文献
[1]《TECHNICAL DOCUMENTATION / DOCUMENTATION TECHNIQUE of E19600》。