ALSTOM核电汽轮机调节控制系统一次调频r安全功能设计研究

ALSTOM核电汽轮机调节控制系统一次调频r安全功能设计
研究
王雪峰;黄秋兰
【摘要】以ALSTOM设计P320汽轮机调节系统为研究对象,分析了核电机组在一次调频动作后可能出现的安全问题,ALSTOM设计的P320汽轮机调节系统如何通过合理的参数设定,避免出现可能的核电站运行安全隐患,分析相关调节参数的物理意义,推导相关调节函数和参数的物理意义和耦合关系,研究了ALSTOM设计的核电半速汽轮机调节系统如何与反应堆棒控系统的配合,实现核电机组在一次调频动作后的安全运行.
【期刊名称】《仪器仪表用户》
【年(卷),期】2018(025)005
【总页数】5页(P72-75,17)
【关键词】转速不等率;一次调频;函数;棒控系统
【作者】王雪峰;黄秋兰
【作者单位】中核武汉核电运行技术股份有限公司仿真中心,武汉 430223;中核武汉核电运行技术股份有限公司仿真中心,武汉 430223
【正文语种】中文
【中图分类】TM623.3
0 引言
1 发电机组一次调频控制原理
目前国内至少有6台百万千瓦核电机组的汽轮机组采用ALSTOM设计的汽轮机调节系统，对该型调节控制系统的控制方式及应用状况进行研究很有必要。

ALSTOM的核电汽轮机控制调节系统有很多功能，本文以核电半速机组一次调频
相关控制逻辑和参数整定研究为切入点，研究ALSTOM核电汽轮机调节控制系统，剖析了各项安全功能设计的思路，以及各个参数的物理意义，为相关核电机组的安装调试与运行维护提供参考指导。

当电网负荷变化时，比如负荷增加，会引起电网频率下降。

此时，并网运行的机组须按照各自的静特性线来分担负荷，机组的转速和功率输出将发生相应变化。

参考图1所示，机组工作点从特性线Ⅰ上的“1”点至“2”的变化，这就是一次调频，它是机组的固有调节特性。

在稳定工况下，汽轮机对应的额定转速n0和额定功率N0 在工作点“1”，当电
网负荷增加，汽轮机转速从n0 降至n1 ，其差值为△n，而输出功率从N0 增至
N1 ，其增量ΔN =1/δ*Δn。

这时的汽轮机运行状态位于工作点“2”，其中δ为调节系统的转速不等率。

不等率是反映系统静态特性的主要指标，δ越小，功率对转速变化的响应越强。

换言之就是不等率小的负荷分配得多，而不等率大的负荷分配得少。

但在实际工程应用中，为了维持系统的稳定性，将δ参数限制在一定的
范围内，可以调整，一般取3%～6%可调，通常采用4%～5%。

图1 机组静特性曲线Fig.1 Static characteristic curve of the unit
如果汽轮机主蒸汽系统还有调节裕量，在额定输出功率不变的情况下，同步器通过汽机调速系统，可将机组运行特性曲线调整工作点“3”，即运行状态点由Ⅰ移动到Ⅱ。

这种通过同步器平移静特性线的发电机组调节过程叫二次调频，二次调频的
指令往往由电网的调度部门给出。

电力行业标准DL/T 996-2006的8.2节要求：为了保证电网运行的可靠性和电能
质量，运行中的机组必须具有一次调频能力。

随着国内核电机组装机容量持续增加，保证核电机组的一次调频能力是电网的硬性要求。

2 核电机组作一次调频操作的风险分析
2.1 对核反应堆运行的可能影响分析
有别于常规的火力、水力机组，核电汽轮发电机组在作一次调频操作时，会对动力源核反应堆的运行状态造成一定的影响。

以下分几种情况来分别分析：
1）机组满功率运行时，当电网频率下降后，机组一次调频正向动作，汽轮机功率输出增加；如果机组控制系统采用“堆跟机”模式，将要求反应堆增加输出热功率；如果反应堆功率输出超过102%FP，将违反技术规范要求，威胁反应堆堆芯安全。

2）若一次调频动作幅度过大，反应堆功率跟随汽机负荷快速变化，反应堆功率变化速率可能超过5%FP/min，也不符合技术规范的要求。

3）如果一次调频动作幅度过大，引起反应堆相关控制系统参数大幅变化，可能触发机组保护系统动作，造成机组甩负荷甚至是反应堆停堆，机组解列，对电网造成更大冲击。

4）在机组满功率运行情况下，一次调频持续正向动作，反应堆功率可能会增加至103%Pn，此时反应堆保护系统动作，控制棒被闭锁手动、自动提升，汽机负荷继续增加，将导致一回路温度降低（过冷）。

一次调频操作动作幅度越大时，这种过冷越严重，不仅可能触发反应堆停堆，还可能导致严重的后果：如安全注入系统（核电厂专设安全设施）启动。

5）若机组一次调频频繁发生，将导致反应堆控制棒频繁动作，引发反应堆轴向功率分布和Xe毒发生振荡，可能导致核燃料包壳出现局部热点，包壳损坏，造成放射性裂变物质释放到一回路系统。

另外，一次调频频繁动作，还造成反应堆控制棒
频繁调节、磨损加剧，影响控制棒运行可靠性；功率变动造成的温度变化会直接增加核电厂的放射性废水排放量。

总体来说，一次调频操作如果过快、过频，将对核反应堆运行安全造成严重影响。

2.2 对汽轮机组运行的可能影响分析
对于核电厂二回路，汽轮机组本身，不恰当的一次调频操作，也可能会造成重大影响。

1）负荷不匹配：在机组低负荷运行期间，核电机组由于需要进行蒸汽发生器主给水控制阀的主旁路切换，第二台主给水泵启动等重大操作[3]，一次调频若在该阶
段发生，可能造成蒸汽发生器供水不足等事件，触发保护系统动作，造成反应堆紧急停堆，汽机脱扣。

2）管道喘振：一次调频发生后，主蒸汽阀门开度运行区间超出阀门线性调节区域，微小的阀门开度变化都会造成蒸汽流量剧烈变化，可能会造成汽轮机调节阀门的进油管道产生剧烈振动，高压进油管道破裂，阀门关闭，由于调节阀门扰动或者失去安全油压等信号触发机组停机。

3）振动异常：一次调频产生的功率变化速度过快，超出汽轮机最快的升负荷速度要求，可能造成机组振动异常，触发机械保护信号停机。

3 ALSTOM核电汽轮机调节系统设计方案
机组的汽轮机调节系统和反应堆功率调节系统配合实现核电机组的安全运行，核电机组中通常采用的是反应堆功率跟踪汽轮机功率的调节模式，即“堆跟机”。

反应堆的功率通过控制棒的插入步数和一回路中的硼浓度来控制，控制棒分为温度调节棒（R棒）、功率补偿棒（G棒）以及停堆棒（S棒），能够起到快速调节功率变化的作用，硼浓度调节适用于较慢的功率调节作用[3]。

ALSTOM设计的核电汽轮机组控制调节系统通过调节汽轮机主蒸汽调节阀的开度，控制蒸汽流量对机组实施功率控制、频率控制、压力控制和应力控制等，使机组可以安全和经济地运行于各
种工况，满足供电的质量要求。

各部分的信号逻辑关系如图2所示。

3.1 ALSTOM核电汽轮机调节系统一次调频功能设计
图2 ALSTOM核电汽轮机控制调节系统概图Fig.2 Overview of control and regulation system of ALSTOM nuclear power turbine
把汽机目标转速与实际转速测量值的偏差作为被调参数，经死区函数处理，避免在小信号下主蒸汽调节阀的频繁抖动，再经不等率倒数的乘积换算为一次调频分量
Δf，一次调频分量与设定的目标负荷求和后，作为负荷控制器的设定值与功率测
量系统信号比较，其偏差作为负荷闭环调节器PI的被调参数，经比例、积分计算，调节输出通过限值函数，再经阀门特性曲线函数修正，换算为阀门开度调节值。

3.2 ALSTOM核电汽轮机调节系统与棒控系统的协同
选取一台百万千瓦级别的参考核电机组进行研究，参考机组额定转速1500r/min，额定功率1089WM。

图2为分析ALSTOM核电汽轮机调节系统后绘制的控制系
统概图，包含负荷控制和压力控制等几个主要的控制回路。

4 ALSTOM核电汽轮机调节系统一次调频保护参数设置分析
图2中的函数说明如表1所示。

基本转速需求：机组在维持1500r/min所需要的蒸汽负荷参考机组定值为“4”，物理意义是：额定蒸汽流量的4% 用于维持空载转速1500 r/min。

表1 函数功能说明Table 1 Function description?
图3 主蒸汽阀门特性曲线Fig.3 Characteristic curve of main steam valve 4.1 死区函数
限制一次调频产生的频差范围，F1（X）限定偏差在-0.3%～2.5%之间时，一次调频不动作。

物理意义是：在核电机组并网运行阶段，汽轮机转速在
1462.5r/min～1504.5r/min区间波动时，一次调频不参与动作。

设定死区范围，是避免汽轮机组一次调频发生过于频繁。

4.2 转速不等率与限幅函数
参考机组转速不等率δ=4%，限幅函数限定输出在-10%～10%之间。

由传导公式△f=F1(X)/δ和限幅函数可推导出一次调频分量范围在 - 7.5%～10%，即功率调节范围在1089×（-0.075）MW～1089×0.1MW（－81.675MW～108.9MW）,通过限幅函数，可以有效限制一次调频产生的阶跃变化，使有一次调频产生的阶跃变化功率控制在10%FP 之内。

4.3 f1(x)与f2(x)阀门特性曲线函数
由于高压缸调节阀的开度对汽轮机输出功率的影响最为直接，在此着重分析f1(x)函数的设定和此函数前后设值的物理含义。

参考机组的主调节阀阀门流量特性曲线如图3所示。

蒸汽流量基本达到106%以后，阀门开度进入极端非线性区域，稍许增加的流量需求变化就会导致阀门开度剧烈地变化。

f1(x)函数前的105%的限制也是很有深意的设定。

流量参考的构成为：
其中基本转速需求标定的为4%，通常运行过程中“超速控制”值为“0”，△f+ P0 所产生的蒸汽需求总量被限制在101%以内。

而在满工况下，△f产生的功率增量控制在1%左右，这样避免出现在满工况时发生一次调频汽轮机实际功率快速提高，导致堆功率上升超过102%FP，违反技术规范要求。

f1(x)函数的设定必须要准确反应主调节阀门的特性，其输入值的物理意思是总的蒸汽负荷需求，不单指发电机所发电功率。

图4 堆功率整定限值函数Fig.4 The expense value function of the heap power
f1(x)函数的物理含义是：将汽轮机蒸汽负荷需求转换成阀门开度，如果f1(x)函数
标定错误，让105%的负荷限制无法生效，在满工况下，一次调频动作有能力让蒸汽阀门全开，而在满工况下主调阀全开则会导致汽轮机实际功率超过107%，从而导致反应堆过冷，R棒急速上提，释放正反应性，使堆功率超过103%FP，轴向功率偏差会超出正常运行范围，导致堆芯处于不安全状态。

标定正确的f1(x)阀门特性曲线函数非常重要。

4.4 负荷调节器输出的限制设计与棒控系统的负荷限制
核电汽轮机组调节系统的负荷调节器的输出是受到限制的，限制条件有3个：① 设定的蒸汽流量限制；② 设定的冲动级压力限制；③负荷调节的上一个控制系统计算周期计算的值加上10%，此条设定防止负荷调节器出现超过10%的正阶跃变化，而这条能产生效果是有条件设置的，条件为：负荷调节器投入，同时控制系统为自动控制状态，同时冲动级压力设定值大于实际测量值超过1%。

以上条件中，设定值最小的会作为负荷调节器的输出限制值。

由调节系统概图中可以看出，冲动级压力限制和蒸汽流量限制是可以限制功率棒动作棒位的。

因此，在正常运行过程中，操作员可以通过设定蒸汽流量限定值来校正一次调频动作影响。

4.5 堆功率需整定函数f3(x)，f4(x)，f5(x)，f6(x)
以下分析f4(x)函数的物理意义及设定含义，如图4所示。

f4(x)函数主要将汽轮机一次调频产生的功率负荷变化需求换算为功率棒需要响应的功率需求。

参考机组f4(x)函数曲线如图4所示。

横坐标为输入汽机变化功率，纵坐标为换算出来的堆功率棒需要响应的功率。

通过函数曲线可以发现，汽机功率的变化值是大于堆功率变化值设定的。

同时，堆功率变化值有死区设定和最大值设定，这些设置物理含义是：当发生一次调频动作时，反应堆由于采用的是“堆跟机”的工作状态，功率棒尽量不动作，通过R棒的变化来补偿堆功率，达到堆机功率匹配，同时设定功率棒响应死区，在此范围内的一
次调频动作，由一回路温度变化来补偿。

当超出死区范围的一次调频动作，功率棒才做出响应，同时动作的最大功率值也做限制，对反应堆在机组一次调频过程中起到保护作用。

由于电网对机组的一次调频转速不等率有要求，在发生一次调频动作时，无法设定一次调频分量△f以5%/min的速度变化，汽机功率提升可能会超过5%/min的变化速率限定。

但通过分析，ALSTOM核电汽轮机调节控制系统在棒控系统的f4(x)函数设定，能避免堆功率变化超过5%FP/min.
4.6 一次调频功率增加实现方式
当一次调频分量△f在闭环负荷调节状态下，通过负荷调节器来输出，从而影响阀门开度，进而导致功率变化的。

通过负荷调节器，可以很好地避免极端阶跃变化，在限制阀门流量的情况下，阀门的振动现象能有效地改善。

5 结论
通过以上分析，ALSTOM核电汽轮机调节控制系统通过内部的参数的合理设定，在棒控系统的配合下，可以在一次调频过程中保证核电机组安全运行。

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