Zespoły prądotwórcze do awaryjnego zasilania elektrowni jądrowych - obliczanie dopuszczalnych obciążeń

Michał FERENC

ZESPOŁY PRĄDOTWÓRCZE DO AWARYJNEGO ZASILANIA ELEKTROWNI JĄDROWYCH

- OBLICZANIE DOPUSZCZALNYCH OBCIĄŻEŃ

S tr e sz c z e n ie . W artykule przedstawiono model m atem atyczny dy­

n am ik i silnika wysokoprężnego. Model jest używ any do obliczania do­

puszczalnych obciążeń zespołów prądotwórczych. Zespoły prądotwórcze o mocy 2,8 i 6,3 MW są stosowane jako rezerwowe źródła p rąd u w elektrow niach j ądrowych.

GENERATING SETS FO R EMERGENCY POW ER SU PPLY OF NUCLEAR POWER STATION - CALCULATION OF PERM ISSIBLE LOADS

Sum m ary. In pap er a m athem atical model of Diesel engine dynam ics has been presented. This model can be used to compute the perm issible loads of a g enerating units. The g en erating sets of 2.8 MW an d 6.3 MW can be used as reserve energy supply source.

STROMVERSORGUNGSSATZE ZUR EIN SPEISU N G D ER

KERNKRAFTW ERKEBERECHNUNG ZULÄSSIGEN BELASTUNGEN Z u sa m m en fa ssu n g . Im Aufsatz w urde ein m ath em atischer Modell des dynam ischen E igenschaften eines Dieselmotors dargestellt. Dieser Modell k a n n zur B erechnung der Zulässigen B elastungen von Strom er­

zeugung eingesetz werden. Diese E nergiespeisungssätze m it einer L eistung von 2.8 i 6.3 MW dürfen als eine Reserve N otstrom anlagen in verschiedenen K ernkraftw erken angew endet w erden.

1. W STĘP

Zespoły prądotwórcze złożone z generatora elektrycznego i średmoobro- towego silnika wysokoprężnego są stosowane w elektrow niach jądrowych jako rezerwowe źródło zasilania układów chłodzenia i innych urządzeń w przypad­

186 M ichał Ferenc

k u odcięcia dopływu p rąd u z sieci elektroenergetycznej. Zespoły prądotwórcze do awaryjnego zasilania E J były w ytw arzane w Polsce. G eneratory były pro­

dukow ane przez DOLMEL we W rocławiu, a silniki wysokoprężne przez ZUT ZGODA w Świętochłowicach.

Zespoły z silnikam i ty p u 6ZL40/48 m ają moc znam ionową 2,8 MW, a z silnikam i typu 12ZV40/48 6,3 MW. Silnik takiego zespołu m usi spełniać specjalne wym agania. M usi charakteryzow ać się on zdolnością do przyjmowa­

n ia dużych obciążeń w krótkim przedziale czasu. Tę cechę uzyskuje sił dzięki dobrej dynam ice u kładu doładow ania charakteryzującego się szybkim wzro­

stem ciśnienia doładow ania przy zw iększeniu obciążenia.

Czas rozruchu aż do osiągnięcia znamionowej prędkości obrotowej nie może być dłuższy niż 10 sekund. W ym aga się (wg norm y USA), aby w czasie wrzutu obciążenia spadek prędkości obrotowej nie przekroczył 5% w artości znamiono­

wej, a czas regulacji 5 sekund. Ze względu n a ograniczone możliwości obciąże­

n ia silnika bardzo w ażną rzeczą je s t dobranie odpowiedniego program u załą­

czania obciążeń, ta k aby m aksym alnie skrócić czas i równocześnie nie dopro­

wadzić do przeciążenia i zgaśnięcia silnika. W ram ach współpracy z ZUT ZGODA opracowano k ilk a w ersji m atem atycznego m odelu dynam iki średnio- obrotowego silnika wysokoprężnego oraz odpowiednie program y komputero­

we. Modele m atem atyczne zostały opisane w publikacjach [ 1 - 5 ] .

Każdy model m atem atyczny ta k złożonego obiektu, ja k silnik wysokopręż­

ny m usi zaw ierać pewne p a ra m etry w yznaczane w w yniku bad ań ruchowych silnika. O sta tn ia w ersja modelu, przedstaw iona w pracy [2], charakteryzuje się tym , że ilość koniecznych danych pom iarowych ograniczono do niezbędne­

go m inim um , i równocześnie uzyskano zadow alającą wiarygodność wyników obliczeń.

2. MODEL MATEMATYCZNY ZESPOŁU PRĄDOTWÓRCZEGO

A ktualnie używ any program kom puterow y SIL N IK -G opisany w pracy [2]

oparty je s t n a uproszczonym m odelu dynam iki zespołu prądotwórczego opisa­

nym w pracy [5].

N a rys. 1 przedstaw iono schem at blokowy zespołu prądotwórczego. We­

w n ątrz bloków wpisano funkcje realizow ane przez te bloki.

Blok R reprezentuje dynam ikę reg u lato ra prędkości obrotowej. Stosowane są regulatory hydrauliczne firm y W oodward. Są to regulatory o algorytmie działania PI z siłownikiem hydraulicznym i odśrodkowym m iernikiem pręd­

kości obrotowej.

Blok P reprezentuje ch arak tery sty k ę statyczną pompy wtryskowej oraz opóźnienie czasowe n a ra s ta n ia m om entu obrotowego silnika wynikające głównie z cykliczności zapłonów.

(Oz

Gr (s)

wo

VB(wo)e TmS VB

P L

^ W d V B PgTlc

SP R

i

Vh VvP, X An M e

z V H

L t V B ps PE

PL

r l t l

— *—

T

r 3 s + 1

ro TLiPe)

Pl 1 1

T j s + 1 T^ s + 1

P D

P d (P e)

Pe

1

Mj Me V

IV

1_

I s M

co

Rys. 1. Schemat blokowy zespołu prądotwórczego z silnikiem wysokoprężnym Fig. 1. Block diagram of the generating sets with diesel engine

188 M ichał Ferenc

Blok S przedstaw ia zależność m om entu obrotowego od doprowadzonej da­

wki paliw a i spraw ności cieplnej silnika. Przyjęto, że spraw ność cieplna silni­

k a zależy tylko od n a d m ia ru pow ietrza do spalania.

Blok W p rzedstaw ia dynam ikę wspólnego w ału silnika i generatora.

Blok M przedstaw ia opory ta rc ia m echanicznego działające n a wał silnika.

Blok G przedstaw ia zależność m om entu oporu g en eratora od mocy czynnej generatora, prędkości obrotowej i w spółczynnika mocy cos cp (poprzez spraw­

ność generatora).

W bloku PE oblicza się średnie ciśnienie użyteczne, które je s t następnie w ykorzystane w blokach TD i PD do obliczenia tem p e ra tu ry i ciśnienia doła­

dow ania z wzorów aproksym ujących ch arak tery sty k ę statyczną.

W stan ie ustalonym te m p e ra tu ra i ciśnienia doładow ania są funkcją obcią­

żenia silnika, którego m ia rą je s t średnie ciśnienie użyteczne. Dynamikę ukła­

du doładow ania rep rezen tu ją bloki 1, 2, 3. Stałe czasowe m uszą być wzięte z b adań dynam icznych silnika. Te stałe czasowe zależą w pewnym stopniu od obciążenia silnika.

W bloku D obliczana je s t gęstość pow ietrza n a wlocie do cylindrów, a w bloku L n ad m iar pow ietrza do spalania. W bloku S P R obliczana je s t spraw­

ność cieplna silnika jako funkcja n a d m ia ru pow ietrza do spalania.

W zespołach prądotwórczych prędkość obrotowa je s t stabilizow ana przez reg ulato r prędkości obrotowej. Zespoły do awaryjnego zasilania elektrowni jądrow ych m ają nastaw iony statyzm równy zero, wobec tego w stanie ustalo­

nym prędkość obrotowa je s t dokładnie rów na prędkości zadanej, a dynamicz­

ne odchyłki prędkości obrotowej nie mogą przekroczyć 5% prędkości znamio­

nowej. Z tego powodu wpływ prędkości obrotowej n a charakterystyk ę pompy wtryskowej, spraw ność cieplną silnika, ciśnienie i tem p e ra tu rę doładowania m ożna pominąć.

3. OBCIĄŻENIA GRANICZNE ZESPOŁU PRĄDOTWÓRCZEGO

Do sporządzenia program u obciążeń zespołu prądotwórczego niezbędna jest c h a rak tery sty k a obciążeń granicznych zespołu prądotwórczego przedstawio­

n a n a rys. 2.

C h arak tery sty k a obciążeń granicznych p rzed staw ia zależność dopuszczal­

nych przyrostów mocy g e n erato ra od mocy ustalonej, ja k ą m iał generator przed w zrostem obciążenia.

C h a ra k te ry sty k a obciążeń granicznych zależy od czasowego przebiegu w rzu tu mocy. N ajtrudniejsze w aru n k i pracy silnika w ystępującą przy skoko­

wych zm ianach obciążenia. Nieco łatw iejsze w aru nk i pow stają przy impulso­

wych w rzu tach obciążenia pow stających podczas rozruchu silników elektrycz­

nych, bowiem po zakończeniu rozruchu pobór mocy obniża się w stosunku do

P o

Rys. 2. Charakterystyki obciążeń granicznych zespołu prądotwórczego Fig. 2. Limit load performance curves of a generating set

1 9 0 M ichał Ferenc

poboru mocy w czasie rozruchu, dlatego krzyw e graniczne dla impulsowego w rzu tu mocy leżą powyżej krzywej granicznej dla skokowego w rzutu mocy.

Dla m ałych obciążeń początkowych silnik dysponuje dużą rezerw ą mocy, dlatego dopuszczalne w rzuty obciążenia są najw iększe i są ograniczone bra­

kiem pow ietrza do spalania, bowiem ciśnienie doładow ania je st niskie.

W m iarę w zrostu obciążenia początkowego dopuszczalne przyrosty mocy maleją.

Przy dużych mocach początkowych pojaw ia się ograniczenie mocy wynika­

jące z m echanicznego ograniczenia ru ch u listw y paliwowej sterującej wtry­

skiem paliw a. M aksym alne obciążenie silnika nie może przekroczyć 110%

obciążenia znamionowego.

W łączenie następnego obciążenia może n astąp ić tu ż po zakończeniu rozru­

chu uprzednio włączonych silników elektrycznych w w arunkach nieustalone­

go sta n u w układzie doładow ania siln ik a wysokoprężnego. Uzyskuje się wów­

czas większe przyrosty mocy zespołu prądotwórczego, bowiem w rzut obciąże­

n ia n astępu je przy korzystniejszych w aru n k ach początkowych, a zwłaszcza przy wyższym ciśnieniu doładowania. Dla kolejno następujących po sobie w rzutów obciążenia krzyw e obciążenia granicznego dla drugiego w rzutu ob­

ciążenia są o około 10% wyższe w porów naniu z w rzutem obciążenia w warun­

kach sta n u ustalonego.

4. PODSUMOWANIE

Przedstaw iony w artyku le m atem atyczny model dynam iki silnika chara­

kteryzuje się znacznym i uproszczeniam i w opisie u k ład u doładow ania w sto­

su n ku do m odelu stosowanego uprzednio w ZUT ZGODA. Dzięki tym uprosz­

czeniom uzyskano znaczne zm niejszenie ilości w ym aganych danych doświad­

czalnych, przy czym dane te uzyskać m ożna w stosunkowo prostych pomia­

rach. Dokładność m odelu je s t zadow alająca w przypadku pracy silnika ze sta łą prędkością obrotową a więc w zastosow aniach dla zespołów prądotwór­

czych lub przy napędzie śruby nastaw nej sta tk u .

OZNACZENIA

Gr(s) — tra n sm ita n c ja operatorow a reg u lato ra prędkości obrotowej, I - masowy m om ent bezwładności w ału zespołu prądotwórczego, Lt - teoretyczne zapotrzebow anie pow ietrza,

Me - m om ent obrotowy silnika, M; — m om ent indykow any silnika,

Mm - m om ent s tr a t m echanicznych silnika, Mg - m om ent oporu genratora,

n - prędkość obrotowa silnika,

p d - ciśnienie doładowania,

p L — ciśnienie doładowania absolutne, p e — średnie ciśnienie użyteczne silnika, P g - moc elektryczna czynna generatora, P 0 - moc początkowa generatora,

APr - przyrost mocy g eneratora (moc rozruchowa), Rl - sta ła gazowa powietrza,

s — operator Laplace’a, t - czas,

Tl — te m p e ra tu ra doładowania,

T 1; T2, T3 - stałe czasowe w układzie doładow ania, Tm - opóźnienie czasowe (czas m artw y silnika), VB - skokowa wydajność pom py w tryskow ej, Wd - w artość opałowa paliw a,

WO - w skaźnik obciążenia (położenie listw y paliwowej), z - ilość cylindrów silnika,

X — n adm iar powietrza do spalania, T|c — spraw ność cieplna silnika, T|g - spraw ność generatora,

r|v - spraw ność napełnienia silnika, co = —-- n - prędkość kątow a w ału silnika, Ti

o U

coz - zadana prędkość k ątow a w ału silnika,

Pb _ gęstość paliwa,

Pl ~ gęstość powietrza.

LITERATURA

[1] Ferenc M.: Modelowanie num eryczne procesu regulacji okrętowego silni­

k a wysokoprężnego z uwzględnieniem nieliniowości. P raca habilitacyj­

na. Zeszyty Naukowe Pol. Śl. n r 587, seria E nergetyka z. 80, Gliwice 1978.

[2] Ferenc M., Stokłosa H., Cop J., M ędrych J.: Opracowanie modelu m ate­

m atycznego dynam iki silników ZA40S i program u obliczeń n a m aszynę cyfrową. Opracowanie R-179/88 SIM PEX Katowice n a zlecenie ZUT

„ZGODA” Świętochłowice 1988.

[3] Ferenc M., Osuch W., Stokłosa H.: Obliczanie przebiegu procesu regula­

cji prędkości obrotowej średnioobrotowego silnika wysokoprężnego w napędach stacjonarnych. Referat n a sympozjum MOTORCOMPUT 89.

W arszaw a 1989.

[4] Ferenc M., Wideł S., Wideł A., Sytniew ski J.: Opracowanie program u u k ład u mikroprocesorowego do sterow ania obiektów energetycznych na

192 M ichał Ferenc

przykładzie średnioobrotowego silnika wysokoprężnego. Praca badaw­

cza N B -400/R A u-2/R M E-2/88 zad. 30.3. Gliwice 1989.

[5] Ferenc M., Osuch W., Stokłosa H.: Uproszczony model matematyczny dynam iki średnioobrotowego siln ik a wysokoprężnego. Silniki Spalinowe n r 4/1989.

A b stra ct

In th e pap er a m athem atical m odel of Diesel engine dynam ics has been presented. This model can be used to com pute th e perm issible loads of a generating u nits. The g en eratin g sets of 2.8 MW and 6.3 MW can be used as reserve energy supply source. The presen ted model is sim plified in description of loading system in reg ard to previously used models by ZUT ZGODA. Using th is sim plification model w as obtained an enorm ous decreasing of the dem anded experim ental data. Accuracy of th is model is a really good for the case of an engine o perating w ith co nstant revolutions, e.g. for apply as screw boat driving engines.