司 銳， 黃美華

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司， 廣東深圳 518000)

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蒸汽發(fā)生器蒸汽壓力變化下汽輪機(jī)限負(fù)荷參數(shù)定值分析計(jì)算

司 銳， 黃美華

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司， 廣東深圳 518000)

綜合考慮反應(yīng)堆超功率限制條件和汽輪機(jī)安全可靠運(yùn)行因素，提出在蒸汽發(fā)生器出口蒸汽壓力持續(xù)下降情況下，汽輪機(jī)限負(fù)荷參數(shù)定值分析計(jì)算方法，結(jié)合某電廠運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用Excel軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果良好。

核電站； 汽輪機(jī)； 限負(fù)荷參數(shù)； 堆芯功率； 蒸汽壓力

隨著國內(nèi)壓水堆CPR1000堆型投產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行堆年的增長，蒸汽發(fā)生器出口主蒸汽壓力出現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)，這種現(xiàn)象在國內(nèi)外核電廠均普遍存在。由于該參數(shù)變化與一回路水力特性、蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)特性、熱力性能以及二回路水質(zhì)，乃至一、二回路及其相關(guān)設(shè)備材料(存在溶解、化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入水循環(huán)，并在蒸汽發(fā)生器內(nèi)形成水垢的可能)有關(guān)，對(duì)于蒸汽發(fā)生器出口蒸汽壓力隨運(yùn)行堆年變化機(jī)理和原因，目前國內(nèi)外尚在研究分析中。在此背景下，電廠運(yùn)行初期設(shè)置的汽輪機(jī)限負(fù)荷參數(shù)定值已不能滿足日常運(yùn)行要求，為保證電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行，有必要對(duì)汽輪機(jī)限負(fù)荷參數(shù)定值進(jìn)行重新分析計(jì)算。筆者通過對(duì)某在役電廠運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，綜合考慮反應(yīng)堆超功率限制條件和汽輪機(jī)安全可靠運(yùn)行因素，總結(jié)出了在蒸汽發(fā)生器出口蒸汽壓力持續(xù)下降情況下，汽輪機(jī)限負(fù)荷參數(shù)定值分析計(jì)算方法。

1 核電站功率運(yùn)行要求

CPR1000堆型核電廠中，汽輪機(jī)設(shè)置兩個(gè)限負(fù)荷參數(shù)，即蒸汽需求量(SD)和汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力，用于防止反應(yīng)堆堆芯熱功率超過限值。SD是汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中表征汽輪機(jī)在某功率下所需要的計(jì)算蒸汽流量，用于汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥和隔離閥的開度控制，為動(dòng)態(tài)值。SD值是汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)經(jīng)一系列邏輯運(yùn)算得到的百分?jǐn)?shù)，主要計(jì)算基數(shù)為操作員輸入的目標(biāo)功率(MW)與額定功率(100%TMCR)之比，在閉環(huán)控制模式下加上機(jī)組實(shí)際功率與目標(biāo)功率偏差相對(duì)變化量(百分?jǐn)?shù))，同時(shí)加上頻率偏差引起的功率補(bǔ)償計(jì)算出的蒸汽流量百分比。該參數(shù)與主蒸汽壓力、汽輪機(jī)熱力特性、調(diào)節(jié)系統(tǒng)邏輯組態(tài)中的轉(zhuǎn)化函數(shù)(含曲線擬合公式)、邏輯圖中主調(diào)節(jié)閥組態(tài)特征曲線等有關(guān)。汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力指第一壓力級(jí)前蒸汽壓力，或稱高壓缸入口蒸汽壓力，也可以稱為主調(diào)節(jié)閥閥后蒸汽壓力。機(jī)組商運(yùn)前，這兩個(gè)限負(fù)荷參數(shù)定值由汽輪發(fā)電機(jī)組供應(yīng)商根據(jù)理論計(jì)算預(yù)置。機(jī)組商運(yùn)后，需要根據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行核算，重新設(shè)置，以滿足相關(guān)運(yùn)行程序要求。核電汽輪機(jī)限負(fù)荷參數(shù)定值計(jì)算在相關(guān)文獻(xiàn)有介紹[1]，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，蒸汽發(fā)生器出口蒸汽壓力在0～0.05 MPa，該計(jì)算方法能滿足要求，但不能適用于主蒸汽壓力變化超過0.1 MPa的情況。筆者根據(jù)某電廠1號(hào)機(jī)組主蒸汽壓力變化大的特點(diǎn)和汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥組態(tài)特性，提出了新的汽輪機(jī)限負(fù)荷參數(shù)計(jì)算原則和方法，并成功應(yīng)用于該電廠1號(hào)機(jī)組，驗(yàn)證結(jié)果良好。

2 汽輪機(jī)限負(fù)荷參數(shù)局限性分析

某電廠汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥特性曲線見圖1。

圖1 高壓調(diào)節(jié)閥流量VS開度曲線

根據(jù)調(diào)節(jié)閥通流計(jì)算公式可知：當(dāng)調(diào)節(jié)閥前后壓差減小，同樣流量下，調(diào)節(jié)閥開度增大。因此，蒸發(fā)器出口主蒸汽壓力降低、汽輪機(jī)性能不變情況下，相同功率平臺(tái)下，調(diào)節(jié)閥開度增大。當(dāng)主蒸汽壓力降低到一定程度下，調(diào)節(jié)閥將進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)域，對(duì)汽輪機(jī)限負(fù)荷參數(shù)計(jì)算帶來偏差，同時(shí)，汽輪機(jī)蒸汽進(jìn)汽流量(調(diào)節(jié)閥通流量)與閥位線性關(guān)聯(lián)性發(fā)生變化，從而使原擬合計(jì)算方法不能適用。

3 限負(fù)荷參數(shù)定值分析計(jì)算

3.1 汽輪機(jī)限負(fù)荷定值設(shè)計(jì)改進(jìn)要求

3.1.1 限負(fù)荷定值設(shè)置原則

(1) 滿足核電站核島運(yùn)行安全要求：確保二回路汽輪機(jī)及相關(guān)回?zé)嵯到y(tǒng)設(shè)備故障情況下，一回路堆芯熱功率不超設(shè)計(jì)功率的102%(即102%Pn)[1]。

(2) 在限負(fù)荷參數(shù)以下，確保汽輪機(jī)相關(guān)設(shè)備運(yùn)行安全可靠。

(3) 最大限度提高核電站經(jīng)濟(jì)效益：限負(fù)荷參數(shù)定值不能過低，最大保證汽輪機(jī)各種工況下可達(dá)到最大合理功率[1]。

3.1.2 分析計(jì)算參數(shù)選用原則

(1) 數(shù)據(jù)真實(shí)性：堆-機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，各系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定，一回路和二回路熱功率平衡。數(shù)據(jù)的采集，應(yīng)取某個(gè)時(shí)間段內(nèi)(如0.5～1 h)參數(shù)的平均值作為工況點(diǎn)參數(shù)，禁止采取瞬態(tài)數(shù)據(jù)[1]。

(2) 數(shù)據(jù)代表性：應(yīng)采用機(jī)組在高負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域的穩(wěn)態(tài)參數(shù)。因蒸汽發(fā)生器出口主蒸汽壓力隨負(fù)荷增高而降低，會(huì)影響SD計(jì)算值，建議在(95%～100%)Pn功率區(qū)間選用數(shù)據(jù)，(75%～95%)Pn功率參數(shù)做參考。

3.1.3 數(shù)據(jù)處理

某在役機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)見表1。

表1 運(yùn)行數(shù)據(jù)

(1) 真實(shí)性：由于參數(shù)測(cè)量儀表設(shè)備、元器件測(cè)量精度等方面原因，會(huì)存在測(cè)量誤差、發(fā)生異常情況，同時(shí)機(jī)組運(yùn)行實(shí)際工藝參數(shù)發(fā)生波動(dòng)、流場(chǎng)壓力場(chǎng)變化等原因，會(huì)導(dǎo)致讀取的參數(shù)失真，需剔除或進(jìn)行修正。

(2) 整理：根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行壞點(diǎn)剔除或者誤差修正后，根據(jù)擬采用的數(shù)據(jù)計(jì)算模型按一定規(guī)律進(jìn)行整理。

3.2 汽輪機(jī)限負(fù)荷參數(shù)定值計(jì)算方法改進(jìn)

3.2.1 建立計(jì)算模型

數(shù)學(xué)模型包括線性、多項(xiàng)式、數(shù)冪等。一般來說，SD、壓力參數(shù)與核島熱功率在一定范圍內(nèi)成線性關(guān)系；除非主蒸汽壓力變化比較大，可能出現(xiàn)多項(xiàng)式或n次方的情況。

汽輪發(fā)電機(jī)組的“蒸汽需求量隨機(jī)組出力曲線”及“進(jìn)汽壓力隨機(jī)組出力曲線”實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)見圖2、圖3。

圖2 汽輪機(jī)蒸汽需求量隨機(jī)組出力的變化

圖3 汽輪機(jī)蒸汽進(jìn)汽壓力隨機(jī)組出力的變化

通過圖2和圖3可知：在一定條件下，機(jī)組在高負(fù)荷區(qū)間運(yùn)行，機(jī)組出力和蒸汽流量、進(jìn)汽壓力線性變化程度高，適合采用線性數(shù)學(xué)模型進(jìn)行建模、計(jì)算和分析。

3.2.2 擬合計(jì)算

可利用Excel強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、擬合功能；也可以采用回歸方程進(jìn)行手工計(jì)算。求出核島熱功率與SD、壓力的函數(shù)關(guān)系式。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，采用線性關(guān)系擬合求出汽輪機(jī)蒸汽相對(duì)需求量、進(jìn)汽壓力和核島熱功率之間關(guān)系。

蒸汽需求量Y與核島熱功率X關(guān)系：

Y=0.041 9X-16.227

(1)

式中：Y表示汽輪機(jī)蒸汽需求量，%；X為核島熱功率，MW。

汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力Z與核島熱功率X關(guān)系式：

Z=0.002 7X-1.600 9

(2)

式中：Z為汽輪機(jī)高壓缸相對(duì)進(jìn)汽壓力，%，由汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)邏輯組態(tài)設(shè)定的轉(zhuǎn)換公式(p-0.2)/6.08計(jì)算得出，其中p為實(shí)測(cè)高壓缸進(jìn)汽壓力值MPa(A)，0.2 MPa(A)為汽輪機(jī)空載(額定轉(zhuǎn)速)對(duì)應(yīng)的理論進(jìn)汽壓力值，6.08 MPa(A)為100%TMCR下進(jìn)汽設(shè)計(jì)壓力值；X為核島熱功率，MW。

表征機(jī)組出力參數(shù)的汽輪機(jī)蒸汽需求量、汽輪機(jī)高壓缸進(jìn)汽壓力若采用百分比來表示，理論上同一功率平臺(tái)對(duì)應(yīng)數(shù)值應(yīng)相等。實(shí)際運(yùn)行中，蒸汽需求量是DCS動(dòng)態(tài)計(jì)算調(diào)節(jié)參數(shù)，受到儀表設(shè)備特性、電網(wǎng)頻率變化等因素影響；而汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力值受主調(diào)節(jié)閥機(jī)械特性、實(shí)際組態(tài)等因素影響，導(dǎo)致兩者會(huì)出現(xiàn)數(shù)值偏差，但兩者趨勢(shì)變化相同。從表1、圖2和圖3中機(jī)組運(yùn)行參數(shù)及擬合曲線來看，充分體現(xiàn)出這兩點(diǎn)特性。

3.2.3 限值選擇

(1) 核島安全性要求。

無法精確測(cè)量核電廠堆芯熱功率，通常通過測(cè)量蒸汽發(fā)生器交換熱量來計(jì)算核島熱功率。在核電廠堆-機(jī)調(diào)節(jié)和控制運(yùn)行策略中，采用蒸汽發(fā)生器熱功率表征核功率，其計(jì)算大致如下：

堆芯熱功率102%Pn對(duì)應(yīng)的蒸汽發(fā)生器輸出熱功率(即最大限值)為

2 895 MW×102%+10 MW=2 963 MW

其中，10 MW為核島一回路主泵熱功率。

實(shí)際上需要根據(jù)運(yùn)行人員能力、運(yùn)營管理水平、機(jī)組性能綜合考慮一定余量，一般按2 940～2 950 MW蒸汽發(fā)生器輸出功率進(jìn)行設(shè)置SD、壓力限值。

經(jīng)過對(duì)機(jī)組商運(yùn)以來的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、計(jì)算和綜合分析，汽輪機(jī)第一級(jí)前壓力和蒸汽需求量(SD)限值設(shè)置見表2。

表2 汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力限值和蒸汽需求量(SD)限值設(shè)置

可見，由于1號(hào)機(jī)組運(yùn)行在汽輪機(jī)主調(diào)節(jié)閥不穩(wěn)定區(qū)附近，通過運(yùn)行數(shù)據(jù)擬合公式外延計(jì)算出的SD限值已經(jīng)明顯超過汽輪機(jī)主汽閥全開工況下最大值107%(某在役機(jī)組參數(shù))。

(2) 汽輪機(jī)運(yùn)行要求。

根據(jù)主汽閥全開工況下，SD最大值為107%，對(duì)應(yīng)VWO工況核功率2 984 MW，利用表3數(shù)據(jù)進(jìn)行差值運(yùn)算，得出蒸汽需求量Y與核島熱功率X關(guān)系：

Y=0.025X+32.4

(3)

表3 運(yùn)算數(shù)據(jù)

經(jīng)過計(jì)算的SD限值見表4。

表4 計(jì)算結(jié)果

(3) 主汽閥設(shè)備穩(wěn)定性要求。

主調(diào)節(jié)閥開度與蒸汽需求量的關(guān)系見圖4。

圖4 汽輪機(jī)蒸汽需求量隨主汽閥閥門開度的變化

根據(jù)邏輯組態(tài)，當(dāng)主調(diào)節(jié)閥開度在58%～62%和66%～70%時(shí)，斜率(閥位變化量/SD變化量)為8∶1，即SD微量擾動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)閥會(huì)出現(xiàn)比較大的閥位變化，調(diào)節(jié)閥工作不穩(wěn)定。

考慮100%功率正常運(yùn)行SD值已超過104%，在此僅需考慮主調(diào)節(jié)閥開度不要在66%～70%長時(shí)間運(yùn)行。根據(jù)邏輯組態(tài)設(shè)定，66%閥門開度對(duì)應(yīng)SD值為105.5%，根據(jù)擬合曲線此時(shí)核功率為2 905 MW。

根據(jù)機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力限值和蒸汽需求量(SD)限值設(shè)置見表5。

表5 限值設(shè)置 %

考慮汽輪機(jī)主蒸汽調(diào)節(jié)閥穩(wěn)定，機(jī)組運(yùn)行安全，建議機(jī)組按105.5%設(shè)置蒸汽需求量(SD)限值，按101.0%設(shè)置汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力限值。

4 結(jié)語

隨著核電站運(yùn)行年限的增加，核電站主設(shè)備性能、熱力性能下降，一般的方法對(duì)汽輪機(jī)限負(fù)荷參數(shù)定值設(shè)置進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果已不能滿足機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的要求，需要綜合考慮核島的運(yùn)行限制、汽輪機(jī)運(yùn)行和主汽閥設(shè)備穩(wěn)定性等方面的要求。汽輪機(jī)限負(fù)荷參數(shù)定值設(shè)置，即汽輪機(jī)蒸汽需求量限值、進(jìn)汽壓力限值，需根據(jù)機(jī)組運(yùn)行情況定期進(jìn)行校核、修正。筆者所述方法適用于機(jī)組運(yùn)行1年后，蒸汽發(fā)生器出口主蒸汽參數(shù)下降的在役核電機(jī)組限負(fù)荷參數(shù)計(jì)算。

[1] 黃美華, 李平洋. 核電站汽輪機(jī)限負(fù)荷參數(shù)定值設(shè)置研究分析[J]. 發(fā)電設(shè)備, 2015, 29(6): 423-427.

Analysis and calculation on Load Limit of a Steam Turbine at Varying Outlet Pressures of the Steam Generator

Si Rui, Huang Meihua

(China Nuclear Power Design Co., Ltd., (Shenzhen), Shenzhen 518000, Guangdong Province, China)

By comprehensively considering the overpower restriction and the security of a steam turbine, an analysis and calculation method was proposed for the setting of its load limit in the case of continuous decline of the steam generator outlet pressure. Based on the operation data of a power plant, simulated calculation was conducted, and the results were proved to be accurate.

nuclear power plant; steam turbine; load limit; core power; steam pressure

2016-07-18；

2016-08-24

司 銳(1985—)，男，工程師，從事常規(guī)島汽輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)管理工作。E-mail: si_rui@cgnpc.com.cn

TL331

A

1671-086X(2017)03-0181-04