摘要：新型壓水堆核電廠汽輪機(jī)在電網(wǎng)頻率波動情況下，利用文章給出的負(fù)荷調(diào)節(jié)等四種汽輪機(jī)控制模式，可以控制發(fā)電機(jī)組的功率輸出和維持汽機(jī)頻率穩(wěn)定。預(yù)防汽輪機(jī)汽門不可控的開大或者關(guān)小，并且為發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)和解列提供了可行的控制途徑。通過維持發(fā)電機(jī)組的頻率輸出穩(wěn)定，保證了電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：新型壓水堆核電廠；一次調(diào)頻汽輪機(jī)；電網(wǎng)頻率；負(fù)荷調(diào)節(jié)；負(fù)荷限制；汽機(jī)轉(zhuǎn)速 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM623 文章編號：1009-2374（2015）10-0081-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0894

隨著工業(yè)的發(fā)展和對能源需求的日益加劇，清潔環(huán)保的核電勢必會得到廣泛認(rèn)可。同時(shí)隨著核電機(jī)組份額的提高以及核電廠的特殊性，隨之而來的問題就是如何在電網(wǎng)頻率波動以及并網(wǎng)解列過程中確保核發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，減小對一回路造成的沖擊，確保反應(yīng)堆安全可靠運(yùn)行。除了反應(yīng)堆控制系統(tǒng)的可靠之外，汽輪機(jī)應(yīng)對頻率波動的控制手段也是非常重要的。作為新型壓水堆核電的典范，三門一期工程汽輪機(jī)采用日本三菱重工技術(shù)，汽機(jī)有1個高壓缸和3個低壓缸，控制高壓缸的進(jìn)汽閥門有4個主汽閥（MSV）和4個主調(diào)閥（GV），控制低壓缸進(jìn)汽閥門有6個再熱主汽閥（RSV）和6個再熱主調(diào)閥（ICV）。為了方便起見，下文中我們將GV（主調(diào)閥）和ICV（再熱主調(diào)閥）統(tǒng)稱為GV（調(diào)節(jié)閥）。汽輪機(jī)負(fù)荷及轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)實(shí)際上就是對這幾個調(diào)節(jié)閥開度的控制。針對這種汽輪機(jī)本文介紹的負(fù)荷調(diào)節(jié)控制模式、負(fù)荷限制控制模式、負(fù)荷調(diào)節(jié)自動跟蹤模式、負(fù)荷限制自動跟蹤模式能夠應(yīng)對不同工況下電網(wǎng)頻率波動。

1 負(fù)荷調(diào)節(jié)控制模式

1.1 負(fù)荷調(diào)節(jié)控制模式的目的

在發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行期間汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速（頻率）是跟蹤電網(wǎng)頻率的，或者說是要將電網(wǎng)頻率穩(wěn)定在目標(biāo)值（50Hz）以上并使之與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速相一致，所以我們可以認(rèn)為汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率表征同一個物理量。負(fù)荷調(diào)節(jié)控制模式的目的就是在發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行期間根據(jù)電網(wǎng)頻率控制汽輪機(jī)的輸出，從而保證電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定，也就是保證汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速（頻率）的穩(wěn)定。而汽輪機(jī)輸出是通過控制GV（調(diào)節(jié)閥，是Governor Valve的縮寫，不是具體指主調(diào)節(jié)閥，或者可以理解這里的GV是主調(diào)節(jié)閥GV和再熱調(diào)節(jié)閥ICV的統(tǒng)稱）的開度來控制。與此同時(shí)在發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)解列期間，此種模式也可以控制汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速以達(dá)到與電網(wǎng)的同期。

1.2 負(fù)荷調(diào)節(jié)控制模式的控制方式

如果額定汽機(jī)轉(zhuǎn)速與實(shí)際汽機(jī)轉(zhuǎn)速之間有一個偏差，此偏差信號將會線性比例的控制GV開度，從而控制汽輪機(jī)的輸出，直到此偏差信號為零位置，達(dá)到控制汽輪機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速的目的，從而也達(dá)到了控制電網(wǎng)頻率的目的。如圖1當(dāng)轉(zhuǎn)速（頻率）偏差從0至4.5%變化的時(shí)候汽輪機(jī)的負(fù)荷是從100%額定功率變化到0負(fù)荷的。

圖1 負(fù)荷調(diào)節(jié)控制模式下轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的關(guān)系

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號的計(jì)算過程如圖2所示，閥位需求信號是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號和負(fù)荷調(diào)節(jié)設(shè)定值的和。GV閥位需求（GVPD）是負(fù)荷限制需求（下面將會講到）和負(fù)荷調(diào)節(jié)需求經(jīng)過低選之后得到的結(jié)果。

GV閥位需求（0～100%）這個參數(shù)信號用來控制主調(diào)閥（縮寫也是GV）和再熱調(diào)閥（ICV）的閥位，這個閥位大致反映了最終的汽輪機(jī)輸出（0～100%）。

圖2 負(fù)荷調(diào)節(jié)控制功能

當(dāng)汽機(jī)啟動的時(shí)候，閥門切換完成之后負(fù)荷調(diào)節(jié)控制模式就開始控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速。由于并網(wǎng)同期的需求，在并網(wǎng)之前轉(zhuǎn)速設(shè)定值必須能夠改變。此時(shí)轉(zhuǎn)速設(shè)定值可以在-6%～6%（1410～1590rpm）之間手動設(shè)定。1410rpm和1590rpm分別是負(fù)荷調(diào)節(jié)控制模式的低限值和高限值。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速升速率可以在50rpm、75rpm、150rpm之中選擇。自動同期系統(tǒng)可以使轉(zhuǎn)速設(shè)定值增加或降低。在并網(wǎng)運(yùn)行期間，轉(zhuǎn)速設(shè)定值切換為額定轉(zhuǎn)速以便根據(jù)轉(zhuǎn)速差控制負(fù)荷。并網(wǎng)運(yùn)行期間如果選擇了負(fù)荷調(diào)節(jié)控制模式就可以通過改變負(fù)荷調(diào)節(jié)設(shè)定值調(diào)整汽輪機(jī)的輸出。

并網(wǎng)完成后如果此時(shí)電網(wǎng)頻率大于額定頻率，負(fù)荷調(diào)節(jié)控制模式就會使GV閥位需求降低，那么就有可能使控制調(diào)節(jié)閥全關(guān)讓汽輪機(jī)以“電動機(jī)模式”運(yùn)行。為了避免這種情況發(fā)生，一旦并網(wǎng)完成負(fù)荷調(diào)節(jié)設(shè)定值立即改變使GV閥位需求達(dá)到5%的初始負(fù)荷。

所謂“電動機(jī)模式”就是指流入汽輪機(jī)的蒸汽流量小于所需的蒸汽流量，發(fā)電機(jī)就會變成同步電動機(jī)，汽輪機(jī)就會在一定程度上被發(fā)電機(jī)驅(qū)動，所需電能來自于電網(wǎng)。此種情況下由于進(jìn)入汽機(jī)的蒸汽流量變小，汽機(jī)末級葉片產(chǎn)生的鼓風(fēng)效應(yīng)會使汽輪機(jī)排氣腔室溫度升高，從而引起汽輪機(jī)的變形導(dǎo)致汽機(jī)的震動。

2 負(fù)荷限制控制模式

當(dāng)在操作員控制屏上設(shè)定負(fù)荷限制需求小于負(fù)荷調(diào)節(jié)需求，汽機(jī)控制模式就會切換成負(fù)荷限制控制模式，主調(diào)閥和再熱汽閥的閥位就會固定。另外通過選擇負(fù)荷調(diào)節(jié)自動跟蹤模式汽輪機(jī)就會輕易地變成負(fù)荷限制控制模式（見下節(jié)）。電網(wǎng)頻率（汽機(jī)轉(zhuǎn)速）和GV閥位需求之間的關(guān)系見圖3所示：

圖3 電網(wǎng)頻率（汽機(jī)轉(zhuǎn)速）和GV閥位需求之間的關(guān)系

負(fù)荷設(shè)定值的上限和下限值分別是130%和-50%，在此區(qū)間之內(nèi)可以根據(jù)需要任意設(shè)定。上限值之所以會設(shè)定130%是因?yàn)楹退姓{(diào)節(jié)閥全開負(fù)荷限制設(shè)定值120%之間有一定裕量；同理，下限值設(shè)定-50%是因?yàn)楹退姓{(diào)節(jié)閥全關(guān)負(fù)荷限制設(shè)定值-30%之間有一定裕量。

在停機(jī)狀態(tài)（所有閥門全關(guān)），負(fù)荷限制設(shè)定值自動設(shè)置為-50%以便讓所有的調(diào)節(jié)閥全部可靠關(guān)閉。在汽輪機(jī)啟動的時(shí)候“CLOSING ALL VALVES”指令會被“EH AUTO”指令（掛閘）所復(fù)位，此時(shí)所有的調(diào)節(jié)閥全部開啟以讓主汽閥（MSV）控制進(jìn)入汽機(jī)的蒸汽流量來沖轉(zhuǎn)升速。與此同時(shí)，負(fù)荷限制設(shè)定值設(shè)為130%以讓所有調(diào)節(jié)閥順利全開而不受任何阻止。

在電網(wǎng)解列的時(shí)候負(fù)荷調(diào)節(jié)設(shè)定值是0%（相當(dāng)于無負(fù)荷），此時(shí)負(fù)荷限制設(shè)定值自動變?yōu)?30%，這樣負(fù)荷調(diào)節(jié)控制模式控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的時(shí)候就不會受到任何限制約束。

除了汽輪機(jī)啟動和解列期間之外，負(fù)荷限制設(shè)定值在選擇“EH AUTO”指令之后可以手動切換至負(fù)荷限制控制模式。此目的就是并網(wǎng)運(yùn)行期間當(dāng)電網(wǎng)頻率低的時(shí)候限制GV閥位需求的增大，防止調(diào)節(jié)閥沒有限制的開大，詳見圖4所示：

圖4 低電網(wǎng)頻率時(shí)并網(wǎng)運(yùn)行

3 負(fù)荷調(diào)節(jié)自動跟蹤模式

當(dāng)負(fù)荷調(diào)節(jié)自動跟蹤模式被選定之后，負(fù)荷調(diào)節(jié)設(shè)定值自動變?yōu)樨?fù)荷限制設(shè)定值與跟蹤帶寬（10%）之和。如圖5當(dāng)電網(wǎng)頻率波動且增加到50.225Hz，由于電網(wǎng)頻率的增加運(yùn)行模式變?yōu)樨?fù)荷調(diào)節(jié)控制模式，調(diào)節(jié)閥就會被關(guān)小。跟蹤帶寬的選擇依賴于電網(wǎng)的需求，一般情況下選擇10%。

圖5 負(fù)荷限制控制模式下頻率增加關(guān)閉調(diào)節(jié)閥

通過負(fù)荷調(diào)節(jié)自動跟蹤模式，控制模式自動切換并且不會對當(dāng)前汽機(jī)負(fù)荷造成任何干擾，如圖6所示：

圖6 負(fù)荷調(diào)節(jié)自動跟蹤模式的切換

4 負(fù)荷限制自動跟蹤模式

負(fù)荷限制自動跟蹤模式就是讓負(fù)荷限制設(shè)定值在一定跟蹤帶寬內(nèi)自動跟蹤負(fù)荷調(diào)節(jié)設(shè)定值，目的就是在電網(wǎng)負(fù)頻率動劇烈減小時(shí)在負(fù)荷限制控制模式下保持調(diào)節(jié)閥開度，防止調(diào)節(jié)閥快開，造成核島超負(fù)荷，此時(shí)對反應(yīng)堆造成的影響可能會使堆芯過冷，從而引入正反應(yīng)性，對電廠安全造成一定沖擊。

當(dāng)在操作員控制屏上選擇負(fù)荷限制自動跟蹤模式后，負(fù)荷限制設(shè)定值自動變?yōu)樨?fù)荷調(diào)節(jié)設(shè)定值與跟蹤帶寬之和。跟蹤帶寬一般也選擇10%。如圖7所示，當(dāng)電網(wǎng)頻率降低至49.775Hz時(shí)，由于電網(wǎng)頻率的降低和負(fù)荷限制自動跟蹤模式的投入，自動切換到負(fù)荷限制控制模式，限值GV閥位需求的增加，從而限制調(diào)節(jié)閥的開大，防止汽機(jī)和核島超負(fù)荷。

同樣，通過負(fù)荷限值自動跟蹤模式，控制模式自動切換并且不會對當(dāng)前汽機(jī)負(fù)荷造成任何干擾。

圖7 負(fù)荷限制自動跟蹤模式運(yùn)行

電站正常功率運(yùn)行時(shí)采用的是負(fù)荷調(diào)節(jié)自動跟蹤模式，現(xiàn)假設(shè)頻率在50Hz的時(shí)候，汽輪機(jī)要求的是處功率是100%滿功率，那么當(dāng)電網(wǎng)頻率波動升至51Hz的時(shí)候，此時(shí)汽輪機(jī)的輸出功率應(yīng)當(dāng)如何計(jì)算。參考圖7，頻率在50Hz的時(shí)候，汽輪機(jī)要求的是處功率是100%，那么此時(shí)的負(fù)荷限制設(shè)定值對應(yīng)的GV閥位需求應(yīng)該是100%，負(fù)荷調(diào)節(jié)

設(shè)定值對應(yīng)的GV閥位需求應(yīng)該是110%，如圖8所示：

圖8 負(fù)荷調(diào)節(jié)自動跟蹤模式下汽機(jī)功率計(jì)算

不難算出汽機(jī)0負(fù)荷的時(shí)候?qū)?yīng)的電網(wǎng)頻率是52.475Hz，那么在50～52.475Hz之間的任一電網(wǎng)頻率f對應(yīng)的汽機(jī)負(fù)荷Load如下式：

f=51，那么Load就是65.56%。由此可見在電網(wǎng)頻率波動尤其是升高的情況下，負(fù)荷調(diào)節(jié)跟蹤模式可以很好地控制汽輪機(jī)的輸出功率，汽輪機(jī)的功率降低之后，整個電網(wǎng)的頻率就會降低，電網(wǎng)頻率降低之后乃至恢復(fù)到正常50Hz汽輪機(jī)的功率也將恢復(fù)到100%負(fù)荷。所以負(fù)荷調(diào)節(jié)跟蹤模式在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)對穩(wěn)定電網(wǎng)頻率是意義重大的。然而汽輪機(jī)的甩負(fù)荷必然會影響到一回路反應(yīng)堆的運(yùn)行，在堆跟機(jī)運(yùn)行方式下反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的可靠性是非常重要的，而且考慮到經(jīng)濟(jì)性和機(jī)械疲勞等問題，反應(yīng)堆功率和汽輪機(jī)功率最好維持在額定功率穩(wěn)定運(yùn)行，這就要求電網(wǎng)頻率穩(wěn)定、波動不大。可見電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定不但是用戶所要求的，也是電廠的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和可靠控制過程中至關(guān)重要的因素。

5 結(jié)語

目前來說，核電廠很少參與調(diào)峰，也就是二次調(diào)頻很少參與，那么電網(wǎng)頻率波動對核電廠來說主要就是靠調(diào)速器這種一次調(diào)頻的方式來進(jìn)行。上述四種汽機(jī)控制方式實(shí)現(xiàn)簡單，各種控制方式之間根據(jù)需要可以互相配合，無擾切換，降低了發(fā)電機(jī)組，核電廠一回路，反應(yīng)堆的瞬態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。并且根據(jù)不同的工況可以手動選取不同的控制模式，以應(yīng)對不同條件下的電網(wǎng)頻率波動。在汽輪機(jī)啟動，發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)并網(wǎng)、解列、停機(jī)過程中，可以通過選擇不同的控制模式，保證汽輪機(jī)輸出之外，還可以控制汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速。各種控制參數(shù)包括轉(zhuǎn)速設(shè)定值、負(fù)荷調(diào)節(jié)設(shè)定值、負(fù)荷限制設(shè)定值等都可以根據(jù)需要任意設(shè)定改變，這就給控制增添了不少靈活性。因此，這一體系的汽機(jī)控制方式可以在不同情景下應(yīng)對不同的電網(wǎng)頻率波動來可靠控制汽輪機(jī)的功率輸出和轉(zhuǎn)速，對改善電網(wǎng)頻率波動也有一定貢獻(xiàn)。從根本上進(jìn)一步改善我國電網(wǎng)電能的品質(zhì)，保證電網(wǎng)電壓、頻率穩(wěn)定，電廠不但要參與調(diào)節(jié)，電網(wǎng)的負(fù)荷也需合理分配。優(yōu)良的電能品質(zhì)需要合理的一次調(diào)頻和二次調(diào)頻乃至三次調(diào)頻，是電力系統(tǒng)需要研究的問題，也是衡量國家工業(yè)先進(jìn)程度的標(biāo)準(zhǔn)。

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作者簡介：史卓忠（1987-），男，陜西寶雞人，中核遼寧核電有限公司預(yù)備操縱員，助理工程師，研究方向：核電廠運(yùn)行及控制。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）