核電廠汽機主調節閥閥位波動問題研究

董 威 黃美華 曾 彬

(中廣核工程有限公司設計院，廣東 深圳 518172)

0 引言

某項目一期工程一號機組商運期間，在滿功率時，發生汽機主調節閥頻繁動作的問題。主調節閥頻繁波動不滿足法規DL/T996 -2006 要求(系統動態過程應能迅速穩定，振蕩次數不應超過2 ～3 次)。其他核電項目也有類似問題。

目前的臨時修改策略是:①對主調節閥閥位控制環節中的Vickers 卡死區補償進行重新調整;②對主調節閥組態曲線進行局部優化，即對55%區域斜率進行修改。但是，隨著核島蒸發器出口蒸汽壓力VVP 持續下降，主調節閥在功率滿功率下開度將持續增大，閥門調節還是有可能進入頻繁波動區，使閥門油動機供油軟管可能發生壓力脈沖，極易發生應力疲勞損壞。因此，需要對主調節閥頻繁波動問題進行深入研究，提出更好的解決辦法。

1 問題原因分析

導致問題的直接原因是滿功率運行時汽輪機工作在調節閥組態陡峭區域。核電汽機主調節閥機械特性曲線和組態特性曲線如圖1 所示。

圖1 汽機主調節閥機械特性曲線、組態特性曲線圖Fig.1 Mechanical characteristic curve and configuration curve of main regulator valve of turbine

閥門特點是:為滿足汽輪發電機組暖機、沖轉轉速控制、升負荷速率控制要求，汽輪機主調節閥門具備小開度下良好調節性能;同時，與汽輪機設計通流容量相匹配，通流能力裕量不需要過大。從運行記錄可知，2014 年1 月20 日，某項目1 號機運行功率平臺2 900 MW(核功率)，發電功率1 125 MW，4 個主調節閥閥位開度為56% ～61%，處于調節振蕩區域。

1.1 汽輪機主調節閥工作原理

主汽調節閥控制示意圖如圖2 所示。汽輪發電機組在自動控制模式下，設置目標負荷后，將轉速信號和實測功率與之相比較，經比例積分(proportion and integration，PI)控制器運算，轉換為蒸汽需求量(SD)信號。SD 信號經汽輪機控制系統主汽閥組態特性函數(曲線)，轉換為控制閥閥位信號。閥位信號經過P(比例)控制器運算，并與比例閥閥位信號進行運算，將閥位控制信號轉換為電信號，再通過電液放大器(electro hydraulic amplifier，EHA)模塊轉換為液壓信號;利用GFR 高壓油壓力，驅動主汽調節閥和中壓調節閥油動機，調節進入汽輪機的蒸汽量，使實際負荷和目標負荷一致，同時，跟蹤機組轉速(電網調頻)變化，進行頻率調節。

圖2 汽輪機進汽調節閥調節示意圖Fig 2 Schematic diagram of turbine steam inlet regulating valve

在圖2 所示閥位控制環路3 中，由于EHA 模塊電液轉化比例閥在機械構造上都存在機械交迭，形成機械零位死區。為了補償這種機械偏差，Vickers 卡設置補償功能，即在P 控制器后設置一個死區補償(dead band compensation，DBC)(在Vickers 卡中)，用于調整系統的動態穩定性能。

1.2 堆-機功率調節原理

堆-機功率調節控制簡圖如圖3 所示。

圖3 堆-機功率調節控制簡圖Fig3 Simplified diagram of reactor-turbine power control

正常運行情況下，操作員在汽輪機調節系統設置目標負荷和升負荷速率。當汽輪機控制模式(80 信號置“1”)為“自動”時，目標負荷變為“負荷參考值”72信號送往核島棒控系統，作為G 棒功率調節信號，使反應堆輸出熱功率與目標負荷對應的核島熱功率相同。同時，目標負荷經與實測功率偏差、轉速偏差、加速度偏差進行PI 運算后，經汽機主調節閥組態運算變為閥位信號，調節汽輪機進汽量，使發動機輸出功率與目標負荷一致。當汽輪機控制模式(80 信號置“0”)為“手動”時，汽輪發電機組采用開環控制模式，發電機實測功率不參與偏差運算。目標負荷經組態特性曲線變換后，調整汽機主調節閥在相應位置，發電機輸出功率有可能與目標負荷不一致。而此時，汽輪機調節系統(GRE)送往反應堆棒控的目標負荷信號變為“開度參考值”74 信號，反應堆輸出熱功率與目標負荷對應的核島熱功率相同。由于反應堆采用開環控制模式，為了防止堆芯功率超過運行限值，汽輪機調節系統(GRE)設置了兩個參數用于限制二回路功率(汽輪機進汽量)，即“進汽壓力整定值”76 信號和“操縱員SD限值”82 信號，可由操作員在控制界面中設置，用于限制汽輪機調節閥最大開度。

2 主汽閥組態特性曲線優化必要性

根據商運以來的運行反饋，在夏季工況下，電網負荷需求量大，需要核電廠盡可能滿發。而此工況時，海水溫度高，凝汽器背壓相對高，在盡可能高的發電功率要求下，在全年運行過程中，汽機進汽調節閥開度最大。根據調節系統(GRE)定期試驗要求，每月要進行一次主汽閥活動試驗，驗證主汽閥是否可正常啟閉。在盡可能高的功率平臺進行試驗(確保機組運行安全為前提)，不做試驗的3 個主調節閥開度均比較高(除非降低發電機輸出功率，即降低定期活動試驗功率平臺)。

同時，根據各項目在運機組情況，核島蒸發器過來的主蒸汽壓力有逐年下降趨勢，意味著主汽調節閥開度在同功率平臺會增大。

從東方機型在建項目主調節閥組態來看，某項目調節閥開度在54% ～58%時，斜率(閥位開度變化/蒸汽需求量變化)為4∶1;當調節閥開度為58% ～70%時，斜率為24 ∶1。另外一個項目當調節閥開度為55.5% ～58%時，斜率(閥位開度變化/蒸汽需求量變化)為2.5∶1;當調節閥開度為58% ～64%時，斜率為4∶1;當調節閥開度為64% ～70%時，斜率為12∶1。根據法國ALSTOM 經驗，最大斜率為3∶1，在法國N4 電站中，有采用斜率2.5∶1 的運行經驗。由某項目實際運行參數來看，在夏季滿負荷運行時，當調節閥閥位開度為56% ～58%，多運行在斜率超過4∶1 區間;當運行在閥位開度58%以上時，調節閥存在顯著高頻率動作，工作不穩定。另外一個項目1 號機相對好一些，主調節閥開度多運行在58%以下，開度超58%的時間短、次數少。若機組在主調節閥斜率3∶1 以上長時間運行，會對機組運行帶來安全隱患和風險。也就是在高斜率下，當電網頻率變化、二回路設備、主要閥門動作異常時，調節閥動作頻繁，調節性能不穩定，并可能影響調閥油動機調節油壓穩定，嚴重時會影響主調節閥合理使用壽命。

3 優化方案

由上述分析可知，為了防止閥門波動，需要主調節閥特性曲線盡可能平緩，因此對主調節閥大開度(高斜率)區的特性曲線(圖2 閥位控制環路2 中)進行優化。對閥位開度在52% ～100%區間的組態曲線進行調整，此區間組態曲線按3∶1(閥位變化量:蒸汽需求量SD 變化量)斜率對原組態曲線進行修正，在小于52%開度區間維持調試最終曲線。主調節閥優化曲線和原曲線對比如圖4 所示。

圖4 主調節閥組態特性優化曲線圖Fig 4 Optimized characteristic curve of main regulator valve

從圖4 可看出，在ALSTOM 優化方案中，使原來SD=105%(對應閥位100%)變為SD =120%時，SD量程放寬，汽輪機調節系統中的SD 信號會送往棒控系統(RGL)。因此，RGL 系統定值需要作適應性修改。

4 優化方案仿真

汽輪機效率下降的仿真曲線如圖5 所示。圖5中，在130 s 之前是修改前的仿真，兩次修改了汽輪機效率，閥門有比較大的波動，由此帶來了電功率、核功率的波動。在130 s 后，修改曲線和相關函數后再進行仿真，兩次同樣修改汽輪機效率，從圖5 可見，閥門波動很小，電功率和核功率的穩定。二回路功率波動會導致一回路功率波動;采用優化方案后，提高了滿功率下主調節閥抗干擾能力，一回路波動變小。

圖5 汽輪機效率下降時的二回路仿真圖Fig 5 Simulation of the second loop when the efficiency of turbine decreases

考慮到核電廠在某些情況下產生短時間超功率運行工況，超功率工況下的抗干擾仿真試驗結果如圖6所示。在470 s 之前是修改前的仿真。在380 s 時觸發一個擾動，閥門產生比較大的波動。在470 s 之后，修改曲線和相關函數后再進行仿真。當810 s 時觸發一個擾動，閥門的波動較小。由仿真結果可以看出，采用優化方案后，在超功率工況下提高了主調節閥抗干擾能力，對核島控制性能影響不大。

圖6 超功率運行情況下的二回路仿真Fig 6 Simulation of the second loop under surpass power operation

綜上，如果修改主調節閥組態特性優化曲線，在滿功率或超功率運行時，主調節閥波動減小，機組穩定運行。

5 結束語

本文針對ALSTOM 汽機主調節閥存在閥位頻繁波動導致高壓調節油泄漏的問題，提出修改主調節閥組態特性曲線的方案，通過在全范圍模擬機上的仿真，得到了較好的結果，證實了該方案的可行性。當然，本方案還需要在實際在運機組上得到進一步檢驗。本文提出的修改主調節閥組態特性曲線的方案為完全解決主調節閥波動問題提供了詳實可靠的設計方案，同時也為堆機協調控制提供了重要參考。

［1］ 濮繼龍. 大亞灣核電廠運行教程［M］北京:原子能出版社，1999:555 -633.

［2］ 廣東核電培訓中心. 900MW 壓水堆核電廠系統與設備(下冊)［M］.北京:原子能出版社，2007:319 -339.

［3］中華人民共和國國家發展和改革委員會.DL/T 996 -2006 火力發電廠汽輪機電液控制系統技術條件［S］. 2006:13 -15.