秦山320MW核電機組孤網運行探討

胡斌駿 李屹 陶沿初

【摘 要】本文主要考慮到秦山320MW核電機組存在著孤網運行的風險和可能，且秦山320MW機組因為機組自身的特殊性，在孤網運行下有些問題值得探討。全文簡單地介紹孤網運行的定義和特點，大電網甩至孤網運行過程中電網存在的高頻切機、低頻減載等一系列保護及這些保護的動作原理，給出了玉樹電網在孤網運行下頻率的變化趨勢圖，并根據秦山320MW核電機組的實際情況，在DEH控制模式、規程對頻率電壓規定、核島側的限制等方面存在的問題進行分析和探討，最后給出了在孤網運行模式下，從秦山320MW核電機組在保證機組自身安全，對規程中頻率和電壓的修改建議及載負荷模式下如何手動增減負荷來保證孤網下頻率的穩定三個方面的一些建議。通過這些探討和提出的建議，有助于在孤網運行下秦山320MW機組更好的穩定安全運行。

【關鍵詞】孤網運行；頻率調整；低頻減載；高頻切機；核電機組

中圖分類號： TM712 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）20-0034-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.20.012

【Abstract】In this paper， we consider the existence of qinshan 320 MW unit the isolated net running the risks and possible. Qinshan 320MW unit because of the particularity of its own，in the isolated net running under some problems worth exploring. The paper simple introduces the definitions and characteristics of the isolated net running， power grid to jilt to the isolated net running of high frequency cutting unit、low frequency load shedding ，and the principle of these protection. Giving Yushu grid under the isolated net running frequency change trend chart. According to the actual situation of qinshan 320MW nuclear power unit is proposed under the isolated net running， In DEH control mode， procedures for frequency voltage requirement， restriction and other aspects of the nuclear island side of the existing problems are analyzed and discussed. Finally， the in isolated operation mode， from 320MW Qinshan nuclear power plant units in ensuring their own safety， regulations under the proposed changes the frequency and voltage mode and how to manually increase or decrease the load carrying the load to ensure stability under isolated grid frequency recommendations in three areas. Through these discussions and made recommendations to help in isolated operation in Qinshan 320MW unit at a better stable and safe operation.

【Key words】Isolated net running； Frequency adjustment； Low frequency load shedding； High frequency cutting unit； Nuclear power unit

0 引言

近年來，隨著國內經濟的迅速發展，對電量的需求越來越大，互聯網送電的規模越來越大，各子系統之間的相互聯系越來越強，然而由于局部電網故障、自然災害或者人為操作失誤等偶然事故仍可能導致電網聯絡線解列，造成地區電網脫網運行[1]。

對于秦山核電320MW機組來說，在部分線路檢修時，若再出現線路跳閘則有可能出現單臺機組或者幾臺機組帶著小電網運行的特殊運行方式。如2016年3月10-18日，浙江電網將進行興塘2433、嘉塘2434雙線同停檢修工作，此時若王躍4460、店新4463線發生跳閘，無繼電保護信號自動聯跳秦山320MW機組220KV各線路開關。機組將帶躍新變、海塘變、勤豐變、坎杜變運行，形成四站一廠的孤網運行方式。因此研究正常運行方式甩至孤網運行對秦山320MW機組的影響有其實際意義。

本文主要簡單介紹了孤網運行的相關定義和特點，大電網甩至孤網運行時，頻率、電壓的變化，及電網的一些保護措施，以及孤網運行時秦山320MW機組存在的一些問題的探討。

1 孤網運行定義和特點

電力建設規程規定，電網中單機容量應小于電網總容量的8%，保證當該機組發生甩負荷時，不影響電網的正常運行。最大單機容量小于電網總容量的8%的電網，稱為大電網。我們現在各地區的電網的最大單機容量都遠遠小于電網總容量的8%，基本可以看作是無限大的電網。最大單機容量大于電網總容量的8%的電網統稱為小網，孤立運行的小網，稱為孤網，孤網可分為下列幾種情況：（1）電網中有幾臺機組并列運行，單機容量大于電網總容量的8%，稱為小網。（2）電網中只有一臺機組帶全廠負荷，稱為單機帶負荷。（3）機組甩負荷帶廠用電，稱為孤島運行，是單機帶負荷的一種特例。

孤網運行時，并入電網的發電機組較少，且有些小機組在大電網運行時不參與頻率的調節，充當一個恒功率的電源，即使參與一次調頻，其調節幅度也有限。當形成孤網時，由于孤網內通常存在不平衡功率，機組旋轉儲能和鍋爐蓄熱儲能都比較少，孤網自平衡能力差，負荷擾動對孤網的影響較大，頻率會發生變化，有時會導致發電機組保護動作而使系統崩潰。孤網運行最主要的特點就是，由大電網運行時的負荷控制轉變成孤網運行時的頻率控制，這就要求發電機組調速系統具有快速、充足的調節能力，以保證負荷不斷變化的情況下，機組出力能夠自動跟蹤負荷的變化，保證電網頻率的穩定[2]。

2 大電網甩至孤網運行的過程

大電網正常運行期間，電網上的所有機組出力與所有用戶的負荷保持平衡，電網的電壓和頻率保持穩定。當由于局部電網故障、自然災害或者人為誤操作等原因而造成某一區域的局部電網脫離大電網變成孤網運行的瞬間，會造成該小電網上的機組出力與電網上的用戶不匹配，導致小電網的頻率出現過大的首擺量，若持續時間過長，不僅對同步和異步電動機負荷造成較大的影響，同時也會降低暫態頻率的穩定性。若電網負荷缺口較大，頻率首擺嚴重下降時，有可能導致發電機組低頻保護動作切出發電機，加劇孤網功率的不平衡，甚至引發其他機組聯鎖跳閘，造成頻率失穩。

在發生電網聯絡線解列，某一局部電網變成孤網運行時，為了維持該小電網頻率的穩定性，電網一般采用高頻切機和低頻減載的方式來切除部分發電機組或者切除部分負荷，保證電網頻率的穩定。

2.1 高頻切機

高頻切機的作用主要是在電網頻率高的情況下為了防止汽輪機過度超速而損壞。當汽輪機轉速超過額定轉速的110%時，會危機保安系統，將迅速關閉主汽門、高壓調節汽門和中壓調節汽門，切除汽輪機，防止引起重大事故。

針對如何更高的高頻切機也有較多研究。如文獻[3]中針對貴州主網和其他地區電網孤網運行時可能出現的高頻問題，制定了三種協調控制措施，即在系統頻率上升過程中發電機高頻切機保護在汽輪機OPC動作之前先切除1臺或者2臺發電機使系統頻率不致于上升過快、過高；重新設定高頻切機保護的定值，增加OPC動作的延時；閉鎖汽輪機103%超速保護的功能，僅通過設置合理的連鎖切機和高頻切機保護保持電網的安全穩定。文獻[4]中分析了連鎖切機與高頻切機協調保護方案，指出首先采取連鎖切機措施，快速切除機組，達到系統有功功率平衡；在連鎖切機部分動作或者全部拒東的情況下，考慮由系統措施，轉化為發電機高頻切機措施，經過一定延時切除發電機，最終達到有功功率平衡，系統頻率恢復到可接受范圍之內。切機應優先考慮切除水輪機，當水輪機容量不足時切除部分火電機組；還應選擇距主節點電氣距離較近的電廠以提高切機動作后的頻率響應的快速性。切機時保證不會過切導致地區電網低頻減災動作切負荷。

2.2 低頻減載

當電力系統發生嚴重故障突然失去大量電源后，電網的電力輸出就會小于電網用戶的負荷，電網的頻率就會被拉低。此時快速的切除部分負荷可以減小發電機輸入輸出之間功率的不平衡，從而保證了系統的穩定。低頻減載目前仍是安全穩定運行的最后一道防線，是一種防止電力系統發生頻率崩潰的低成本的緊急措施，在世界范圍內得到了廣泛使用。

對低頻減載的方法和策略，目前也有很多研究。但主要分為靜止的低頻減載和動態的低頻減載。

靜止的低頻減載方案也就是采用單機帶集中負荷的簡化系統模型進行靜態分析的方法，忽略擾動后系統內機組間振蕩、節點電壓變化、旋轉備用容量限制等因素的影響。在設計過程中，往往以頻率值和相應的延時作為負荷切除的判斷標準；并按照最大可預見的擾動量來確定各級頻率切除點對應的負荷切除量。但在實際動作過程中，各個參數都是隨時在變化的，這種方法難以反映實際系統的動態響應和控制需求；且依據最大可預見的擾動量來進行設計所得到的方案在實際的運行控制中往往造成負荷過切。這種傳統的設計方案在設計上獲得了簡易型和方便性的同時也很大程度上降低了方案的經濟性、甚至有效性。

動態的低頻減載方案是對靜止方案的一種改進。當頻率下降到設定的頻率點時，同時測量當前的頻率變化率。根據頻率變化率大小來決定切負荷量，頻率變化越高，切除的負荷就越多。通常，頻率變化率的測量點選擇在繼電器動作的首輪頻率設定點，其后繼電器動作的整定與傳統法相同。這種動態低頻減載方案雖然比傳統的靜態減載方案有所改善，但優勢不明顯，在嚴重故障時，動作曲線與靜止方式基本相同[5]。對于如何探索一種更好的動態算法，很多專家和學者正在研究。

高頻切機和低頻減載是在故障發生后保護電網安全的最后一道屏障和措施，在那之前電網還有設定的各套保護裝置和穩控系統等一系列措施保護電網的安全和穩定。

給出一個青海玉樹330KV在線路發生故障，與主系統分隔開，成為一個孤網運行后的頻率變化仿真計算過程，便于大家對大電網甩至孤網運行過程的頻率變化過程有一個粗略的了解[1]。

由于玉樹電網是一個受電系統，所以在故障發生的第一時刻，切荷率越高，頻率的首潛量越大，我們看到在切荷率90%的情況下，是有可能出現4Hz的巨大偏差的。

3 孤網運行對秦山320MW機組的影響

當順利由大電網甩至了孤網運行后，則根據秦山320MW的自身特點，需要考慮如下的影響：

3.1 DEH自身設計特點對孤網運行的影響

秦山320MW機組帶在帶小系統孤網運行過程中，若此時主變母線側2001M開關、主變2001B開關未自動斷開，則汽機DEH-IIIA系統將繼續保持負荷控制狀態，不能自動或手動切至轉速控制，以維持機組3000rpm的正常運行轉速。我廠DEH-IIIA的一次調頻功能自運行以來從未投入，且其設計死區較大（±1.5Hz），帶小系統運行期間無法通過該功能有效調節汽機轉速，此時只能在負荷控制模式下增減汽機功率來調節汽機有效轉速。

秦山320MW機組平時在大電網運行時，只充當了一個穩定的恒功率電源，±1.5Hz的一次調頻死區也保證了我們基本不會參與一次調頻，但如果進入孤網運行模式后，我們320MW機組有可能會成為孤網上一個很大的影響孤網頻率的因素，此時如何通過手動的增減負荷來保證電網頻率和汽輪機有效轉速成為一個需要考慮的問題。

3.2 秦山320Mw機組對發電機頻率、電壓異常的規定

《1#發電機主變壓器運行規程》6.2章節中對對秦山320MW機組的發電機的電壓、頻率異常有如下規定：

3.2.1 對頻率的規定：

（1）發電機頻率超過50±0.2Hz，總持續時間不得超過30分鐘，超過50±0.5Hz，總持續時間不得超過15分鐘。在任何情況下，發電機頻率不允許超過50±3Hz。

（2）當發電機頻率超過50.2Hz時，匯報省調，根據省調值班調度員的指令降低發電機的出力，最低可至發電機最低技術允許出力。

（3）當發電機頻率超過50.5Hz時，立即降低發電機出力至最低技術出力，并匯報省調。

（4）當發電機頻率低于49.8Hz時，匯報省調，根據省調值班調度員的指令增加發電機的出力，最高可至發電機滿載。

（5）當發電機頻率低于49.5Hz且有繼續下降趨勢或低于49.8Hz持續時間30分鐘以上時，匯報省調，根據省調值班調度員的指令增加發電機的出力，最高可至發電機滿載。

（6）當發電機頻率在49Hz～48.5Hz時，超過5分鐘頻率無回升趨勢時，匯報省調要求斷開2001M，與電網解列。

（7）當發電機頻率低于48.5Hz時，立即手動斷開2001M，與電網解列，發電機帶廠用電運行。匯報省調。

3.2.2 對電壓的規定：

（1）依據省調下發的本廠220KV母線電壓控制值要求，確定發電機電壓允許偏差范圍。

（2）當發電機電壓降低至額定電壓的90～95%時，允許運行時間30分鐘

（3）當發電機電壓降低至發電機額定電壓80～90%時，允許運行時間5～10分鐘。

（4）當發電機電壓低于發電機額定電壓80%時，立即手動斷開2001M，與電網解列，發電機帶廠用電運行，并匯報省調。

（5）當發電機電壓高于允許范圍偏差范圍上限時，可減少發電機勵磁電流，降低發電機無功功率（但不允許進相運行），同時匯報省調。

（6）當發電機電壓高于額定電壓的10%時，立即減少發電機勵磁電流，降低發電機無功功率（但不允許進相運行），同時匯報省調。必要時匯報華東網調協助調整，直至恢復到允許偏差范圍內。

上述描述是秦山320MW機組運行規程中對發電機頻率和電壓的要求。在孤網運行時如果按照規程逐條進行嚴格執行，會存在一些問題。比如（1）中規定發電機在任何情況下頻率不允許超過50±3Hz，而通過對玉樹電網的仿真我們可以看到孤網運行的最初幾十秒內，在切荷率過小的情況下，最低頻率偏差達到了-4Hz，因此是可能存在頻率低于47Hz的情況的，此時若嚴格按照規程解列停機則有可能會造成整個孤網的崩潰。在（3）中當頻率高于50.5Hz時，需要秦山320MW機組立即降至最低技術出力，如果秦山320MW機組在孤網中承擔很大的負荷比重，這么做會直接導致電網頻率降至過低，因此此條不建議直接降至最低技術出力，而應該根據當時電網的頻率手動調節。孤網運行時電網的電壓可以通過投切電網內的低壓電容來保持穩定，因此電壓不會有太大影響，可以參照規程執行。

3.3 核島側對頻率控制的限制

在孤網運行時，核電機組與常規的火電汽輪機組也有不同。由于核電機組核島一次側的特殊性：通過控制堆芯的平均溫度（反應堆功率），來實現反應堆功率的自動控制；通過調節硼濃度來實現所需要的功率分布；但由于硼濃度變化的反應性效應很慢，且化容系統的反應堆冷卻機上充最大流量限制了硼稀釋的速率，尤其在高燃耗，硼濃度很低的壽期末更加限制了功率的提升速度；由于控制棒插入深度的限制，也同樣制約了功率迅速提升的能力[6]。秦山320MW機組的這些特殊性，在孤網運行參與電網頻率和負荷的調節的過程中都需要考慮到，核電機組因其自身的特殊性，無法在短時間內做到大范圍的快速的改變機組的負荷。

4 孤網運行時對秦山320MW機組的建議

4.1 對機組安全的建議

若大電網運行甩至孤網運行過程中出現反應堆停堆或者反應堆需要停堆的情況，立即遵照《停堆與安注》等應急響應規程，確保機組安全停堆。孤網運行期間，需要保證廠用電的安全性和可靠性：

4.1.1 若出現孤網運行頻率無法穩定存在崩潰風險時，立即手動分開2001M開關，轉入機組單獨帶廠用電的孤島運行模式。

4.1.2 孤網運行期間，驗證3臺EDG的可運行性。

4.2 孤網運行下對規程中頻率和電壓的建議：

（1）在秦山320MW機組剛由大電網運行轉至孤網運行的前30秒內，若頻率出現50±3Hz的偏差，不建議解列停機，主要是為了躲過孤網運行最初存在的那個較大的頻率下潛量，30秒內的低頻率運行也不至于會損壞發電機和汽輪機。

（2）對于規程中規定的有關減小機組至最低技術出力的規定，建議在孤網運行下不采用，機組的負荷應根據實際電網的頻率來進行手動調節。

（3）規程中對于電壓的規定可以嚴格參照規程進行執行。

5.3 手動模式下根據頻率調節負荷的參考建議：

5 結束語

核電機組在電網的正常運行中，長期處于一個恒功率電源的角色存在，平時大家對核電機組在孤網運行下的關注點討論的比較少。本文通過分析核電機組自身的特殊性，指出了秦山320MW機組在孤網運行時存在的一些問題和需要關注的要點。對規程中有關頻率和電壓的規定做了一些修改建議，在滿足發電機組自身安全的前提下，保證孤網運行的穩定性。對如何手動增減負荷來達到頻率的穩定方面給出了一個參考公式，以便于針對不同的頻率偏差給出合適的功率調節量。在實際的電網運行中，核電機組存在著孤網運行的可能性，但由于其自身的一些特殊性，如核島部分的特殊性和如何保證核安全等，因此還存在著較多需要解決的問題，所以對核電機組孤網運行的研究和探討具有重要的意義。