核電廠汽輪機一次調(diào)頻設計方案與應用研究

展曉磊，曾 彬

（深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518172）

核電廠汽輪機一次調(diào)頻設計方案與應用研究

展曉磊，曾 彬

（深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518172）

電網(wǎng)頻率是保證電能質(zhì)量的重要指標。隨著用電結構變化導致負荷峰谷差逐步增大，電網(wǎng)對并網(wǎng)機組一次調(diào)頻的要求也越來越高。目前，國內(nèi)核電機組裝機容量日益增加，其一次調(diào)頻性能對電網(wǎng)和機組安全影響較大，如何設計核電機組的一次調(diào)頻方案及設置合理的一次調(diào)頻參數(shù)，并保證核電機組按電網(wǎng)要求投入一次調(diào)頻功能，關系著整個核電機組的安全與穩(wěn)定運行。在分析發(fā)電機組一次調(diào)頻特性、研究核電機組帶一次調(diào)頻的轉速負荷無擾切換控制原理的基礎上，提出了適用于核電機組的一次調(diào)頻及頻率限制功能的邏輯設計方案，并根據(jù)堆機匹配的控制要求優(yōu)化了一次調(diào)頻參數(shù)。在汽輪機控制系統(tǒng)模擬機上，對一次調(diào)頻方案進行仿真驗證。結果表明，一次調(diào)頻方案可以快速響應電網(wǎng)頻率變化并保證機組安全穩(wěn)定運行，滿足電網(wǎng)的一次調(diào)頻要求和汽輪機的控制要求，對后續(xù)核電機組參與電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰的方案設計、現(xiàn)場調(diào)試及運行具有重要的參考價值和理論指導意義。

核電；CPR1000；一次調(diào)頻；負荷；轉速；無擾切換；調(diào)差系數(shù)

0 引言

電網(wǎng)頻率是保證電能質(zhì)量的重要指標，頻率過低或過高都會對電網(wǎng)造成波動，影響電網(wǎng)的可靠運行。一次調(diào)頻是當外界電網(wǎng)負荷變化引起電網(wǎng)頻率改變時，電網(wǎng)內(nèi)各運行機組的調(diào)節(jié)系統(tǒng)將根據(jù)各自固有的功率頻率靜態(tài)特性，在發(fā)電機調(diào)速器的作用下改變機組的輸出功率，來阻止系統(tǒng)頻率偏離標準的調(diào)節(jié)方式。電力系統(tǒng)的一次綜合調(diào)節(jié)特性是系統(tǒng)內(nèi)所有發(fā)電機和負荷一次調(diào)節(jié)特性的總和，為有差調(diào)節(jié)。一次調(diào)頻的主要目的在于快速消除整個電網(wǎng)小幅度的負荷擾動，對異常情況下的負荷突變起緩沖作用。

目前，國內(nèi)核電機組裝機容量日益增加。保證核電機組的一次調(diào)頻是電網(wǎng)的硬性要求［1-2］。

電力行業(yè)標準DL/T 996-2006的8.2節(jié)要求：為了保證電網(wǎng)運行的可靠性和電能質(zhì)量，運行中的機組必須具有一次調(diào)頻能力；一次調(diào)頻死區(qū)應根據(jù)機組的容量和在電網(wǎng)中的作用等具體要求設置，一次調(diào)頻死區(qū)設置的范圍為0～0.1 Hz，默認值為0.033 Hz；調(diào)頻限幅上限不宜大于5%額定負荷［3-4］。

本文主要針對CPR1000壓水堆核電廠機組一次調(diào)頻的實現(xiàn)方案進行分析研究。

1 發(fā)電機組的一次調(diào)頻特性

核電汽輪機組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻，保證電廠一、二回路穩(wěn)定運行是首先需要考慮的問題。除了一次調(diào)頻系統(tǒng)設計保證汽輪機不同控制模式下穩(wěn)定無擾運行外，還需根據(jù)核島的核功率運行及調(diào)節(jié)特點選擇合適的一次調(diào)頻設計方案，以保證核反應堆控制棒不會頻繁波動，確保核反應堆穩(wěn)定經(jīng)濟運行。另外，為滿足電網(wǎng)的要求及快速響應電網(wǎng)頻率變化，涉及頻率參數(shù)的設計問題。本文將針對上述問題進行介紹分析。

在發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)的作用下，發(fā)電機組輸出功率隨電力系統(tǒng)頻率的變化而變化，這就是發(fā)電機組的頻率一次調(diào)節(jié)作用［5］。

發(fā)電機組輸出功率和頻率關系的曲線稱為發(fā)電機組的功率-頻率靜態(tài)特性［6］。當系統(tǒng)穩(wěn)定后，功率-頻率靜態(tài)特性可以近似地用直線來表示。功率-頻率靜態(tài)特性曲線如圖1所示。

圖1 功率-頻率靜態(tài)特性曲線Fig.1 Power-frequency static characteristic curve

發(fā)電機組以額定頻率f0運行時（相當于圖中的a點），其輸出功率為額定功率P0；當系統(tǒng)負荷增加而使頻率下降到f1時，發(fā)電機組由于調(diào)速系統(tǒng)的作用，使輸出功率增加到P1（相當于圖中的b點）。如果發(fā)電機的調(diào)節(jié)汽門的開度已達到允許最大位置（相當于圖中的c點），則頻率下降，發(fā)電機組的輸出功率也不會增加，這就是機組最大出力限制。發(fā)電機組的功率-頻率靜態(tài)特性曲線的斜率計算公式為：

式中：R為發(fā)電機組的調(diào)差系數(shù)；f為電網(wǎng)頻率；P為機組的功率。

調(diào)差系數(shù)R的表達式為：

式中：f0為電網(wǎng)額定頻率；P0為機組的額定功率；Δf=f0-f1；ΔP=P1-P0。

調(diào)差系數(shù)代表了機組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的能力。調(diào)差系數(shù)越小，表明機組參與一次調(diào)頻的能力越強，但大負荷的波動不利于機組的穩(wěn)定運行；調(diào)差系數(shù)越大，表明機組響應電網(wǎng)一次調(diào)頻的能力越差，但可以保證機組長期穩(wěn)定經(jīng)濟運行。汽輪機需根據(jù)本身性能參數(shù)選擇合適的調(diào)差系數(shù)，汽輪機組的調(diào)差系數(shù)一般在 3%～6%之間［3-4］。

2 汽輪機組一次調(diào)頻功能設計

以國內(nèi)某CPR1000壓水堆核電機組為例，其汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)轉速負荷控制設計分為轉速控制器模式和負荷控制器模式。汽輪機的轉速負荷控制最終通過有效蒸汽需求量來控制汽輪機閥門開度，在有效負荷設定值模塊增加汽輪機的一次調(diào)頻功能，參與機組的轉速負荷控制［7］。在轉速控制器模式下，一次調(diào)頻模塊利用機組的功頻特性將轉速（頻率）偏差轉化為負荷偏差，并將其加到有效負荷設定值模塊上；在負荷控制器模式下，一次調(diào)頻模塊設置了死區(qū)及幅值限值制功能。當轉速（頻率）在死區(qū)內(nèi)變化，一次調(diào)頻不動作；當轉速（頻率）變化超出死區(qū)范圍，一次調(diào)頻模塊按照功頻特性來調(diào)節(jié)負荷和頻率，并受到最大負荷變化量限制的約束。

核電機組帶汽輪機組一次調(diào)頻功能的轉速負荷控制邏輯原理圖如圖2所示。

圖2 轉速負荷控制邏輯原理圖Fig.2 Schematic diagram of speed-load control logic

圖2中：PSW為機組負荷設定值；PSN為有效負荷設定值；PEL為實際負荷；NSV為有效轉速設定值；NT為實際轉速；KD為轉速前饋參數(shù)；R為調(diào)差系數(shù)；PSF為一次調(diào)頻負荷分量；KP為負荷前饋參數(shù)。

轉速控制器模式下，有效的蒸汽需求量計算公式如下：

負荷控制器模式下，有效的蒸汽需求量計算公式如下：

式中：N0為額定轉速。

為了保證機組在不同控制模式下穩(wěn)定運行，需要汽輪機在轉速和負荷控制模式切換時保證無擾切換。

下面分析無擾切換的計算公式，并引入切換時的轉速設定值SVNS及負荷設定值SVPS。

當機組并網(wǎng)條件滿足以后，汽輪機由轉速控制器模式切換到負荷模式。

為了保證無擾切換，在切換瞬間，有效蒸汽流量保持不變。因此，切換到負荷控制器模式時，式（4）中PI控制器的輸入也要保證為0，即：

式中：SVPS為轉速控制模式切換到負荷模式時的負荷設定值。

當機組帶負荷控制器穩(wěn)定運行時，式（4）中PI控制器輸入為0。發(fā)生甩負荷或者電網(wǎng)出口開關斷開等情況時，負荷控制模式要切換到轉速模式。在切換瞬間機組是穩(wěn)定的，有效負荷設定值PSN=0。為了保證無擾切換，在切換瞬間有效蒸汽流量保持不變。因此，切換到轉速控制器模式時，式（3）中PI控制器的輸入也要保證為0，即：

式中：SVNS為負荷控制模式切換到轉速模式時的轉速設定值。

3 一次調(diào)頻參數(shù)設置

當國內(nèi)CPR1000壓水堆核電機組在堆功率15%～100%額定功率范圍內(nèi)運行時，機組允許的負荷階躍變化范圍為±10%額定功率，并且沒有蒸汽排放到大氣中；機組允許的最大負荷線性變化率為每分鐘5%額定功率。

為了避免機組偏離正常運行和瞬態(tài)運行導致負荷變化過大過快，進而危及核電機組的安全穩(wěn)定運行，根據(jù)電網(wǎng)一次調(diào)頻功能需求及核電機組堆機匹配的控制要求，核電機組一次調(diào)頻參數(shù)應以保證反應堆控制棒不會頻繁動作為首要目標，并設置適用于反應堆功率變化的死區(qū)范圍及一次調(diào)頻的最大調(diào)節(jié)負荷限值［8-9］。某國內(nèi)CPR1000壓水堆核電機組的設計額定功率為1 086 MW，允許進行一次調(diào)頻的功率范圍為162.9～1 086 MW。

一次調(diào)頻參數(shù)設置如下［10-12］。

①一次調(diào)頻死區(qū)：-0.066～0.066 Hz（對應轉速變化為-1.98～1.98 r/min）。

② 一次調(diào)頻調(diào)功容量：-54.3～54.3 MW（10%額定功率）。

③ 頻率限制死區(qū)：-0.5～0.5 Hz。

④頻率限制調(diào)功容量：-200～54.3 MW。

⑤機組的調(diào)差系數(shù)：5%。

一次調(diào)頻功能的限制模塊設計圖如圖3所示。

圖3 限制模塊設計圖Fig.3 Design of the limit modules

圖3中：LU為一次調(diào)頻調(diào)功容量上限；LL1為一次調(diào)頻調(diào)功容量下限；LL2為頻率限制條共容量下限。

為了保證核電機組可以在1 086 MW的額定功率下滿功率穩(wěn)定運行，在1 086 MW功率平臺，一次調(diào)頻調(diào)功容量為-54.3～0MW；頻率限制調(diào)功容量為-200～0MW。為了保證反應堆不會超功率運行，通過圖3的限制功能作用，機組在1 086 MW的額定功率下運行時，電網(wǎng)頻率下降機組無法通過一次調(diào)頻進行升功率，最終維持1 086 MW滿功率運行。通過設置一次調(diào)頻死區(qū)和調(diào)頻幅值限值，既能保證機組安全穩(wěn)定運行，又能實現(xiàn)電網(wǎng)的一次調(diào)頻要求。

4 一次調(diào)頻控制仿真試驗

一次調(diào)頻仿真數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 一次調(diào)頻仿真數(shù)據(jù)Tab.1 Simulation data of primary frequency control

通過汽輪機控制系統(tǒng)模擬機組一次調(diào)頻方案，在機組并網(wǎng)并穩(wěn)定運行至900 MW功率平臺后，手動投入一次調(diào)頻模塊，模擬電網(wǎng)頻率波動，仿真一次調(diào)頻動作情況。一次調(diào)頻仿真曲線如圖4所示。

圖4 一次調(diào)頻仿真曲線圖Fig.4 Simulation curves of primary frequency control

①當轉速降到1 499 r/min，頻率未超過死區(qū)，汽輪機組未響應電網(wǎng)一次調(diào)頻；當轉速降到1 496 r/min，越過一次調(diào)頻死區(qū)，汽輪機組一次調(diào)頻動作，升負荷至928.32 MW；當轉速降到1 485 r/min，越過一次調(diào)頻死區(qū)并達到機組頻率限制死區(qū)，汽輪機組一次調(diào)頻動作，升負荷至956 MW；當轉速繼續(xù)降到1 474 r/min，越過機組頻率限制死區(qū)，汽輪機組頻率限制動作，負荷升至956 MW，以保證汽輪機葉片的安全。

②當轉速升至1 501 r/min，頻率未超過死區(qū)，汽輪機組未響應電網(wǎng)一次調(diào)頻；當轉速升至1 504 r/min，越過一次調(diào)頻死區(qū)，汽輪機組一次調(diào)頻動作，降負荷至869.2 MW；當轉速升至1 515 r/min，越過一次調(diào)頻死區(qū)并達到機組頻率限制死區(qū)，汽輪機組一次調(diào)頻動作，降負荷至846 MW；當轉速繼續(xù)升至1 525 r/min，越過機組頻率限制死區(qū)，汽輪機組頻率限制動作，降負荷繼續(xù)降至754 MW，越過了一次調(diào)頻的最低負荷限值（-54.3 MW），以保證汽輪機葉片的安全。

從仿真試驗可以看出，在機組正常運行工況下，一次調(diào)頻投入后，電網(wǎng)頻率波動小于調(diào)頻死區(qū)不調(diào)節(jié)負荷；電網(wǎng)頻率大于調(diào)頻死區(qū)時，汽輪機組按照一次調(diào)頻曲線進行頻率調(diào)節(jié)，使負荷變化維持在5%額定功率以內(nèi)。此外，當機組發(fā)生大范圍為頻率波動時，為了保護汽輪機葉片不受影響，頻率限制功能生效，保證機組的功率最多能減小200 MW。

5 一次調(diào)頻手動投切功能改進

考慮到核電汽輪機組的特殊性，該核電廠汽輪機組的一次調(diào)頻功能設計為可以手動投切，以便操縱員在需要時手動投切一次調(diào)頻功能，保證機組帶基本負荷安全穩(wěn)定運行，同時可以滿足電網(wǎng)的一次調(diào)頻的要求。

一次調(diào)頻功能通過在畫面設置功能塊，隨時手動投切。核電機組在運行過程中，當機組達到滿功率并穩(wěn)定運行72 h后才將一次調(diào)頻投入；當核電安全相關設備出現(xiàn)重大故障時，根據(jù)核電廠運行技術規(guī)范要求，需要手動退出一次調(diào)頻。根據(jù)汽輪機設計要求，當汽輪機控制模式切換到轉速控制模式、主蒸汽流量限制或者壓力限制模式時，汽輪機負荷控制模塊會自動切除一次調(diào)頻功能。

按照《南方區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細則》第二十六條要求，對并網(wǎng)發(fā)電機組一次調(diào)頻的投入情況及相關性能進行考核，機組的一次調(diào)頻月投入率不低于90%。而本文中一次調(diào)頻的投切僅在畫面上有指示燈提醒，且具有手動投切功能。當一次調(diào)頻退出時，DCS沒有報警提示，不易引起操縱員注意，可能導致一次調(diào)頻在某些工況退出后未及時投入。為此，增加一次調(diào)頻退出報警設計，以達到提醒操縱員目的，保證電網(wǎng)對一次調(diào)頻投入率的考核要求。

6 結束語

本文介紹了國內(nèi)某CPR1000壓水堆核電機組一次調(diào)頻的設計方案，研究并分析了一次調(diào)頻功能在不同控制模式下的無擾切換、一次調(diào)頻死區(qū)的設置及頻率響應調(diào)功容量限值的設置方案。通過仿真驗證可以看出，一次調(diào)頻方案可以實現(xiàn)核電機組對電網(wǎng)頻率變化的快速響應，并按照一次調(diào)頻參數(shù)自動將汽輪機組的負荷限制在規(guī)定的范圍內(nèi)。這樣既能保證核電機組的安全、穩(wěn)定運行，又能滿足電網(wǎng)具備一次調(diào)頻功能的要求。通過優(yōu)化手動投切的一次調(diào)頻設計，滿足電網(wǎng)對調(diào)頻投入率的考核。目前，由于核電廠核島設計的限制，對調(diào)頻死區(qū)及調(diào)功容量的限制較大，核電機組參與調(diào)頻能力有限。后續(xù)隨著技術進步及電網(wǎng)對核電機組并網(wǎng)要求的提高，如何嚴格按照電網(wǎng)要求參與調(diào)頻甚至調(diào)峰將是核電廠堆機匹配要攻克的難題。

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Design Scheme and Application Research on Primary Frequency Control for Turbine of Nuclear Power Plant

ZHAN Xiaolei，ZENG Bin
（Shenzhen China Nuclear Power Design Co.，Ltd.，Shenzhen 518172，China）

The frequency of power grid is the most important index to guarantee the quality of electric power.Along with the difference between the load peak and load valley being larger and larger，the demand of the grid for primary frequency control of power units connected to grid is higher and higher.At present，with the increasing capacity of nuclear power in China，the performance of primary frequency control has great influence on the safety and stability of the grid and the units，how to design the primary frequency control scheme and set reasonable parameters of primary frequency control are more and more important to ensure the primary frequency control function meet the requirement of grid.On the basis of analyzing the primary frequency control characteristic of the power unit and researching，the bump-less transfer principle of the speed and load control with primary frequency control is researched.The scheme of the logic is designed and the reasonable primary frequency control parameters are set according to the control requirements of reactor and turbine coordination.The primary frequency control scheme is simulated and verified in the turbine control simulator.The test results show that the primary frequency control scheme proposed can quickly respond to the grid frequency change and ensure the safety and stability of the nuclear power unit，to meet the grid requirements on primary frequency control.It has great directive significance to guide the design of the frequency and load peak regulation scheme,and provides reference for commissioning and operation of subsequent nuclear power units.

Nuclear power；CPR1000；Primary frequency control；Load；Speed；Bump-less transfer；Difference adjustment coefficient

TH7；TP21

A

10.16086／j.cnki.issn1000-0380.201711022

修改稿收到日期：2017-05-24

展曉磊（1985—），女，碩士，工程師，主要從事核電廠汽輪機儀控設計相關工作。E-mail：zhanxiaolei@cgnpc.com.cn。