三門核電廠汽機轉速控制特點分析

摘 要：汽輪機作為核電廠主要設備之一，其轉速控制系統的可靠性和完備性直接關系到核電廠的安全啟動和穩定運行。文章通過探討三門核電廠汽輪機在沖轉、并網前后及正常功率運行期間各種轉速控制模式下的控制邏輯、執行機構和設計特點，分析總結其先進設計理念，以期對機組的調試和運行提供參考。

關鍵詞：汽輪機；沖轉；調速器；超速

1 概述

三門核電廠汽輪機及其控制系統采用日本三菱公司設計，該型汽輪機額定功率1251MWe，額定轉速1500rpm，采用四缸六排汽雙流對稱布置（一高壓缸，三低壓缸），共設置4個主汽閥（MSV）、4個主調閥（GV）、6個再熱主汽閥（RSV）和6個再熱調閥（ICV）。汽機控制系統產生的控制信號驅動主汽閥、主調閥和再熱調閥的伺服機構調節閥門開度，實現汽機不同運行階段的轉速或負荷控制。文章主要針對三門核電廠汽機在沖轉啟動、并網前后及正常功率運行期間各種轉速控制模式的設計特點分別進行探討。

2 汽機沖轉控制（MSV控制）

與傳統核電汽輪機組使用主調閥沖轉啟動的方式不同，三門核電廠汽輪機采用主汽閥作為汽機沖轉的執行機構，為此，主汽閥的閥芯中央設置了獨特的小流量先導小閥，只有當先導小閥在閥桿驅動下全開后，主汽閥閥芯才能開啟。因此，在沖轉控制模式下，汽機控制系統產生的控制信號通過調節汽機主汽閥先導小閥閥位，進而控制汽機進汽量，最終實現汽機從零轉速向額定轉速的升速啟動。

為了實現這種獨特的沖轉方式，在沖轉前，汽機控制系統會向汽機主調閥和再熱主調閥提供全開偏置信號使其在沖轉控制期間始終保持全開，此時，未配置電液伺服機構的再熱主汽閥在調節油壓的作用下也保持開啟，僅有主汽閥處于全關狀態。

汽機沖轉程序啟動后，主汽閥的先導小閥開始接受沖轉控制模式下的控制信號，為實現沖轉過程快速、平穩、可控，沖轉控制采用比例控制加前饋補償的控制方式，如圖1所示。其中，參考轉速由人工選定的目標轉速和升速速率自動計算獲取，實測轉速由3個控制專用的轉速計信號經中值選擇獲得。參考轉速與實測轉速的偏差（即轉速偏差）乘以比例系數得到了比例控制信號，而以參考轉速作為輸入的函數發生器FX1輸出前饋控制信號，二者求和得到MSV閥位需求信號。由于主汽閥先導小閥的開度與蒸汽流量并非為線性關系，因此閥位需求信號還需通過函數發生器FX2進行修正，最終形成的MSV閥門開度指令，伺服驅動機構隨即對先導小閥開度進行調節，使汽機按照預定的升速率平穩啟動，直至達到目標轉速。

3 調速器控制（GOV控制）

汽機沖轉至額定轉速后，汽機控制系統需要從沖轉控制模式切換到調速器控制模式，以便后續通過控制主調閥和再熱調閥的開度進行轉速和負荷的調節。為了實現控制執行機構的無擾切換，汽機控制系統專門設置了閥門切換功能。一旦啟動閥門切換，沖轉控制模式下賦予主調閥和再熱調閥的全開偏置信號便會自動線性降低，使閥門逐漸關閉，最終1個主調閥保持約4%的無負荷空轉設定開度，另外3個主調閥全關，而6個再熱主調閥則保持約60%開度。當主調閥和再熱調閥就位后，4個主汽閥同時接收線性增加的全開偏置信號，使之逐漸開啟至全開狀態。至此，汽機控制模式切換完成。

調速器控制模式既可在機組并網前或孤島運行期間使汽機保持額定轉速運行，也可在并網后根據電網頻率自動調節汽機負荷輸出，參與電網一次調頻。調速器控制采用比例控制方式，如圖2所示。其中，實測轉速與沖轉控制模式下的信號源相同，均為中選轉速信號。參考轉速則取決于機組的運行工況，機組并網前，參考轉速為轉速設定值，該定值既可在1500±90rpm的范圍內手動調節，亦可由同期裝置在并網前根據需要自動進行微量調節，以便機組并網。一旦機組并網成功，參考轉速則強制為額定轉速，不得改變。參考轉速與實測轉速的偏差與乘以比例系數，再與GOV負荷設定值（并網前初始值為0）相加計算得到閥位需求信號。由于主調閥和再熱調閥的開度與蒸汽流量并非為線性關系，因此閥位需求信號還需經函數發生器FX3、FX4分別進行修正，最終計算獲得主調閥和再熱調閥的開度指令，使汽機在GOV負荷設定值對應的負荷輸出下維持額定轉速。

機組并網后，汽機可在調速器控制模式下根據電網頻率自動調節負荷輸出。當電網頻率低于額定值時，GOV負荷設定值自動增加，開大主調閥和再熱主調閥，以增加機組負荷輸出，反之亦然，其負荷設定值與頻率特性曲線如圖3所示。

4 調速器自動跟蹤

機組參與電網一次調頻雖有利于電網系統穩定，但汽機若長時間保持這樣的運行方式會增加核電廠反應堆功率控制系統的擾動，并使相關設備、管道受熱應力頻繁變化而產生不利影響，因此，核電汽輪發電機組一般采取帶基本負荷的運行方式。與傳統核電廠類似，三門核電廠汽機在并網后需要從調速器控制模式切換到負荷限制器控制（LL控制）模式，通過機組負荷輸出與閥門開度的預設關系，將LL負荷設定值直接轉化為主調閥和再熱調閥的開度指令，實現正常運行期間負荷控制，而不再考慮電網頻率的變化。

雖然此時機組處于負荷限制器控制模式，但調速器控制仍然自動跟蹤當前汽機負荷，并始終保持GOV負荷設定值比LL負荷設定值高出10%額定功率的固定帶寬。一旦因外電網或汽機控制系統出現故障，汽機轉速隨電網頻率升高而增加，GOV負荷設定值將自動線性降低，當其降至小于與LL負荷設定值時（對應頻率為

50.225Hz），汽機控制模式將自動從負荷控制器控制切換到調速器控制。由于GOV負荷設定值與頻率成反比，隨著頻率的繼續升高，主調閥和再熱主調閥將在調速器控制模式下逐漸關小，降低機組負荷輸出，使機組平穩地從瞬態過渡到穩態，避免進一步超速而導致超速保護動作，自動跟蹤特性曲線如圖4所示。

5 結束語

三門核電廠汽機的沖轉控制模式、調速器控制模式和調速器自動跟蹤功能作為相互銜接的有機整體，實現了汽機不同運行工況、不同運行階段的轉速控制功能，相比于傳統核電廠，它擁有一系列獨特的設計特點：（1）利用主汽閥先導小閥進行沖轉啟動可以有效

地實現轉速精確控制，在低轉速區控制性能更加優異；主汽閥作為汽機保護的執行機構，其嚴密性也要遠好于主調閥，可以有效避免傳統核電廠在沖轉前因主調閥內漏而導致汽機意外升速、超速等異常情況的發生。（2）比例加前饋補償的沖轉控制方式不僅能盡量地消除控制偏差，提高系統響應速度，還能避免由于積分效應引起的控制振蕩。（3）鑒于汽機不同轉速控制模式下的執行機構不同，閥門自動切換功能結合閥位偏置信號的運用實現了沖轉控制模式到調速器控制模式的全自動無擾切換。（4）調速器控制不僅使汽機具備在額定轉速附近控制負荷輸出和轉速調節的能力，同時調速器自動跟蹤功能也彌補了機組在并網后帶基本負荷運行期間負荷限制器控制沒有轉速調節功能的弊端，形成防止汽機超速的第一道屏障。（5）汽機控制系統根據每類汽機閥門的特性分別設置修正函數，在

不同轉速控制模式下，保證閥門的控制信號與蒸汽流量呈良好地線性關系，極大改善汽機轉速和負荷輸出的控制特性。

綜上所述，三門核電廠的汽機轉速控制功能全面、自動化程度高、融入了眾多傳統核電汽輪機組所不具備的先進設計理念，使汽輪發電機組不同運行階段的轉速控制功能有機結合，對保障機組安全啟動、可靠運行具有重要意義。

參考文獻

[1]SMG-TOS-J1-M0001.三門核電廠汽輪機控制系統說明書R5[Z].

[2]SMG-MTS-M3-M0001.三門核電廠主汽輪機系統說明書R3[Z].