新型压水堆核电厂一次调频汽轮机控制探讨

摘要：新型压水堆核电厂汽轮机在电网频率波动情况下，利用文章给出的负荷调节等四种汽轮机控制模式，可以控制发电机组的功率输出和维持汽机频率稳定。预防汽轮机汽门不可控的开大或者关小，并且为发电机组并网和解列提供了可行的控制途径。通过维持发电机组的频率输出稳定，保证了电网频率的稳定。

关键词：新型压水堆核电厂；一次调频汽轮机；电网频率；负荷调节；负荷限制；汽机转速 文献标识码：A

中图分类号：TM623 文章编号：1009-2374（2015）10-0081-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0894

随着工业的发展和对能源需求的日益加剧，清洁环保的核电势必会得到广泛认可。同时随着核电机组份额的提高以及核电厂的特殊性，随之而来的问题就是如何在电网频率波动以及并网解列过程中确保核发电机组的稳定运行，减小对一回路造成的冲击，确保反应堆安全可靠运行。除了反应堆控制系统的可靠之外，汽轮机应对频率波动的控制手段也是非常重要的。作为新型压水堆核电的典范，三门一期工程汽轮机采用日本三菱重工技术，汽机有1个高压缸和3个低压缸，控制高压缸的进汽阀门有4个主汽阀（MSV）和4个主调阀（GV），控制低压缸进汽阀门有6个再热主汽阀（RSV）和6个再热主调阀（ICV）。为了方便起见，下文中我们将GV（主调阀）和ICV（再热主调阀）统称为GV（调节阀）。汽轮机负荷及转速的调节实际上就是对这几个调节阀开度的控制。针对这种汽轮机本文介绍的负荷调节控制模式、负荷限制控制模式、负荷调节自动跟踪模式、负荷限制自动跟踪模式能够应对不同工况下电网频率波动。

1 负荷调节控制模式

1.1 负荷调节控制模式的目的

在发电机组正常运行期间汽轮机转速（频率）是跟踪电网频率的，或者说是要将电网频率稳定在目标值（50Hz）以上并使之与汽轮机转速相一致，所以我们可以认为汽轮机的转速和电网频率表征同一个物理量。负荷调节控制模式的目的就是在发电机组并网运行期间根据电网频率控制汽轮机的输出，从而保证电网频率的稳定，也就是保证汽轮机转速（频率）的稳定。而汽轮机输出是通过控制GV（调节阀，是Governor Valve的缩写，不是具体指主调节阀，或者可以理解这里的GV是主调节阀GV和再热调节阀ICV的统称）的开度来控制。与此同时在发电机组与电网解列期间，此种模式也可以控制汽轮机的转速以达到与电网的同期。

1.2 负荷调节控制模式的控制方式

如果额定汽机转速与实际汽机转速之间有一个偏差，此偏差信号将会线性比例的控制GV开度，从而控制汽轮机的输出，直到此偏差信号为零位置，达到控制汽轮机实际转速的目的，从而也达到了控制电网频率的目的。如图1当转速（频率）偏差从0至4.5%变化的时候汽轮机的负荷是从100%额定功率变化到0负荷的。

图1 负荷调节控制模式下转速和负荷的关系

转速调节信号的计算过程如图2所示，阀位需求信号是转速调节信号和负荷调节设定值的和。GV阀位需求（GVPD）是负荷限制需求（下面将会讲到）和负荷调节需求经过低选之后得到的结果。

GV阀位需求（0～100%）这个参数信号用来控制主调阀（缩写也是GV）和再热调阀（ICV）的阀位，这个阀位大致反映了最终的汽轮机输出（0～100%）。

图2 负荷调节控制功能

当汽机启动的时候，阀门切换完成之后负荷调节控制模式就开始控制汽轮机转速。由于并网同期的需求，在并网之前转速设定值必须能够改变。此时转速设定值可以在-6%～6%（1410～1590rpm）之间手动设定。1410rpm和1590rpm分别是负荷调节控制模式的低限值和高限值。汽轮机转速升速率可以在50rpm、75rpm、150rpm之中选择。自动同期系统可以使转速设定值增加或降低。在并网运行期间，转速设定值切换为额定转速以便根据转速差控制负荷。并网运行期间如果选择了负荷调节控制模式就可以通过改变负荷调节设定值调整汽轮机的输出。

并网完成后如果此时电网频率大于额定频率，负荷调节控制模式就会使GV阀位需求降低，那么就有可能使控制调节阀全关让汽轮机以“电动机模式”运行。为了避免这种情况发生，一旦并网完成负荷调节设定值立即改变使GV阀位需求达到5%的初始负荷。

所谓“电动机模式”就是指流入汽轮机的蒸汽流量小于所需的蒸汽流量，发电机就会变成同步电动机，汽轮机就会在一定程度上被发电机驱动，所需电能来自于电网。此种情况下由于进入汽机的蒸汽流量变小，汽机末级叶片产生的鼓风效应会使汽轮机排气腔室温度升高，从而引起汽轮机的变形导致汽机的震动。

2 负荷限制控制模式

当在操作员控制屏上设定负荷限制需求小于负荷调节需求，汽机控制模式就会切换成负荷限制控制模式，主调阀和再热汽阀的阀位就会固定。另外通过选择负荷调节自动跟踪模式汽轮机就会轻易地变成负荷限制控制模式（见下节）。电网频率（汽机转速）和GV阀位需求之间的关系见图3所示：

图3 电网频率（汽机转速）和GV阀位需求之间的关系

负荷设定值的上限和下限值分别是130%和-50%，在此区间之内可以根据需要任意设定。上限值之所以会设定130%是因为和所有调节阀全开负荷限制设定值120%之间有一定裕量；同理，下限值设定-50%是因为和所有调节阀全关负荷限制设定值-30%之间有一定裕量。

在停机状态（所有阀门全关），负荷限制设定值自动设置为-50%以便让所有的调节阀全部可靠关闭。在汽轮机启动的时候“CLOSING ALL VALVES”指令会被“EH AUTO”指令（挂闸）所复位，此时所有的调节阀全部开启以让主汽阀（MSV）控制进入汽机的蒸汽流量来冲转升速。与此同时，负荷限制设定值设为130%以让所有调节阀顺利全开而不受任何阻止。

在电网解列的时候负荷调节设定值是0%（相当于无负荷），此时负荷限制设定值自动变为130%，这样负荷调节控制模式控制汽轮机转速的时候就不会受到任何限制约束。

除了汽轮机启动和解列期间之外，负荷限制设定值在选择“EH AUTO”指令之后可以手动切换至负荷限制控制模式。此目的就是并网运行期间当电网频率低的时候限制GV阀位需求的增大，防止调节阀没有限制的开大，详见图4所示：

图4 低电网频率时并网运行

3 负荷调节自动跟踪模式

当负荷调节自动跟踪模式被选定之后，负荷调节设定值自动变为负荷限制设定值与跟踪带宽（10%）之和。如图5当电网频率波动且增加到50.225Hz，由于电网频率的增加运行模式变为负荷调节控制模式，调节阀就会被关小。跟踪带宽的选择依赖于电网的需求，一般情况下选择10%。

图5 负荷限制控制模式下频率增加关闭调节阀

通过负荷调节自动跟踪模式，控制模式自动切换并且不会对当前汽机负荷造成任何干扰，如图6所示：

图6 负荷调节自动跟踪模式的切换

4 负荷限制自动跟踪模式

负荷限制自动跟踪模式就是让负荷限制设定值在一定跟踪带宽内自动跟踪负荷调节设定值，目的就是在电网负频率动剧烈减小时在负荷限制控制模式下保持调节阀开度，防止调节阀快开，造成核岛超负荷，此时对反应堆造成的影响可能会使堆芯过冷，从而引入正反应性，对电厂安全造成一定冲击。

当在操作员控制屏上选择负荷限制自动跟踪模式后，负荷限制设定值自动变为负荷调节设定值与跟踪带宽之和。跟踪带宽一般也选择10%。如图7所示，当电网频率降低至49.775Hz时，由于电网频率的降低和负荷限制自动跟踪模式的投入，自动切换到负荷限制控制模式，限值GV阀位需求的增加，从而限制调节阀的开大，防止汽机和核岛超负荷。

同样，通过负荷限值自动跟踪模式，控制模式自动切换并且不会对当前汽机负荷造成任何干扰。

图7 负荷限制自动跟踪模式运行

电站正常功率运行时采用的是负荷调节自动跟踪模式，现假设频率在50Hz的时候，汽轮机要求的是处功率是100%满功率，那么当电网频率波动升至51Hz的时候，此时汽轮机的输出功率应当如何计算。参考图7，频率在50Hz的时候，汽轮机要求的是处功率是100%，那么此时的负荷限制设定值对应的GV阀位需求应该是100%，负荷调节

设定值对应的GV阀位需求应该是110%，如图8所示：

图8 负荷调节自动跟踪模式下汽机功率计算

不难算出汽机0负荷的时候对应的电网频率是52.475Hz，那么在50～52.475Hz之间的任一电网频率f对应的汽机负荷Load如下式：

f=51，那么Load就是65.56%。由此可见在电网频率波动尤其是升高的情况下，负荷调节跟踪模式可以很好地控制汽轮机的输出功率，汽轮机的功率降低之后，整个电网的频率就会降低，电网频率降低之后乃至恢复到正常50Hz汽轮机的功率也将恢复到100%负荷。所以负荷调节跟踪模式在机组正常运行时对稳定电网频率是意义重大的。然而汽轮机的甩负荷必然会影响到一回路反应堆的运行，在堆跟机运行方式下反应堆功率调节系统的可靠性是非常重要的，而且考虑到经济性和机械疲劳等问题，反应堆功率和汽轮机功率最好维持在额定功率稳定运行，这就要求电网频率稳定、波动不大。可见电网频率的稳定不但是用户所要求的，也是电厂的经济运行和可靠控制过程中至关重要的因素。

5 结语

目前来说，核电厂很少参与调峰，也就是二次调频很少参与，那么电网频率波动对核电厂来说主要就是靠调速器这种一次调频的方式来进行。上述四种汽机控制方式实现简单，各种控制方式之间根据需要可以互相配合，无扰切换，降低了发电机组，核电厂一回路，反应堆的瞬态风险。并且根据不同的工况可以手动选取不同的控制模式，以应对不同条件下的电网频率波动。在汽轮机启动，发电机组与电网并网、解列、停机过程中，可以通过选择不同的控制模式，保证汽轮机输出之外，还可以控制汽轮机的转速。各种控制参数包括转速设定值、负荷调节设定值、负荷限制设定值等都可以根据需要任意设定改变，这就给控制增添了不少灵活性。因此，这一体系的汽机控制方式可以在不同情景下应对不同的电网频率波动来可靠控制汽轮机的功率输出和转速，对改善电网频率波动也有一定贡献。从根本上进一步改善我国电网电能的品质，保证电网电压、频率稳定，电厂不但要参与调节，电网的负荷也需合理分配。优良的电能品质需要合理的一次调频和二次调频乃至三次调频，是电力系统需要研究的问题，也是衡量国家工业先进程度的标准。

参考文献

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作者简介：史卓忠（1987-），男，陕西宝鸡人，中核辽宁核电有限公司预备操纵员，助理工程师，研究方向：核电厂运行及控制。

（责任编辑：黄银芳）