某核電廠一次調頻仿真試驗時跳機問題分析與處理

陳信仁　趙東陽　姚水永

【摘 要】一次調頻對電網穩定性至關重要，因此電網要求并網機組需具備一次調頻能力。某核電廠汽輪發電機采用負荷閉環控制和壓力控制兩種控制模式共同進行汽輪機發電功率控制，試驗發現當汽輪機處于負荷閉環控制模式下，若一次調頻幅度超過3%時，將引起汽輪機快速甩負荷至零，并跳機。本文對此問題進行分析并提出修改方案。

【關鍵詞】一次調頻;核電廠;跳機;限制

中圖分類號： TM623文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）15-0043-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.15.020

The Analyze And Solution Of Turbine Trip Problem During The Primary Frequency

Simulation Test Of One Nuclear Power Plant

CHEN Xin-ren ZHAO Dong-yang YAO Shui-yong

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

【Abstract】As primary frequency control is essential to the stable of grid，so the power plant which connected to the grid should have the capability of primary frequency control.it is found that during primary frequency control test of one nuclear power plant，if the amplitude of primary frequency is over 3%，the turbine of the nuclear power plant will be tripped.This paper analyze the reason and give the solution.

【Key words】Primary frequency;Nuclear Power plant;Turbine trip;Limitation

0 引言

一次調頻維持電網穩定性至關重要，隨著國內核電機組的增多，電網對核電機組參與一次調頻的需求也日趨緊迫，要求核電機組必須進行一次調頻試驗。某核電廠采用CRP壓水堆技術，汽輪機類型為ALSTOM三缸四排氣、中間再熱沖動凝汽式半轉速汽輪機，額定功率1087MWe，調節系統采用ALSTOM P320 V2系統。在進行一次調頻仿真試驗時，發現當一次調頻幅度大于3%時，會引起汽輪機快速甩負荷至零功率，最終逆功率保護動作跳機。本文對此汽輪機的一次調頻控制邏輯進行分析，并找出問題的原因及提出了修改方案。

1 汽輪機功率控制原理分析

汽輪機的功率控制系統主要用于控制汽輪機的功率，通過邏輯計算得出目標功率所需的蒸汽需求量，從而驅動汽輪機轉動并發電。如圖1所示整個控制邏輯由兩部分組成，負荷控制回路和壓力限制保護回路。正常情況下，由負荷控制回路計算總的蒸汽需求量，壓力限制保護回路用于異常工況下限制汽輪機功率。

1.1 負荷控制回路

負荷控制回路包含開環控制模式和閉環控制模式。當處于閉環控制模式時，設定目標功率值后，測量實際功率值，兩者偏差經過PID運算后得出負荷回路蒸汽需求量。當處于開環控制模式時，設定目標功率值直接轉換為蒸汽需求量。

1.2 壓力限制回路

根據弗留格而公式，汽輪機首級進汽壓力與汽輪機主蒸汽流量成線性關系[1]，因此可以通過控制汽輪機首級進汽壓力進而控制汽輪機功率。因此為保證汽輪機功率控制穩定，ALSTOM額外設計了壓力限制回路，用于當負荷控制回路出現異常時，控制汽輪機功率。其控制原理為：正常情況下，壓力測量值應低于壓力設定值，此時壓力控制回路不運算，負荷控制回路的輸出上限為負荷回路蒸汽需求量加3%。當負荷回路出現運算異常，導致壓力測量值高于壓力設定值時，壓力控制回路經過PID運算計算出壓力回路蒸汽需求量，并作為負荷控制回路的輸出上限，從而限制汽輪機功率上升，起到保護汽輪機作用。

1.3 一次調頻控制原理

當電網的用電負荷和發電負荷需求不平衡時，將會產生電網網頻波動，偏移額定頻率50HZ，因此當網頻出現偏差時，需要調整并網機組的發電功率，以重新達到電網供需平衡。一次調頻的控制原理為將汽輪機控制系統監測到的網頻偏差，按照與電網協定的調頻死區和調頻幅度，轉換成一次調頻幅度，汽輪機控制系統將換算出的一次調頻幅度轉換成蒸汽需求量，進而改變汽輪機功率，從而協助電網消除網頻偏差。當負荷回路處于閉環控制模式時，一次調頻幅度經過PID閉環運算，可精確響應調頻需求。當負荷回路處于開環控制模式時，直接將一次調頻幅度轉換成蒸汽需求量，也可響應調頻需求。

2 一次調頻試驗過程現象分析

根據上述控制原理描述，為進行一次調頻能力驗證，需要手動模擬網頻偏差，檢查調頻死區設置是否正確，檢查網頻偏差與一次調頻幅度的轉換關系是否正確。在試驗過程中，發現當汽輪機處于負荷閉環控制模式下，一次調頻幅度超過3%時，將引起汽輪機快速甩負荷至零，進而引起逆功率保護動作跳機。理論上，一次調頻幅度為3%時，電功率變化率為32.6MWe，對于汽輪機而言，即功率階躍變化32.6MWe。對于ALSTOM此型號汽輪機，根據技術規格書，至少能夠承受10%負荷階躍變化，而不會引起汽輪機異常跳機。

進一步分析發現，當引入超過3%的一次調頻幅度時，壓力限制回路計算出的蒸汽需求量會快速變化至零，因壓力限制回路的蒸汽需求量是負荷控制回路的輸出上限，導致負荷控制回路的輸出也變成零，因此導致最終的總的蒸汽需求量變成零，引起汽輪機功率快速下降至零。其具體過程分析如下，試驗前汽輪機穩定在500MW運行狀態，一次調頻貢獻度為零，負荷回路PID的輸出A為50%，因為壓力限制回路未投入運算，此時壓力限制回路的輸出=負荷回路蒸汽需求量+3%=B+3%=A+3%=53%，當引入4%的一次調頻幅度后，各個控制回路的蒸汽需求量變化如表1。

3 問題分析

當壓力限制回路不投用時，壓力限制回路采用當前的負荷回路蒸汽需求量加上3%作為負荷回路的上限輸出，避免干擾負荷回路的正常運算，但從表1可以看出，當一次調頻幅度超過3%時，將引起壓力限制回路的自減少過程，導致壓力限制回路的蒸汽需求量逐漸降低至零，從而導致跳機。因此發生此問題的原因為壓力限制回路的3%這個參數設置不正確。

4 修改方案

根據與電網的協定，核電廠一次調頻幅度不超過10%，因此將壓力限制回路的參數由3%修改為10%，再進行試驗后，發現一次調頻功能響應正常。但是將參數修改為10%后，將引發新問題為，當參數是3%時，壓力限制的初始輸出為負荷回路蒸汽量加3%，當修改為10%后，若負荷回路出現異常，當壓力限制回路投用后，初始輸出變為負荷回路蒸汽量加10%，將引起壓力限制回路的調節滯后。為解決此問題，最終修改方案如圖2，當壓力限制回路投入時候，將初始輸出值設置為當前負荷回路蒸汽需求量，保證壓力限制功能的快速。

5 結語

一次調頻功能是汽輪機控制邏輯的基本功能，同時由于汽輪機控制邏輯復雜，為保護汽輪機，除正常調節功能外，往往會設計各種限制功能，因此需要全盤考慮諸如調節參數、閾值參數、限制參數等參數的一致性。

【參考文獻】

[1]李勇.汽輪機主蒸汽流量在線監測方法研究[J].熱力發電，2011，40（4）：34.