660 MW核電機(jī)組一次調(diào)頻實(shí)驗(yàn)及動(dòng)態(tài)特性仿真分析

唐平

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江省 嘉興市 314300）

0 引言

伴隨電力工業(yè)的蓬勃發(fā)展，特別是在特高壓和大容量直流輸電技術(shù)廣泛應(yīng)用后，華東電網(wǎng)對(duì)其直代管機(jī)組的一次調(diào)頻能力的要求更加嚴(yán)格。電網(wǎng)頻率的異常將嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-4]。華東電網(wǎng)基于其“三交七直”的特殊構(gòu)成和影響頻率的主要因素，要求其管轄的核電機(jī)組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻。目前，全球核電機(jī)組一般保持基本負(fù)荷運(yùn)行，極少參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻運(yùn)行。近年來，風(fēng)能、太陽能等可再生能源迅速發(fā)展，其隨機(jī)性和難以預(yù)測(cè)的功率波動(dòng)特征導(dǎo)致電網(wǎng)頻率偏差增大[5-9]，電力系統(tǒng)原有的一次調(diào)頻能力不足，迫切需要原來承擔(dān)基本負(fù)荷的大型機(jī)組參與一次調(diào)頻。目前，全球范圍內(nèi)的核電機(jī)組由于技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等因素，均保持基本負(fù)荷運(yùn)行方式，極少參與電力系統(tǒng)一次調(diào)頻。同時(shí)，核電機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作期間，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)頻繁動(dòng)作，對(duì)機(jī)組的核安全帶來巨大挑戰(zhàn)。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于核電機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究較少，多數(shù)集中在核電機(jī)組的仿真分析和核電機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)分析方面[10-16]，核電機(jī)組一次調(diào)頻實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為缺乏。

本文以國內(nèi)某660 MW核電機(jī)組為研究對(duì)象，針對(duì)不同功率平臺(tái)進(jìn)行不同功率擾動(dòng)試驗(yàn)，分別得到不同擾動(dòng)下機(jī)組響應(yīng)的具體數(shù)據(jù)。同時(shí)，結(jié)合機(jī)組實(shí)際工況，利用MATLAB/Simulink建立數(shù)學(xué)模型，提出優(yōu)化方案。

1 機(jī)組配置簡(jiǎn)介

壓水堆核電機(jī)組一回路平均溫度控制系統(tǒng)采用A 模式，即一回路平均溫度漂移的折中方案。A 模式主要特點(diǎn)是：要求反應(yīng)堆在額定功率或接近額定功率水平下穩(wěn)定運(yùn)行，反應(yīng)堆核功率調(diào)節(jié)主要是通過改變一回路硼濃度的方法來實(shí)現(xiàn)。考慮可能出現(xiàn)的引起反應(yīng)堆功率瞬態(tài)的運(yùn)行方式，A 模式同時(shí)要求反應(yīng)堆具有快速調(diào)節(jié)核功率的能力，這種調(diào)節(jié)方法主要依靠控制棒完成。從國際上在運(yùn)壓水堆核電機(jī)組的運(yùn)行統(tǒng)計(jì)情況來看，A模式的核電機(jī)組為了滿足功率變化機(jī)動(dòng)性的要求，壓水堆核電機(jī)組應(yīng)具有一定的負(fù)荷快速跟蹤能力。根據(jù)技術(shù)規(guī)格書要求，機(jī)組80%循環(huán)壽期內(nèi)能進(jìn)行12-3-6-3 的負(fù)荷跟蹤能力[17]，以滿足電網(wǎng)的日負(fù)荷變化要求。同時(shí)，反應(yīng)堆在設(shè)計(jì)上具有跟蹤電功率負(fù)荷10%PF(PF表示滿功率)階躍功率變化及電功率負(fù)荷5%PF/min線性變化的調(diào)節(jié)能力。

正常運(yùn)行過程中，反應(yīng)堆核功率跟隨汽輪發(fā)電機(jī)電功率。當(dāng)電網(wǎng)頻率變化時(shí)，一次調(diào)頻動(dòng)作產(chǎn)生的功率補(bǔ)償信號(hào)疊加到汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的負(fù)荷整定值上，指令信號(hào)改變主蒸汽調(diào)節(jié)閥開度，調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的進(jìn)汽量，響應(yīng)電網(wǎng)的一次調(diào)頻動(dòng)作。同時(shí)，另一路信號(hào)通過反應(yīng)堆平均溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制控制棒，以達(dá)到快速響應(yīng)溫度變化的目的。機(jī)組一次調(diào)頻控制原理如圖1所示。

圖1 機(jī)組一次調(diào)頻控制原理Fig.1 Primary frequency control principle of the unit

2 仿真模型搭建

CNP600型汽輪發(fā)電機(jī)組是由哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的凝汽式、單軸、帶有中間再熱的高壓調(diào)節(jié)汽輪機(jī)。

壓水堆核電機(jī)組汽輪機(jī)數(shù)字電液(digital electro-hydraulic，DEH)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型主要由以下環(huán)節(jié)構(gòu)成：一次調(diào)頻控制環(huán)節(jié)、汽輪發(fā)電機(jī)功率控制環(huán)節(jié)、電液轉(zhuǎn)換器環(huán)節(jié)、高壓調(diào)閥油動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié)、管道及容器的容積時(shí)間常數(shù)環(huán)節(jié)[18]。DEH 系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型[19-20]采用理論推導(dǎo)的方式建立，在MATLAB/Simulink環(huán)境建立的仿真函數(shù)方框圖如圖2 所示，其中相關(guān)參數(shù)初次取值為設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖2 汽輪發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)后的負(fù)荷控制仿真函數(shù)方框圖Fig.2 Block diagram of load control simulation function after grid connection of turbine generator set

3 算例分析

為深入分析核電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)頻率的響應(yīng)特性，在國內(nèi)某核電機(jī)組分別進(jìn)行了電功率為528、594、660 MW 3 個(gè)平臺(tái)的±1%Pe(Pe表示額定電功率)、±2%Pe、±3%Pe階躍試驗(yàn)。

3.1 528 MW電功率平臺(tái)擾動(dòng)試驗(yàn)期間參數(shù)變化

汽輪發(fā)電機(jī)組在528 MW 平臺(tái)運(yùn)行，分別進(jìn)行±1%Pe、±2%Pe、±3%Pe階躍試驗(yàn)，試驗(yàn)期間一次調(diào)頻的動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)符合指標(biāo)要求，機(jī)組參數(shù)變化符合機(jī)組設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)期間動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)、機(jī)組參數(shù)變化分別如表1、2所示，試驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)變化如圖3所示。

表1 528 MW平臺(tái)擾動(dòng)試驗(yàn)期間動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)Tab.1 Dynamic response indices of 528 MW platform during disturbance test

表2 528 MW平臺(tái)擾動(dòng)試驗(yàn)期間機(jī)組參數(shù)變化Tab.2 Changes of unit parameters during disturbance test of 528 MW platform

圖3 528 MW平臺(tái)擾動(dòng)試驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)變化Fig.3 Data changes in the process of 528 MW platform disturbance test

在528 MW 平臺(tái)試驗(yàn)期間，高壓調(diào)門動(dòng)作正常，反應(yīng)堆功率跟隨正常，功率變化主要依靠控制棒的快速動(dòng)作來控制反應(yīng)性。控制棒D 棒的快速提升和下插在一定程度上會(huì)影響反應(yīng)堆內(nèi)部的功率分布，特別是反應(yīng)堆軸向功率分布。控制棒組的頻繁動(dòng)作導(dǎo)致堆芯內(nèi)部氙振蕩，燃料元件容易出現(xiàn)熱點(diǎn)。燃料棒內(nèi)部的芯塊也會(huì)由于快速的功率變化而產(chǎn)生密實(shí)現(xiàn)象，存在導(dǎo)致燃料包殼破損的風(fēng)險(xiǎn)。控制棒的頻繁動(dòng)作還會(huì)帶來控制機(jī)構(gòu)的磨損，給反應(yīng)堆壓力邊界的完整性帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)。

從圖3可以看出，在528 MW平臺(tái)進(jìn)行±3%Pe階躍試驗(yàn)時(shí)，主給水溫度變化±1.5 ℃，主汽壓力變化±0.15 MPa。

圖4 為528 MW 平臺(tái)高壓缸調(diào)節(jié)閥開度變化，可以看出，進(jìn)行-3%Pe階躍試驗(yàn)時(shí)，高壓缸調(diào)節(jié)閥在2.03 s內(nèi)關(guān)閉到要求開度，如圖4(a)所示；進(jìn)行3%Pe階躍試驗(yàn)時(shí)，高壓缸調(diào)節(jié)閥在1.99 s 內(nèi)開啟到要求開度，如圖4(b)所示。

圖4 528 MW平臺(tái)高壓缸調(diào)節(jié)閥開度變化Fig.4 Opening changes of high pressure cylinder regulating valves of 528 MW platform

3.2 594 MW電功率平臺(tái)擾動(dòng)試驗(yàn)期間參數(shù)變化

汽輪發(fā)電機(jī)組在594 MW 平臺(tái)運(yùn)行，分別進(jìn)行±1%Pe、±2%Pe、±3%Pe階躍試驗(yàn)，試驗(yàn)期間動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)、機(jī)組參數(shù)變化分別如表3、4 所示，試驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)變化如圖5 所示。從表3、4 可以看出：汽輪機(jī)在594 MW 平臺(tái)運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)頻率出現(xiàn)波動(dòng)，機(jī)組出力和調(diào)差系數(shù)均能滿足電網(wǎng)一次調(diào)頻要求；機(jī)組對(duì)正向功率響應(yīng)的時(shí)間短于其對(duì)負(fù)向功率響應(yīng)的時(shí)間，調(diào)差系數(shù)相應(yīng)也要小一些，機(jī)組對(duì)于電網(wǎng)低頻故障能夠快速響應(yīng)。

表3 594 MW平臺(tái)擾動(dòng)試驗(yàn)期間動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)Tab.3 Dynamic response indices of 594 MW platform during disturbance test

表4 594 MW平臺(tái)擾動(dòng)試驗(yàn)期間機(jī)組參數(shù)變化Tab.4 Changes of unit parameters during disturbance test of 594 MW platform

圖5 594 MW平臺(tái)擾動(dòng)試驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)變化Fig.5 Data changes in the process of 594 MW platform disturbance test

3.3 660 MW電功率平臺(tái)擾動(dòng)試驗(yàn)期間參數(shù)變化

汽輪發(fā)電機(jī)組在660 MW 平臺(tái)運(yùn)行，分別進(jìn)行±1%Pe、±2%Pe、±3%Pe階躍試驗(yàn)，試驗(yàn)期間動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)、機(jī)組參數(shù)變化分別如表5、6 所示，試驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)變化如圖6 所示。從表5、6 可以看出：汽輪機(jī)在660 MW 平臺(tái)運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)出現(xiàn)頻率波動(dòng)，機(jī)組出力和調(diào)差系數(shù)均可以滿足電網(wǎng)一次調(diào)頻要求，僅在電網(wǎng)頻率較高、汽輪發(fā)電機(jī)減負(fù)荷時(shí)，調(diào)差系數(shù)裕度偏小；機(jī)組對(duì)正向功率響應(yīng)的時(shí)間短于其對(duì)負(fù)向功率響應(yīng)的時(shí)間，調(diào)差系數(shù)相應(yīng)也要小一些，機(jī)組對(duì)于電網(wǎng)低頻故障能夠快速響應(yīng)。

表5 660 MW平臺(tái)擾動(dòng)試驗(yàn)期間動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)Tab.5 Dynamic response indexes of 660 MW platform during disturbance test

圖6 660 MW平臺(tái)擾動(dòng)試驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)變化Fig.6 Data changes in the process of 660 MW platform disturbance test

從表6可以得出，汽輪機(jī)在660 MW平臺(tái)運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)出現(xiàn)頻率波動(dòng)，機(jī)組出力要求增加3%Pe時(shí)，機(jī)組實(shí)際出力為683 MW，折合反應(yīng)堆回路功率103.48%PF，超過反應(yīng)堆保護(hù)103%PF閾值，閉鎖控制棒的提升和一次調(diào)頻正向功率動(dòng)作。若此時(shí)沒有及時(shí)地控制功率，反應(yīng)堆也將因負(fù)溫度效應(yīng)而釋放一定的正反應(yīng)性，反應(yīng)堆有超功率的風(fēng)險(xiǎn)(技術(shù)規(guī)格書中要求堆芯熱功率不得超過102%PF)，同時(shí)因?yàn)橐欢芈窚囟绕钸^大，容易增加機(jī)組快速降功率的風(fēng)險(xiǎn)，這樣會(huì)加重電網(wǎng)在故障期間的負(fù)擔(dān)。機(jī)組出力要求增加3%Pe時(shí)，控制棒動(dòng)作幅度加大，反應(yīng)堆運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)加大。夏季由于海水溫度升高，凝汽器真空度降低，汽機(jī)調(diào)節(jié)閥開度較大，多數(shù)時(shí)間運(yùn)行在50%以上開度(技術(shù)控制要求小于56%)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的蒸汽流量需求在96%左右。一旦出現(xiàn)一次調(diào)頻動(dòng)作要求增加負(fù)荷，特別是出力3%Pe需求，汽機(jī)的蒸汽流量需求超過98%的限值，導(dǎo)致汽輪機(jī)功率反饋兆瓦回路退出，汽輪發(fā)電機(jī)組控制變?yōu)殚_環(huán)運(yùn)行，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)增大。

表6 660 MW平臺(tái)擾動(dòng)試驗(yàn)期間機(jī)組參數(shù)變化Tab.6 Changes of unit parameters during disturbance test of 660 MW platform

4 仿真及結(jié)果分析

核電機(jī)組的大型試驗(yàn)采用機(jī)組設(shè)計(jì)的參數(shù)值，同時(shí)結(jié)合調(diào)試過程中的經(jīng)驗(yàn)反饋，根據(jù)試驗(yàn)過程中的參數(shù)變化適當(dāng)調(diào)整參數(shù)的設(shè)置，以達(dá)到預(yù)期結(jié)果。修正后的仿真參數(shù)如表7所示。

表7 修正后的仿真參數(shù)Tab.7 Modified simulation parameters

根據(jù)修正后的模塊進(jìn)行模型仿真：假定機(jī)組以額定功率穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電力系統(tǒng)突發(fā)故障，產(chǎn)生電力負(fù)荷的動(dòng)態(tài)不平衡。此時(shí)，電力系統(tǒng)綜合有功功率需求增加，相應(yīng)汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速下降，觸發(fā)機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作，機(jī)組按照設(shè)定的要求向電網(wǎng)提供一定的功率需求。仿真過程中，在150 s 內(nèi)機(jī)組以5 MW/s 速率增加到額定功率660 MW 保持穩(wěn)定運(yùn)行，在150 s 時(shí)電力系統(tǒng)突發(fā)故障，發(fā)電機(jī)組負(fù)荷控制系統(tǒng)頻率偏差產(chǎn)生，觸發(fā)機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作。圖7 為功率輸出仿真曲線。

圖7 功率輸出仿真曲線Fig.7 Power output simulation curve

其中，150 s處動(dòng)作仿真曲線與機(jī)組實(shí)際試驗(yàn)動(dòng)作曲線對(duì)比如圖8 所示。修正后的仿真結(jié)果與機(jī)組試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表8所示。

表8 滿功率情況下修正后的一次調(diào)頻響應(yīng)指標(biāo)對(duì)比Tab.8 Comparison of modified primary frequency modulation response indices under full power condition

圖8 一次調(diào)頻功率輸出曲線比較Fig.8 Comparison of curves of primary frequency modulation power output

從表8 可以看出，仿真輸出和機(jī)組試驗(yàn)輸出結(jié)果均符合一次調(diào)頻技術(shù)要求。機(jī)組試驗(yàn)一次調(diào)頻穩(wěn)定輸出值約23 MW，與要求值19.8 MW偏差3.2 MW，一次調(diào)頻峰值輸出值約27 MW；模型仿真一次調(diào)頻穩(wěn)定輸出值約19.8 MW，與要求值無偏差，模型仿真一次調(diào)頻峰值輸出值約26.5 MW。機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)功率變送器量程為0～866 MW，測(cè)量精度為0.2%。考慮機(jī)組功率變送器測(cè)量誤差后，機(jī)組穩(wěn)定輸出誤差僅為0.27%；機(jī)組試驗(yàn)輸出穩(wěn)定的時(shí)間實(shí)測(cè)值為29.0 s，仿真輸出穩(wěn)定的時(shí)間實(shí)測(cè)值為28.5 s，滿足DL/T 1235—2013 規(guī)定時(shí)間偏差小于2 s、功率偏差小于±30% 功率階躍量的要求[21-22]。由此可見，仿真模型能夠充分反映機(jī)組的一次調(diào)頻動(dòng)作，可以用于同類型核電機(jī)組的一次調(diào)頻模擬。

5 結(jié)論

1）通過660 MW核電機(jī)組一次調(diào)頻實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了機(jī)組在不同功率平臺(tái)能夠?qū)﹄娋W(wǎng)擾動(dòng)做出正確響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)積累的大量數(shù)據(jù)可以為核電機(jī)組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻提供數(shù)據(jù)支撐。

2）對(duì)仿真模型參數(shù)進(jìn)行修正，可以使機(jī)組的一次調(diào)頻能力更優(yōu)，該仿真模型可以用于同類型核電機(jī)組的一次調(diào)頻模擬。

3）汽輪機(jī)在660 MW平臺(tái)運(yùn)行時(shí)，夏季由于海水溫度較高，機(jī)組效率下降，被迫降低出力，此時(shí)若出現(xiàn)一次調(diào)頻動(dòng)作增加功率的情況，反應(yīng)堆出現(xiàn)超功率的風(fēng)險(xiǎn)非常高。建議華東電網(wǎng)在研究所轄區(qū)域機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)頻策略時(shí)采用梯隊(duì)方式，首先是水電和火電機(jī)組，其次是核電機(jī)組，同時(shí)優(yōu)化核電機(jī)組一次調(diào)頻投入退出條件。