张杰，吴苏敏，朱文江，靳文金

（1.中广核研究院有限公司，广东 深圳 518000；2.大亚湾核电运营管理有限责任公司,广东 深圳 518000）

核电站应急发电机组，是核电厂的应急电源，厂用电及备用电源失去时，自动启动并带载相关负荷，以保障机组安全停堆并保护关键设备不被损坏。碍于相继增压柴油机仅在上述紧急状况下投入使用，故日常工作中，需要借助柴油机实时仿真模型，研究相继增压柴油机工作性能。近年来，仿真技术不断发展，利用仿真模型进行柴油机性能仿真，已成为柴油机性能分析的重要方式。

本文采用模块化建模方式，利用Simulink-Stateflow-Veristand 联合建模的方式搭建柴油机实时仿真模型。搭建的仿真模型，能够模拟柴油机典型工况，进行性能仿真。能够体现加载过程中的，涡轮增压器切入过程。通过多级增压柴油机性能仿真，能够随时分析柴油机典型工况下的性能，为核电厂安全生产，提供理论保障。

1 多级增压柴油机典型工况分析

核电用应急发电机组中的某型相继增压柴油机为一种高速柴油机，四冲程，V 型排列，直接喷射，5 组废气涡轮增压，中间空气冷却的高速柴油机。该型柴油机结构示意图，如图1 所示。

起动工况下，要求相继增压柴油机在起动扭矩的作用下，迅速起动，使转速达到设定转速。

加载工况下，负载增加过程中，齿条位移增加，喷油量增大，运行转速下降。空载状态下，2 组涡轮增压器进行工作，随着负载的增加，3 组涡轮增压器相继切入，加载过程中，涡轮增压器切入逻辑，如图2 所示。

减载工况下，齿条位移减小，喷油量减少，运行转速上升，涡轮增压器的切出顺序，与加载工况下的切入顺序相反。

图1 多级增压柴油机结构示意图

2 相继增压柴油机实时模型搭建

2.1 Simulink 模块化建立柴油机模型

柴油机模型的搭建基于Simulink 软件，采用模块化建模的方法，基于柴油机结构进行使用的，建立的柴油机模型包括燃油系统子模型、进排气系统子模型、气缸系统子模型、动力学系统子模型。柴油机模型结构图，如图3 所示。

建立的柴油机模型采用发动机平均值模型，该模型发展成熟，算法结构简单，计算成本低，仿真速度快，实时性高，对柴油机的适用性好，且后续可以实现功能添加升级、算法结构改进等操作。

建立的柴油机模型燃油系统子模型通过供油量、齿条位置及喷油特性等数据。供油量q 与齿条位移l 及柴油机转速n 及系数k0、k1、k2的关系为：

图2 涡轮增压器切入逻辑

对于涡轮增压器中的连接轴，压气机和涡轮通过连接轴连接，通过两者的扭矩之差来计算转速加速度，在稳定工况下，涡轮扭矩与压气机扭矩相等，加速度为0，增压器转速保持不变，具体公式如下：

建立的柴油机模型，进排气系统子模型中的，中冷器部分原理为：空气流经压气机被压缩后，温度变高，中冷器的作用是将高温气体进行冷却，降低热负荷的同时增加进气量。式中，为中冷器出口温度，K；为中冷器入口温度，K；为中冷器效率；为中冷器冷却水温度，K。计算公式如下：

2.2 Stateflow 建立涡轮增压器工作逻辑模型

Stateflow 是一个基于有限状态机和流程图来构建组合和时序逻辑决策模型并进行仿真的软件，采用Stateflow 建立涡轮增压器工作逻辑模型。5 组涡轮增压器的工作状态以valve_A1 等5 组电磁阀表示：涡轮增压器投入，电磁阀状态为1；涡轮增压器投出，电磁阀状态为0。建立的涡轮增压器工作逻辑模型结构图，如图4 所示。

图3 柴油机模型结构

2.3 Veristand 建立柴油机实时仿真模型

VeriStand 为 NI公司推出的专用于硬件在环系统的软件。在搭建的柴油机Simulink模型界面中利用Code Generation 功能生成柴油机DLL 模型文件；在VeriStand 配置界面System Explorer 中 将DLL 文件添加至Targets-Controller-Simulation Models-Models，即实现了柴油机Simulink 模型编译进NI 板卡，成为柴油机实时模型的过程。

完成了应急柴油机实时模型的搭建。搭建好的实时仿真模型在控制器的控制下进行运行。

图4 涡轮增压器工作逻辑模型

3 柴油机模型运行及性能仿真

利用搭建好的柴油机实时仿真模型，进行相继增压柴油机性能仿真。选取该多级增压柴油机运行过程中的典型工况，即起动工况、加载工况、减载工况，进行性能仿真，结果如图5 ～8。

图5 表明，所研发的相继增压柴油机实时仿真模型，满足核电用相继增压柴油机的最基本需求，与实际柴油机运行相一致，即起动迅速，发动机转速能快速达到设定转速。搭建的柴油机模型在15s 内转速升至的核定转速，满足核电厂相关要求。在发动机转速上升期间，齿条位移在前期开环控制下，呈现大齿条位移供油的状态，后期达到闭环控制后，齿条位移保持稳定，齿条位移的变化情况与发动机转速的变化情况的对应关系正确；表明搭建的模型能够正确进行相继增压器柴油机起动性能仿真。

图5 起动工况性能曲线

图6 表明，在加载工况下，搭建的柴油机模型满足核电用相继增压柴油机的加载要求，即在该控制策略下，自72s 左右，随着负载的增加，柴油机齿条位移增加，柴油机功率增大，与实际柴油机运行相一致。

发动机转速在负载增加的过程中，逐渐下降。且搭建的模型能够满足多次加载工况；表明搭建的模型能够正确进行相继增压器柴油机加载性能仿真。

图6 加载工况性能曲线

图7 表明，搭建的柴油机模型的涡轮增压器的运行情况符合要求，即起动过程中，增压器A1、A2 立即投入工作，二者的转速上升，当发动机转速达到设定转速时，二者转速保持稳定。自72s 左右，随着负载的增加，B1、B2、B3 以此投入工作，且三者的转速上升迅速，在较短的时间内达到各自的稳定状态，满足加载工况下，对涡轮增压器的工作要求。各涡轮增压器投入逻辑正确，相应特性迅速；表明搭建的模型能够正确进行相继增压器柴油机相继增压性能仿真。

图7 涡轮增压器投入性能曲线

图8 表明，在减载工况下，搭建的柴油机模型满足核电用相继增压柴油机的减载要求，即在该控制策略下，取初次减载时的时间为0，随着负载的减少，柴油机齿条位移减小，柴油机功率减小。发动机转速在负载减少的过程中，逐渐上升。且搭建的模型能够满足多次减载工况；表明搭建的模型能够正确进行相继增压器柴油机减载性能仿真。

图8 减载工况性能曲线

4 结语

本文利用Simulink-Stateflow-Veristand 联合建模的方式，基于模块化及柴油机原理的建模方法，搭建了核电用应急发电机组中的某型相继增压柴油机。进行了包括起动、加减载在内的典型工况下的相继增压柴油机性能仿真，并对仿真结果进行分析。仿真分析结果得出以下结论：（1）搭建的相继增压柴油机实时仿真模型能够在真实控制器的控制下实时运行。（2）搭建的模型能正确反映某型相继增压柴油机在典型工况下的性能，即能够进行该柴油机的性能仿真。（3）搭建的模型能够体现该柴油机的各涡轮增压器的投入运行情况，及能够进行相继增压特性仿真。（4）基于该柴油机性能仿真，能够随时分析其典型工况下的性能，为核电厂安全生产提供理论保障。