某核電廠汽輪發(fā)電機組逆功率分析與處理

劉東亮　趙東陽　趙書宇

【摘 要】介紹了某核電廠汽輪機發(fā)電機組逆功率問題，對試驗控制邏輯及過程進行了分析。調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)置的用于表決back to nominal speed信號觸發(fā)的延時時間過短，機組在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)尚未達到穩(wěn)定狀態(tài)時重新并網(wǎng)是導(dǎo)致逆功率問題發(fā)生的根本原因，給出了可以解決該問題的處理方案。

【關(guān)鍵詞】核電廠；汽輪發(fā)電機組；逆功率；并網(wǎng)

中圖分類號： TU375.4；TU476.1 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）12-0027-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.011

Analysis and Handling of Reverse Power for a Nuclear Power Turbine Generator Unit

LIU Dong-liang ZHAO Dong-yang ZHAO Shu-yu

（China Nuclear Power Engineering Co.， LTD.， Shenzhen， Guangdong Pro. 518124， China）

【Abstract】The paper introduces a problem of reverse power for some nuclear power turbine generator unit and analyzes the control logic and test process. The root cause for reverse power is the time delay used to trigger the back to nominal speed signal too short and re-connecting to grid when the turbine speed has not reached the stability state. A solution to solve the problem is given in this paper.

【Key words】Nuclear power plant； Turbine generator； Reverse power； On grid

0 引言

某核電廠使用HN1119-6.43/280/269-H型汽輪機，該汽輪機為飽和蒸汽、單軸、四缸、六排汽、中間再熱、沖動、凝氣式半速機。汽輪發(fā)電機組在調(diào)試啟動階段執(zhí)行從100%負荷甩至空載試驗（以下簡稱甩空載試驗），試驗結(jié)束后機組再次并網(wǎng)瞬間發(fā)電機進入逆功率工況，現(xiàn)場記錄曲線顯示逆功率時間持續(xù)不足1s，因持續(xù)時間短于逆功率保護動作時間，未實際觸發(fā)發(fā)電機逆功率保護。逆功率工況下，并網(wǎng)運行的發(fā)電機將變成從電網(wǎng)吸收有功功率的同步電動機運行，若發(fā)電機變?yōu)殡妱訖C長時間運行，則易造成汽輪機排汽溫度上升、末級葉片過熱導(dǎo)致葉片損傷等事故[1-2]。

1 試驗控制邏輯及過程分析

1.1 甩空載及轉(zhuǎn)速控制分析

該核電廠汽輪機發(fā)電機組并網(wǎng)運行后總蒸汽需求量由負荷回路蒸汽需求量與轉(zhuǎn)速回路蒸汽需求量構(gòu)成，總體蒸汽需求量用于生成閥門開度指令，控制閥門開度。甩空載試驗開始后機組從電網(wǎng)解列，負荷回路蒸汽需求量按照設(shè)計方案設(shè)定為8%，此后汽輪機依靠轉(zhuǎn)速控制回路將轉(zhuǎn)速迅速穩(wěn)定至額定值附近[3]。經(jīng)分析轉(zhuǎn)速控制回路的總蒸汽需求量由三部分組成：空載部分對應(yīng)的蒸汽需求量，由汽輪機目標轉(zhuǎn)速經(jīng)過函數(shù)折算生成，是汽輪機在不同轉(zhuǎn)速下的理論蒸汽需求量；比例部分對應(yīng)的蒸汽需求量，是對目標轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速的偏差引入的比例修正；積分部分對應(yīng)的蒸汽需求量，是對目標轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速的偏差引入的積分修正。甩空載試驗開始后轉(zhuǎn)速從額定轉(zhuǎn)速迅速上升，此時目標轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速產(chǎn)生轉(zhuǎn)速偏差（XD），該轉(zhuǎn)速偏差通過比例、積分環(huán)節(jié)的作用來穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。控制原理見圖1。

1.2 并網(wǎng)帶初始負荷控制分析

汽輪發(fā)電機組并網(wǎng)后控制系統(tǒng)將產(chǎn)生一個周期為1s的脈沖信號，該脈沖信號經(jīng)過一個0.5s的后延時用于并網(wǎng)初始負荷大小的選擇判斷。根據(jù)控制邏輯，在并網(wǎng)后1.5s系統(tǒng)將選擇并網(wǎng)所帶初始負荷，并網(wǎng)初始負荷=（轉(zhuǎn)速控制回路總蒸汽需求量-轉(zhuǎn)速回路空載蒸汽需求量）+5%。其中“轉(zhuǎn)速控制回路總蒸汽需求量-轉(zhuǎn)速回路空載蒸汽需求量”的值為并網(wǎng)前控制器最后一個掃描周期內(nèi)的值，該值在并網(wǎng)后第一個掃描周期內(nèi)被記憶并加上5%作為并網(wǎng)初始負荷。控制原理見圖2。

1.3 試驗過程分析

正常甩空載試驗時，轉(zhuǎn)速回路總蒸汽需求量小于3.9%并且轉(zhuǎn)速大于1497rpm時會觸發(fā)back to nominal speed信號，將目標負荷設(shè)定值以5%/min的速度向下調(diào)整，直到轉(zhuǎn)速回路蒸汽需求量大于4%或汽機轉(zhuǎn)速小于1497rpm停止，此時機組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)才達到穩(wěn)定狀態(tài)。但是該電廠甩空載轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，轉(zhuǎn)速回路的蒸汽需求量為-2%，并未大于4%，也即甩空載后轉(zhuǎn)速調(diào)整并未達到穩(wěn)定狀態(tài)，此時應(yīng)該觸發(fā)back to nominal speed信號將負荷回路的蒸汽需求量從8%開始降低，直至轉(zhuǎn)速回路的蒸汽需求量回調(diào)至4%。檢查試驗記錄發(fā)現(xiàn)此次甩空載試驗過程中back to nominal speed信號全程未觸發(fā)。100%負荷甩空載試驗主要參數(shù)趨勢見圖3。

甩空載試驗后轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時，轉(zhuǎn)速回路的蒸汽需求量約為-2.25%。根據(jù)該電廠汽機調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制邏輯，機組并網(wǎng)后轉(zhuǎn)速回路頻率死區(qū)自動投入，由于該電廠不參與一次調(diào)頻，頻率死區(qū)設(shè)置很大，所以并網(wǎng)后轉(zhuǎn)速回路頻差信號為0，比例部分的輸出也為0。并網(wǎng)瞬間，總的蒸汽需求量為負荷回路蒸汽需求量與轉(zhuǎn)速回路蒸汽需求量之和約為3%，而汽輪機維持1500rpm運行需要的蒸汽需求量理論值為4%，實際進汽量尚不足以維持汽輪機發(fā)電機組空轉(zhuǎn)，導(dǎo)致發(fā)電機進入逆功率工況。分析現(xiàn)場試驗記錄曲線發(fā)現(xiàn)并網(wǎng)瞬間高壓調(diào)節(jié)閥門的處于關(guān)閉狀態(tài)，此種情況下電功率測量顯示為48.5MW，該功率為逆功率工況下測得的有功功率值。并網(wǎng)1s后負荷回路的蒸汽需求量為并網(wǎng)初始負荷與負荷設(shè)定生效值之間取大，而此時負荷設(shè)定生效值仍為8%，此處的8%為甩孤島/甩空載信號觸發(fā)后目標負荷自動切換為8%時保留。此時，轉(zhuǎn)速回路的蒸汽需求量4%與負荷回路的蒸汽需求量8%共同作用使總蒸汽需求量變?yōu)?2%，高壓調(diào)門開度變大，發(fā)電機功率也從逆功率狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎蜉敵觯瑱C組恢復(fù)正常運行。該核電廠汽輪發(fā)電機組甩空載后重新并網(wǎng)有關(guān)參數(shù)變化趨勢見圖4。

2 逆功率根本原因分析

甩空載30s后轉(zhuǎn)速回路蒸汽需求量小于3.9%并且轉(zhuǎn)速大于1497rpm時會觸發(fā)back to nominal speed信號。甩空載信號觸發(fā)后30s時，由于轉(zhuǎn)速回路積分部分的蒸汽需求量貢獻值仍然為3%，轉(zhuǎn)速回路中空載部分對蒸汽需求量的貢獻為4%，這兩項對轉(zhuǎn)速回路總蒸汽需求量的貢獻值為固定的7%，所以此時通過轉(zhuǎn)速回路蒸汽需求量來判斷back to nominal speed是否觸發(fā)取決于比例部分的值。分析該核電廠甩空載時的趨勢數(shù)據(jù)可知在甩空載信號觸發(fā)30s之后，轉(zhuǎn)速回路中比例部分的調(diào)節(jié)仍未穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速仍處于振蕩調(diào)節(jié)的過程中，所以此時轉(zhuǎn)速回路的蒸汽需求量值也處于振蕩變化之中。如圖3所示，30s時轉(zhuǎn)速回路中比例部分處于振蕩過程中的峰值約為-0.05%，轉(zhuǎn)速回路蒸汽需求量的值為6.46%，已經(jīng)大于3.9%，導(dǎo)致back to nominal speed信號沒有觸發(fā)。甩孤島/甩空載信號觸發(fā)后30s時，轉(zhuǎn)速回路中的比例部分仍然在波動導(dǎo)致轉(zhuǎn)速回路總蒸汽需求量隨之波動，因此，在這種工況下back to nominal speed能否準確觸發(fā)存在不確定性。

結(jié)合以上分析，該核電廠出現(xiàn)甩空載后再次并網(wǎng)導(dǎo)致逆功率的直接原因已經(jīng)明確，即，甩空載后用于將轉(zhuǎn)速回路調(diào)節(jié)至穩(wěn)定狀態(tài)的信號back to nominal speed沒有觸發(fā)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速回路的蒸汽需求量穩(wěn)定在一個較小的值上，再次并網(wǎng)時該值參與并網(wǎng)最小負荷計算時導(dǎo)致最小負荷偏低，總蒸汽需求量無法向電網(wǎng)輸出一個正向的電功率并導(dǎo)致發(fā)電機逆功率。該核電廠甩空載試驗后重新并網(wǎng)過程中出現(xiàn)短暫逆功率的根本原因是調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)置的用于表決back to nominal speed信號觸發(fā)的30s延時時間過短，機組在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)尚未達到穩(wěn)定狀態(tài)的情況下重新并網(wǎng)進而導(dǎo)致了逆功率問題的發(fā)生。

3 問題處理

根據(jù)逆功率根本原因分析結(jié)果，并基于機組試驗過程分析，制定了把甩空載后觸發(fā)back to nominal speed信號延時時間由30s改為45s的處理方案。該方案已在后續(xù)3臺同型號汽輪發(fā)電機組進行了實施和驗證，后續(xù)機組未重發(fā)本文所介紹的發(fā)電機逆功率問題。

4 結(jié)束語

通過分析該核電廠汽輪機發(fā)電機組轉(zhuǎn)速及并網(wǎng)控制邏輯，并對試驗過程進行了全面分析，得出了發(fā)電機逆功率的根本原因分析是由調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)置的用于表決back to nominal speed信號觸發(fā)的30s延時時間過短，機組在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)尚未達到穩(wěn)定狀態(tài)的情況下重新并網(wǎng)所致。文中給出了經(jīng)過驗證的有效處理方案，對使用同型號汽輪機發(fā)電機組的核電廠調(diào)試工作有較大借鑒意義。

【參考文獻】

[1]王友明.逆功率保護的運行問題及其對策[J].電力安全技術(shù)，2006，8（1），30-31.

[2]鄒海林.汽輪發(fā)電機組并列瞬間產(chǎn)生逆功率原因分析[J].中國井礦鹽，2014，45（1），33-34.

[3]汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計手冊[R].東方汽輪機有限公司，2013-08.