核電汽輪發電機組出力提升研究

福建福清核電有限公司 蔡紅偉

本文研究方向為百萬千瓦級壓水堆核電機組，采用ArabelleTM 1000MW 級大型汽輪機，汽輪機控制系統采用ALSTOM公司的P320 V2+控制系統，汽輪機主調閥的比例閥為KHDG5V、伺服卡為EEAPaM581D32。機組運行以來經歷多次調峰、調停及大修工作，在相同海水溫度情況下，機組在夏季工況下出現機組出力能力不足且成下降趨勢。

根據機組運行數據分析：同等調閥開度下主蒸汽體積流量基本不變，蒸發器出口壓力降低，調閥前壓力降低，比容降低，導致流量降低。同等熱負荷下對應的調閥開度要增加；熱效率分析，機組熱功率支持增大調閥開度而提高電功率；發電機的功率受制于調閥的開度限制，機組功率無法進一步提升（機組調節閥的開度限值為64%。根據閥門流量曲線，蒸汽流量限制值為105%、對應閥門開度為64%）。提高機組出力從以下兩方面來進行研究：高壓調閥流量曲線優化；增大調閥開度限值。

1 閥門流量曲線優化

在汽輪機控制系統中，閥門流量特性曲線是指蒸汽流量需求指令與閥門開度的特定函數曲線。閥門設計流量曲線是由汽輪機制造廠在通過理論計算及仿真而獲得。但在實際運行中，由于閥門的裝配、閥門的冷熱膨脹及長時間運行對閥體的沖刷等都會對閥門的實際流量與開度的對應關系造成影響。通過現場的調試將閥門流量曲線與實際流量特性盡可能做成一致。在機組運行過程中如出現曲線偏離實際情況，可以根據機組運行情況進行適當的修改，從而改善汽輪機控制系統調節品質，實現機組的穩定、安全運行。

為使閥門流量特性曲線與閥門實際特性相符，在機組運行時，功率穩定在不同功率平臺，建立閥門開度與功率的對應關系，依次來調整閥門流量曲線，以使在不同功率平臺蒸汽需求值與功率設定值盡可能保持一致，功率控制原理見圖1。

圖1 功率控制原理圖

初始條件：機組并網帶負荷，負荷回路閉環投入，二回路及其輔助系統正常疏水投入。閥門原始流量曲線見圖2所示。實施方法：在機組帶負荷的過程中，觀察蒸汽流量需求值與功率設定值變化，在機組穩態時，調整高壓閥門流量曲線使GRE414KM和GRE416KM 相近，不大于2%。

圖2 優化前閥門流量曲線

圖3 優化后閥門流量曲線

優化前，閥門開度在72%（蒸汽流量指令104）以后即開始進入陡增區域（斜率28），此時指令每變化1%閥門動作28%，控制上極易出現振蕩，特別是在夏季工況，由于機組效率下降，主調節閥開度將開啟到陡變區域；優化后，閥門開度流量曲線與實際曲線一致性較好，不同季節偏差均小于2%，改善了汽輪機調機系統的調節品質，增加了對一次調頻和機組其他瞬態工況的應對能力。

2 增大主調閥限值

在一回路熱功率允許情況下，調閥開度限值調整后有其優點。在夏季工況下，調閥開度較大，例如63%左右，如果機組出現一個調門或者截止閥故障關閉情況下，根據邏輯關系其他三組調閥快速開啟來補償。但是受制于限值作用則不能響應，自動調節系統無法快速消除偏差。

2.1 限幅修改實施方法

根據圖1，汽機蒸汽需求量經調閥流量-開度函數曲線F(x)整定，最終生成調閥開度控制信號，其中UL 為即為流量指令上限閾值，對應的調閥開度即為開度限值。修改流量指令上限后，需注意以下方面對機組運行的影響：閥門可能進入開度-流量曲線的陡變區，振動增大；反應堆一回路熱功率、核功率超功率風險。

2.2 閥門流量曲線優化后問題

通過基于機組運行工況進行的調門流量曲線優化，改善了調節系統的控制，但由于原修改邏輯中蒸汽流量指令上限的閾值105%（圖1中UL 值），而根據原來的曲線，105%對應調閥開度100%，優化修改后的105%則對應于調閥開度的64%（而100%開度對應的蒸汽流量上限閾值為107%）。根據原有設計流量曲線，設置105%閾值相當于未對閥門開度進行限制，此種設計從實踐經驗看是不合理的，因為在開度進入陡變區則會產生振動高或者壓力脈沖等效應，且閥門在大于70%開度后對流量的貢獻很小，不利于機組的安全，設置合理的蒸汽流量指令閾值是有必要的。

電廠優化后主調閥的流量曲線在70%以下斜率較為平滑未出現陡變，70%開度以上隨著蒸汽流量增加，則開度突然增加較大幅度進入陡變區。在夏季機組的發電機主要受制于調閥開度64%的限制無法提升電功率，而此時一回路熱功率仍有較大裕量，這給增大主調閥限值提供了可支持性。

調節閥油壓脈沖風險。若蒸汽流量限值由105%修改為106%后，調節閥的開度限值由64%變為了70%，在64～70%開度之間閥門曲線將從1：4的斜率區間進入1：8的斜率區間。蒸汽流量單位變化引起的開度變化相比于64%開度之前增加一倍。若產生閥門的頻繁波動超調現象，則油壓脈沖將會增大，GFR 供油回路上的軟管可能因油壓脈沖波動頻繁導致油管疲勞破損或者脈沖超過油管設計壓力。因此可根據油動機結構，加裝壓力測點進行監測油壓脈沖波動幅值，匹配對應的金屬軟管。

一回路超功率風險。蒸汽需求量SD 是動態值，根據機組實際運行參數等與目標負荷參數進行偏差計算，用于調節主調節閥開度，可有效防止堆芯超功率。

3 調閥限幅調整后驗證

主調閥限值提升后閥門開度變化情況。機組實施汽機調閥開度限值變更后，在5月份的同參數相比（海水溫度為25～26℃左右）時閥門開度變化正常，且已超過64%的歷史開度限值，機組出力至少提高約4MW，隨著海水溫度升高，調閥開度逐步達到70%開度，提升電功率10MW，閥門開度變化滿足預期。

主調閥開度大于64%后油腔壓力變化情況。對比“已完成主調閥開度限值修改的機組油動機油壓狀態”和“尚未完成修改的機組”可發現，在已完成修改機組1088MW、主調閥開度67%狀態下，油壓波動周期約8s，上下峰值持續時間均約3s，波動幅度各油動機略有不同，均約在0.3MPa 左右；尚未修改機組在1087MW、63%～64%主調閥開度下，油壓波動周期也為8s，上下峰值持續時間均約3s，波動幅度均約在0.3MPa 左右；兩臺機組油壓波動從周期、峰值、峰值持續時間基本一致，無明顯的差異，主調閥開度限值提升對油壓穩定的周期性波動無影響。

主調閥開度限值提升后，二回路水、汽參數變化情況。機組出力情況較上一年相同工況下已有較大程度改變，相同24.53℃海水下最高提升約8MWe出力。主給水溫度、調閥前壓力基本保持不變，綜合調閥開度限值變更及大修期間的蒸汽發生器性能提升相關工作的實施，主給水流量較去年相同工況明顯提升，整體流量在設計及設備允許范圍內。機組主調閥開度限值變更后機組二回路主要汽水參數均處于正常狀態，機組出力提升效果明顯。

綜上，在核電汽輪發電機組在一回路效率有裕度的情況下，通過分析與驗證，對汽輪機調閥開度與蒸汽流量曲線進行優化和修改蒸汽流量限值，可有效增加調節閥進氣流量，提高電廠的發電能力。