核電站汽輪機調節系統建模與仿真

董麗麗，崔 凝，黃邦西，吳文影

（1．華北電力大學 能源與動力工程學院，保定071003； 2．華北電力大學 仿真與控制研究所，保定071003； 3．華北電力大學 控制與計算機工程學院，保定071003）

核電站汽輪機調節系統（GRE）的任務是保證蒸汽以安全和受控的方式進入汽輪機，使核電站能協調、有效地運行，并使汽輪機各個部件不受機械和熱應力的損傷［1］。我國核電站的汽輪機調節系統基本都是從國外引進的，因此實現核電汽輪機調節系統的國產化并進行深入研究和建模仿真具有極其重要的意義。

ANPS－1000是基于STAR－90仿真支撐系統開發的，是完全面向用戶的核電仿真開發平臺。在ANPS－1000平臺上建立GRE系統的仿真模型，可以為核電站的生產運行、性能分析和故障診斷提供研究平臺。基于ANPS－1000的開發保證了系統的先進性與可靠性。

1 核電汽輪機調節系統建模

核電機組是一個龐大的系統，由許多性質不同的回路和子系統組成，在核電站仿真機中均采用了模塊化建模思想。

1．1 汽輪機本體模型

汽輪機調節系統模型中的被控對象是核電汽輪機。該系統模型的建立基于質量守恒和能量守恒原理，在建模時把工質看作是單相可壓縮流體。通過建立單相可壓縮流體網絡模型就可以知道整個流體網絡各個節點（支路）的流量、管道和環境的傳熱、節點壓力、節點的溫度、焓值等。汽輪機設備的建模是機理建模，汽輪機高壓缸被假設為均勻的，主蒸汽從主汽閥進入高壓缸流經整個機組（網絡），并把流量相等而依次串連排列的若干級稱為級組。在汽輪機建模中，按照級組的數量進行建模，而不必按照級的數量進行建模，這樣便可以減少計算量，縮短仿真機的計算周期［2］。建模中級組劃分的原則是：將兩個抽汽口之間的所有級作為一個級組，調節級單獨作為一個級組，每一個級組為一個計算環節；沒有抽汽段時將高壓缸和低壓缸分別作為一個計算環節。核電汽輪機本體模型中：高壓缸分為3個級組（含調節級），低壓缸分為4個級組，中間連有汽水分離再熱器［3］。通過流網模型和設備模型間的相互通信、協作以及模型的運行流程，將流網模型和設備模型組建成汽輪機本體仿真模型。汽輪機模型與汽輪機調節系統模型之間的通信通過點表進行連接［4］。

1．2 轉速控制

汽輪機調節系統的基本功能有兩個：一是單機運行時的轉速控制，二是并網運行時的功率控制。對于汽輪機來說，無論是轉速控制還是功率控制，都是通過改變蒸汽閥門開度以調節蒸汽流量而實現的。汽輪機轉速在自動控制方式下，其調節回路主回路與閥位控制子回路均為閉環控制結構。若系統處于穩定狀態，則轉速設定值與轉速反饋值相平衡，轉速偏差信號為0，閥位偏差信號也為0。

1．3 負荷控制

汽輪機負荷控制可分為自動控制及手動控制。當汽輪機負荷處于自動控制時，負荷設定值與負荷實測值比較，其偏差值經過高低限處理后，進行比例或比例積分運算，得到相應負荷下的蒸汽需求量，并控制調節閥開度；當汽輪機負荷處于手動控制時，只能通過虛擬操作臺“允許”及“升／降”按鈕進行負荷手動調節。

1．4 應力控制

為了保證汽輪機關鍵部件的熱應力不超過允許限值，采用了應力控制。應力控制由三種模式組成：正常模式、限制模式和隱模式。正常模式和限制模式由應力控制信號的數目決定，包括高壓轉子溫差、高壓汽柜溫差、發電機電負荷等有效信號數目，見表1。處于隱模式時，應力控制對升速和升負荷不再進行限制，但應力控制仍然計算有關部件應力。

表1 應力控制模式與信號數目的關系

1．5 壓力控制

由于高壓缸入口壓力可以快速反映汽輪機負荷的變化，所以壓力控制實際上是用汽輪機高壓缸入口壓力來代表汽輪機實際負荷，從而對汽輪機的負荷進行控制和保護。

2 仿真和結果

在建立上述模型的基礎上，對GRE系統進行仿真，是將GRE系統與汽輪機模型及一回路相關模型進行聯合調試，是對GRE系統功能的驗證，從而完成汽輪機升速、負荷調節、負荷降速、超速及閥門帶負荷的仿真。

2．1 汽輪機升速

圖1為汽輪機的升速仿真曲線。汽輪機投入應力控制，微機調節器由預置狀態轉入升速狀態后汽輪機轉速很快升至126r／min，其后GRE系統根據轉速設定值與測量值之差，通過比例調節控制汽輪機調門的開度，以保證汽輪機轉速等于設定值。在升速過程中，操作員設定的目標升速率在微機調節器為保護狀態時已默認為300r／min，即使應力控制發出的升速率大于300r／min時也不起作用，汽輪機仍以300r／min的升速率升到3 000r／min附近，并由操作員手動調節至3 000r／min，直至經過同步器并網后轉速調節功能自動切除，而后以功率調節功能控制汽輪機負荷。期間，轉速控制系統經過整定后，非同步傾斜度設定為0．15，控制性能達到預期要求。

圖1 汽輪機升速曲線

2．2 負荷調節

當汽輪機處于自動負荷控制且頻率補償投入時，負荷參考值加入頻率控制形成負荷設定值。負荷設定值與負荷實測值比較，其偏差經過高低限處理后進行比例或比例積分運算，得到自動控制下的蒸汽需求量；該蒸汽量與負荷速降產生的蒸汽流量、頻率貢獻產生的蒸汽流量信號求和（差），再經過速度限制、加速度限制、負荷限制和操作員蒸汽流量限制，最終產生有效的蒸汽需求量；這一信號再經過閥門管理程序處理后變成閥位調節指令信號，由閥位控制子回路產生閥位偏差信號，并通過電液轉換器轉換成調節油壓信號，用來控制油動機，進而驅動調節閥門，改變汽輪機的進汽量使負荷相應變化，取自油動機活塞桿的閥位反饋信號、負荷反饋信號也相應變化，直到升至目標負荷［5］（見圖2）。

圖2 負荷控制原理圖

圖3為汽輪機降負荷曲線。

圖3 汽輪機降負荷曲線

汽輪機處于自動負荷控制下，以50MW／min的負荷變化率從984MW降至350MW。調節系統輸出的電信號通過電液轉換器控制調節汽門的開度。汽輪機負荷在350MW后繼續以50MW／min的負荷變化率降負荷至300MW；這時應核實GPV高壓缸進汽環管疏水器旁路閥和GSS蒸汽再熱器溫度控制隔離閥是否已開啟，如果蒸汽管板溫度高于250℃、旁路閥關閉，汽輪機再繼續以50MW／min的速率降負荷直至停機。從圖3中的負荷設定值和機組負荷的實測值之間的微小差別可以看出：在整個降負荷過程中，GRE系統能夠滿足機組負荷設定值的要求，保證了控制系統的穩定性、快速性及精確性［6］。在升負荷或者變負荷時，GRE系統同樣能夠滿足平穩調節機組功率。

2．3 負荷速降

圖4為微機調節器接收定子冷卻水系統故障信號，發出負荷速降指令，在有效負荷（蒸汽量）指令（SD）的基礎上以200%／min的速率連續地降低，一直降到負荷速降信號消失的過程。在負荷速降過程中，上位機自動負荷控制功能被切除，同時下位機“升”按鈕被閉鎖，防止誤升負荷；當負荷速降工況已過去，且汽輪機可以安全地重新升負荷時，需按下下位機的“復位”鍵解鎖，“升”負荷閉鎖。

圖4 定子冷卻水系統故障RB（負荷速降）過程曲線

2．4 超速

圖5為超速的仿真曲線。超速仿真在汽輪機升速結束、同步并網前進行。按功能將微機調節器分為基層調節器（BLG）和上控制層（UCL）。微機調節器處于手動轉速狀態時，操作員可以按下超速請求按鈕（REQUEST）；當BLG上的超速請求燈亮時，操作員就可以按下UCL上的超速允許鍵（PERMIT），此時操作員便可以按升速按鈕（RAISE）。在這個過程中超速REQUEST按鈕必須一直保持在按下的狀態，汽輪機轉速增加；當轉速接近到保護值（110%額定轉速：3 300 r／min）時，汽輪機保護（GSE）系統超速保護裝置動作，保護油被泄掉，汽輪機進汽閥門快速關閉，防止汽輪機超速，微機調節器回到保護狀態。

圖5 超速的仿真曲線

2．5 閥門帶負荷

圖6為第三組（高壓缸）閥門帶負荷的仿真曲線。汽輪機負荷為700MW時，在自動負荷控制下進行仿真。在反應堆模式下，且核功率測量系統信號消失時，操作員通過“釋放”按鈕轉入反應堆的釋放模式。通過“釋放關”使第三組高壓調節閥以2%／s的速率關閉，隨后對應的截止閥以20%／s的速率關閉；通過“釋放開”截止閥以20%／s的速率恢復其全開位置，調節閥也以2%／s的速率開至其正常的位置。在此過程中汽輪機負荷小幅度變化。

圖6 第三組閥門帶負荷仿真曲線

圖7為第八組（低壓缸）閥門帶負荷的仿真曲線。汽輪機負荷為700MW時，在自動負荷控制下進行仿真。操作員通過“釋放關”使第八組低壓調節閥以2%／s的速率關閉，隨后對應的截止閥全關；通過“釋放開”使截止閥全開，調節閥也以2%／s的速率開至其正常的位置。在此過程中汽輪機負荷基本不變。

圖7 第八組閥門帶負荷仿真曲線

3 結語

對國內核電汽輪機來說，需要建立一個仿真平臺，以研究其調節系統特性，筆者就是在ANPS－1000上建立了這樣的仿真平臺。根據仿真結果說明這一仿真模型是有效的，可以為核電汽輪機的運行、性能分析和故障診斷提供服務。

［1］楊其國．大型核電汽輪機國產化策略［J］．中國核工業，2006（3）：14－15，30．

［2］史瑛杰．壓水堆核電站的建模控制與仿真軟件開發［D］．上海：上海交通大學，2008．

［3］賀禹，濮繼龍，高立剛．900MW壓水堆核電站系統與設備（下）［M］．北京：原子能出版社，1994：20－36．

［4］陳濟東．大亞灣核電站系統及運行［M］．北京：原子能出版社，1995：102－120．

［5］林文孚，胡燕．單元機組自動控制技術［M］．北京：中國電力出版社，2004：181－187．

［6］駱邦其．核電站汽輪機手動甩負荷到廠用電模擬分析［J］．核電工程與技術，1997，10（2）：17－22．