康明斯动力（深圳）有限公司

 

新闻主题	应急柴油发电机带负载试验方法

 

摘要：应急柴油发电机容量通常有限，当面临大负荷突然加载时，频率和电压都会发生下降现象。特别是由于柴油发电机组在调试初期，基本不具备带载额定最大负载的工况。因此，康明斯公司在本文分析出厂柴油发电机带负载试验方法以及现场突加试验的工况，探讨试验标准，并测试其最大负载以满足考核要求。此外，负载测试还可以检测柴油发电机组的带载功率，半/满载测试、不平衡负载能力测试、突加突减功率测试、稳态电压调整率、稳态频率调整率、瞬态电压调整频率、电压恢复时间、瞬态频率调整、频率恢复时间、柴发持续运行等性能指标。

 

一、柴发负载测试方式

 

      柴油发电机组作为故障检修或市政电源停电后的应急电源，多数时间都处于待机状态，一旦市政电源停电或者发生故障，柴油发电机组就起到了至关重要的作用。为防止供电故障发生时柴油发电机组出现性能故障，加强日常检测和建立完善的维护规程，定时规范地对柴油发电机组进行负载检测就显得格外重要。

      根据柴油发电机组容量及运行要求，以选择测试负载容量为2000kW为例，可供选择的方案主要有如下3个模式：

1、移动式测试负载

      测试负载采用车载移动式测试负载，需要测试时，租用专业测试公司的测试负载及相应测试设备。此方案需在柴油发电机房三层并机室预留测试负载接线柜，从接线柜引线缆至一层，并预留管线至室外测试点。

2、10KV固定式测试负载

      当用户电力设置为市政电源与柴油发电机组成的10KV并网供电系统，测试负载需采用10KV电压等级的固定式测试负载，测试负载可安装于室外。此方案需在柴油发电机房预留10KV测试负载接线柜，并从接线柜引10KV电缆经由电缆桥架从进出线间引至室外测试负载处。

3、0.4KV固定式测试负载

      本方案中测试负载采用0.4KV电压等级，负载容量可选1台2000kW或者4台500kW，测试负载可安装于室外。此方案需在柴油发电机房设置20/0.4KV降压变压器及相应低压出线柜。利用低压母线槽或低压电缆经由进出线间引至室外的测试负载。

     以上3个方案中，方案一的优点是节省造价但其后期操作繁琐，每次进行测试时都需要租用测试设备，测试前后需进行电缆连接和拆除的工作，耗费大量入力物力，且测试性能不够稳定可靠。方案二的测试负载电压等级为20 KV，是直接模拟高压配电柜的带载性能，不需设置降压变压器和相关低压出线柜，工程相对简单。但后期维护复杂，建造成本及维护费用较高，测试性能与0.4 KV电压等级测试负载无太大差异。方案三中0.4 KV电压等级模拟测试发电机组并机升压（高压配电柜）又经变压器降压后的负载性能，其整体建造成本、后期维护成本都相对低廉，在整机产品测试性能、绝缘、寿命、安全等方面均有一定优势，整机实用性高，可独立对单台发电机组周期性带载测试和其它低压带载测试。故本例中测试负载安装按照方案三设计。

 

 

图1  柴油发电机组试验组成框图

图2  柴油发电机突加负载试验接线图

 

 

二、优化分析

 

      应急柴油发电机组（Emergency Diesel generator,EDG）在核电厂承担安全相关功能，在核电厂失去场外电源时，需要对安全厂用负荷进行分级带载，以保证反应堆堆芯余热导出，保证3道安全屏障的安全。EDG从出厂试验开始，历经多种试验，核电厂内的突加负载试验是对整个柴油发电机组暂态特性的考核，是对调速器、发电机组暂态电抗以及AVR（Automatical Voltage Regulator，自动电压调节器）响应特性进行详细录波分析的一种试验。

      应急柴油发电机组发电机容量有限，当突然加载较大负荷时，发电机的频率和电压均会出现下降。通过现场的突加负载试验，考核EDG综合性能，验证突加负载能力是否满足实际需求。

1、试验负荷的选取

      按照IEEE 387的规范要求，需要启动柴油发电机在应急运行期间最大的负荷。由于在调试期间，以VVER（Water Water Ener原getic Reactor，水—水动力反应堆）机型为例，EDG带载的最大负荷为LAS泵（Emergency Feed Pump，应急补水泵）800 kW，在蒸汽发生器失去正常补水后为其提供应急补水，保证堆芯的余热导出，而蒸汽发生器的整个管线可用的施工逻辑往往又滞后于EDG可用性的要求，因此现场仅采用小流量试验。小流量试验的缺点是负载小于实际负载。但从试验的特性来说，该试验更侧重于对于发电机暂态电抗和励磁系统的考核，调速器的试验在厂家突加负载时能够足够证明其可靠性。工厂出厂验收时，EDG需要

      历经最大为75%额定功率的突加负载（4210 kW），在该条件下的频率最大偏差为依5%，且在2 s内恢复。厂家试验时，考核条件已经超过现场最大单个负荷，对于EDG的暂态考核，应侧重于对于电压跌落的考核。EDG制造厂的试验台架上不具备800 kW的电机，通过阻性水电阻以及并联电抗器来模拟试验负载，该类型的模拟无法实际代表电动机的启动过程。突加负载试验更多的应从考核无功的角度考虑，即电压跌落的深度。使用LAS泵的小流量启动可以接受。

2、试验标准的选取

      国内的EDG突加试验参照标准有法国RCCE标准以及德国KTA标准。RCC—EC2400的标准为：突加负载时频率不应下降到额定值的95%以下，电压不应下降到额定值的75%以下。

      按照KTA 3702标准要求，在“Transition voltage deviation during power lever increase”（电源负载增加期间过渡电压的偏差），频率不应低于额定值的95%，电压不应下降到85%以下。KTA标准比RCCE标准严格，VVER项目EDG的制造及试验标准采用KTA标准，试验验收标准参考KTA3702标准。

 

三、试验

 

1、试验的实施

      突加负载并不是单一的试验项目，是一连串连续试验里的一个环节。验证的是EDG的负荷转移能力，是把1台接近空载的发电机突然加上负载，验证转速和电压变化。试验方法是将BE*母线下游带上尽量多的负载，然后将EDG并网，并网后的EDG由于调速器自动加载900 kW负荷，可手动减少有功输出，但是低功率时的功率很难停留在稳定的平台。需要就地和主控室配合，当观察到EDG输出的功率处于低谷时，主控室果断断开BE*进线断路器。使得本段母线负载由电网带载转移至EDG，观察进线断路器断开前后的电压及频率波动。BE*进线断路器分闸使得EDG进入应急模式，电调从试验模式切换至应急模式时，仪控系统会给出短暂的停机脉冲命令。停机脉冲命令消失后，电调检测到转速会将柴油发电机重新拉到以1560 r/min为起始点的4%Droop （励磁下垂控制特性）曲线上。由于AVR不区分是否并网，它是恒Droop模式，根据发电机的电流调整发电机的端电压。

      调试期间，下游的负载1000 kW，观察不到电压发生显著的变化。该电流跟电动机启动电流相差数倍，对于AVR及发电机暂态电抗的特性考核而言比较微弱。

      在EDG进入孤岛模式后，先停掉LAS泵，然后准备开始突加负载，就地的录波器准备好之后，开始倒计时录波，主控人员启动LAS泵。LAS泵启动完毕后，对电压跌落深度及恢复时间进行初步判断。

2、同源核相与假同期

      EDG的突加试验结束后，需要将处于孤岛运行的EDG与外电网进行并网，称为反同期。并网同期试验前，需进行同源核相试验，EDG突加负载试验接线图见图1。经历同源核相试验，才能对同期回路的正确性做出判断，否则在二次线接线错误情况下将使得同期表显示满足同期条件，从而对发电机造成巨大伤害。其中同源核相部分，在发电机首次启动之前已经具备条件。反同期时BE*母线和BB*母线的同期，也就是两段PT （Position Transformer，电压互感器）之间的同期，在BE*上电后，可对反同期回路进行同源核相的确认。在同一个1次电源情况下，确认此时同期表指向12点。

      反同期的前提是同源核相，真正反同期操作前需进行1次假同期，即是将进线断路器置于试验位置，然后进行合闸。通过录波器录取进线断路器变位反馈以及BE*和BB*包络电压的比较，进线断路器的变位反馈应在包络电压的近零点。

      调试时，由于反同期表在后备盘，后备盘调试属于仪控人员，因此EDG调试人员并未过多深入后备盘的回路部分。而且假同期试验时的试验方法不完整，仅在接近12点时按下合闸按钮，未在6点、9点方向尝试合闸，所以默认为同期表的输出允许接点串在合闸回路当中。在后续的调试过程中，多次核实后发现同期表的允许接点未串在合闸回路当中，将允许接点串入，同期表允许接点串入后，需要校验同期表的允许频差，按照国内习惯设置为（0.1~0.3）Hz，换算成转速为（3~9）r/min。恢复与外电网连接时，需要在主控后备盘操作，硬件按钮操作送至仪控系统，仪控系统再送至保护柜，保护柜再送至电调/AVR。因此可以明显察觉到响应滞后，将允许转差调整到0.15 Hz，也就是接近7 r/min。

      假同期操作过程中，在6点、9点方向尝试合闸失败，在接近12点时应正确动作。然后可以将断路器推入工作位置，开始正式的反同期合闸操作，正式合闸过程中进行录波，分析开关变位与包络电压的关系，分析假同期时，两边PT电压存在差异，二次线的长度不一致，使得包络电压存在固有压差，在同源核相期间测量包络电压的固有压差，以便在假同期时对近零点判断。反同期成功后，停运EDG，试验结束。

 3、参数随负载的变化情况

      图3是柴油发电机逐步增加负载至满载后的波形图。柴油发电机增加负荷就意珠着增加每循环供油量，所以耗油量G_f随负荷的增加而增加，而过量空气系数α随负荷的增加而减小；供油量多，放热也多，使排气温度t_r随负荷的增加而升高。

      在空负荷时，N_e＝0，p_i＝p_m，这时η_m＝0，所以g_e为无穷大。随着负荷的增加，η_m迅遠上升，而g_e反而下降。当负荷増加到A点时，g_e达到最小值。再继续增加负荷，由于过量空气系数a减小，混合气形成和燃绕恶化，g_e反而升高。

      排气烟度随负荷的増加而増加，但在低负荷时増加缓慢，且低负荷时烟度很小，肉眼看不出，通常被认为是排气无烟。在高负荷时，烟度迅速增加：当接近最大功率时，由于a减小，混合气形成和燃烧恶化，然烧不完全，排气烟度急剧增加（图4中B点），此时燃油消耗率g_e也迅速升高。活塞和汽缸盖等机件的热负荷也迅速增大。如果再继续增加供油量，则柴油发电机排气大量冒黑烟，功率反而下降，因此柴油发电机存在一个冒烟极限。为了保证柴油发电机安全可靠地运行，不允许柴油发电机在冒烟极限下工作。

      从图4中还可以看出，A点g_e最低，但功率较小；B点功率虽高，但g_e也高。从坐标原点作一射线与。曲线相切得到切点C，C点的功率N_e与g_e之比值最大，是柴油发电机使用最经济的点。

图3  多台柴发加载至满载后波形图

图4  柴油发电机各参数随负荷变化的情况

 

 

总结：

      分析应急柴油发电机突加负载试验方法，进行试验和后期并网，充分的考察柴油发电机性能。不应拘泥于凑出最大有功负载，通过2台或者多台中压电机启动来模拟LAS泵的真实带载，该工况目的是凑出有功功率相近，但该情况下励磁机的无功功率存在不足，导致过流保护动作。充分认识同源核相试验的极端重要性，对于回路及PT差异导致的固有压差，在EDG并网试验的导前时间核算时进行考虑。

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