三門核電機(jī)組一次調(diào)頻技術(shù)研究

馬仕洪,沈艷強(qiáng),王 宇,居法立

(三門核電有限公司設(shè)備管理處，浙江 臺(tái)州 317112)

0 引言

電網(wǎng)頻率是保障電能質(zhì)量的重要指標(biāo)，頻率過低或過高都會(huì)影響電網(wǎng)的可靠運(yùn)行[1]。造成電網(wǎng)頻率波動(dòng)的原因是發(fā)電功率和負(fù)荷功率不匹配。一次調(diào)頻可快速調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)功率的響應(yīng)隨機(jī)性負(fù)荷擾動(dòng)，對(duì)提高電網(wǎng)頻率控制水平具有重要作用。

近年來，國內(nèi)新能源(風(fēng)電、光伏等)總裝機(jī)規(guī)模不斷增加，受其出力特性的制約，給電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性帶來不利影響。因核電單機(jī)組裝機(jī)容量大，隨著核電機(jī)組總裝機(jī)規(guī)模的逐年提升，電網(wǎng)對(duì)核電機(jī)組參與調(diào)頻的需求日益強(qiáng)烈。南方電網(wǎng)已將具備調(diào)頻功能作為發(fā)電機(jī)組入網(wǎng)的條件。華東監(jiān)管局于2019年起對(duì)不具備調(diào)頻能力的核電機(jī)組給予考核，且考核有日益嚴(yán)格的趨勢(shì)。

因此，核電機(jī)組進(jìn)行一次調(diào)頻技術(shù)研究和應(yīng)用改造，既有提高電網(wǎng)抗擾動(dòng)能力的社會(huì)價(jià)值，又有避免機(jī)組被電網(wǎng)考核的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

本文對(duì)三門核電一期工程機(jī)組實(shí)施一次調(diào)頻改造的技術(shù)方案進(jìn)行探索研究。

1 三門核電機(jī)組汽輪機(jī)控制功能分析

1.1 調(diào)速器控制原理

調(diào)整器(governor，GOV)通過改變汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開度以控制汽輪機(jī)的蒸汽流量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。三門核電機(jī)組的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)原理如圖1所示。

汽輪機(jī)通過轉(zhuǎn)速負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制：測(cè)量轉(zhuǎn)速并將其放大后反饋到輸入端，與轉(zhuǎn)速給定值進(jìn)行比較，得到轉(zhuǎn)速偏差量并據(jù)此調(diào)節(jié)汽閥開度，從而改變蒸汽流量，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。由于負(fù)反饋的存在，若實(shí)際輸出值不等于給定值，調(diào)節(jié)系統(tǒng)將起作用，直到實(shí)際輸出值與給定值基本相等。

1.2 汽輪機(jī)控制模式

三門核電機(jī)組汽輪機(jī)的功率控制模式分為GOV控制和負(fù)荷限制(load limiter,LL)控制兩種[2]。兩種模式的輸出指令經(jīng)低選模塊后獲得調(diào)速器位置指令(governoer position demand,GVPD)，再通過閥門特性曲線轉(zhuǎn)換為調(diào)閥開度指令[3]。三門核電機(jī)組汽輪機(jī)功率控制邏輯如圖2所示。

圖2 三門核電機(jī)組汽輪機(jī)功率控制邏輯框圖

1.2.1 GOV控制模式

GOV控制模式主要用于并網(wǎng)初期和孤島工況，以控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。GOV控制模式下，最重要的參數(shù)即轉(zhuǎn)速不等率δ。

(1)

式中：δ為轉(zhuǎn)速不等率；nmax為汽輪機(jī)空載時(shí)的轉(zhuǎn)速；nmin為額定功率時(shí)的轉(zhuǎn)速；n0為額定轉(zhuǎn)速[4]。

圖3 GOV模式下轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)曲線

在GOV控制模式下，只要存在轉(zhuǎn)速偏差，控制系統(tǒng)就會(huì)輸出對(duì)應(yīng)的GOV負(fù)荷指令，從而調(diào)整調(diào)閥開度來響應(yīng)該轉(zhuǎn)速偏差。

|1.2.2 LL控制模式

LL控制模式主要用于機(jī)組升功率階段及功率運(yùn)行階段。其功能是控制汽輪機(jī)負(fù)荷穩(wěn)定。當(dāng)汽輪機(jī)控制置于LL控制模式時(shí)，可使用自動(dòng)負(fù)荷調(diào)節(jié)(auto load regulation, ALR)功能，根據(jù)負(fù)荷設(shè)定值與實(shí)際負(fù)荷的偏差自動(dòng)計(jì)算ALR增/減指令，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制負(fù)荷的目的。LL控制模式不響應(yīng)電網(wǎng)頻率的變化。

1.3 當(dāng)前存在問題

當(dāng)前，電網(wǎng)要求核電機(jī)組需具備調(diào)頻能力，否則將對(duì)機(jī)組進(jìn)行嚴(yán)格的考核。通過對(duì)三門核電機(jī)組汽輪機(jī)功率控制模式的分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前控制邏輯存在以下兩個(gè)主要問題。

①LL控制模式只能用于負(fù)荷控制，不具備響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化的調(diào)頻功能。而機(jī)組在功率運(yùn)行期間均運(yùn)行在LL控制模式下，因此不滿足電網(wǎng)要求。

②GOV控制模式下雖可響應(yīng)電網(wǎng)的頻率變化，但轉(zhuǎn)速偏差信號(hào)在轉(zhuǎn)化為負(fù)荷指令的算法邏輯中未考慮死區(qū)、限幅等設(shè)置。這將導(dǎo)致電網(wǎng)的頻率波動(dòng)完全反應(yīng)至機(jī)組的負(fù)荷指令中，甚至引起機(jī)組功率的大幅瞬態(tài)波動(dòng)。尤其在并網(wǎng)階段，當(dāng)電網(wǎng)頻率高于額定頻率時(shí)，調(diào)節(jié)器控制汽機(jī)調(diào)閥閥位減小，使得汽機(jī)調(diào)閥有全關(guān)的可能性，汽輪機(jī)變?yōu)殡妱?dòng)狀態(tài)。在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，汽輪機(jī)內(nèi)部沒有蒸汽流。由于風(fēng)阻損失使得汽輪機(jī)排汽缸內(nèi)的蒸汽溫度升高，可能導(dǎo)致汽輪機(jī)出現(xiàn)軸系振動(dòng)、排汽缸變形等問題[5]。

2 一次調(diào)頻技術(shù)方案

一次調(diào)頻是指當(dāng)電網(wǎng)頻率偏離目標(biāo)頻率時(shí)，發(fā)電的調(diào)速系統(tǒng)自動(dòng)控制機(jī)組有功出力的增減、限制電網(wǎng)頻率變化，使電網(wǎng)頻率維持穩(wěn)定的自動(dòng)控制過程。一次調(diào)頻主要用于應(yīng)對(duì)電網(wǎng)隨機(jī)性快速負(fù)荷變化引起的波動(dòng)。

2.1 參數(shù)設(shè)置

一次調(diào)頻指標(biāo)主要包括轉(zhuǎn)速不等率、調(diào)頻死區(qū)、調(diào)頻幅值和投用范圍。轉(zhuǎn)速不等率定義已在前文介紹，其決定了調(diào)速系數(shù)。調(diào)頻死區(qū)為允許機(jī)組不響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化的頻率范圍。調(diào)頻幅值為機(jī)組為響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化輸出的負(fù)荷指令分量上限。投用范圍則是指投入一次調(diào)頻功能的功率運(yùn)行區(qū)間。一次調(diào)頻指標(biāo)直接決定了調(diào)頻過程中的機(jī)組瞬態(tài)情況。

2.1.1 電網(wǎng)要求

國家能源局華東監(jiān)管局于2019年修訂、升版了《華東區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》和《華東區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》(以下簡(jiǎn)稱“兩個(gè)細(xì)則”)，并于2019年9月正式實(shí)施。新版“兩個(gè)細(xì)則”附帶了《一次調(diào)頻技術(shù)要求及參數(shù)計(jì)算公式》，對(duì)核電機(jī)組的一次調(diào)頻參數(shù)正式進(jìn)行了明確規(guī)定。具體為：核電機(jī)組頻率控制死區(qū)Δf為(50±0.067)Hz；調(diào)差系數(shù)(轉(zhuǎn)速不等率)δ不大于6%；最大負(fù)荷限幅為額定有功出力的±3%；機(jī)組一次調(diào)頻投用范圍為機(jī)組核定的有功出力范圍，即最高和最低技術(shù)出力范圍內(nèi)。

2.1.2 三門核電機(jī)組參數(shù)設(shè)置

如前文所述，三門核電機(jī)組的轉(zhuǎn)速不等率為4.5%。而電網(wǎng)新版“兩個(gè)細(xì)則”中已明確核電機(jī)組的頻率控制死區(qū)Δf為0.067 Hz，最大負(fù)荷限幅為±3%。一次調(diào)頻的投用范圍主要取決于機(jī)組可運(yùn)行功率范圍，需提前與電網(wǎng)溝通并獲得其認(rèn)可。三門核電機(jī)組前期已從堆芯限制、工藝系統(tǒng)設(shè)備影響等方面對(duì)AP1000機(jī)組的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力進(jìn)行分析。分析可知：機(jī)組正常應(yīng)運(yùn)行在大于85%額定功率平臺(tái)；若低于85%額定功率運(yùn)行，則一個(gè)燃料循環(huán)中累計(jì)運(yùn)行時(shí)間應(yīng)不超過2周。因此，一次調(diào)頻的投用范圍建議設(shè)置為80%～100%額定功率區(qū)間。綜上所述，三門核電機(jī)組適用的一次調(diào)頻指標(biāo)參數(shù)建議設(shè)置如下：轉(zhuǎn)速不等率為4.5%；調(diào)頻幅度為 ±3%；調(diào)頻死區(qū)為±0.067 Hz；投用區(qū)間為80%～100%額定功率范圍。

2.2 函數(shù)設(shè)計(jì)

由于火電、水電、風(fēng)電、光伏等類型的機(jī)組調(diào)頻死區(qū)為±0.033 Hz或±0.0 5 Hz，因此其會(huì)先于核電機(jī)組響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化。而電網(wǎng)對(duì)調(diào)頻死區(qū)超出±0.05 Hz的機(jī)組，是按照超出死區(qū)就開始計(jì)時(shí)考核機(jī)組出力的。調(diào)研其他核電機(jī)組經(jīng)驗(yàn)表明，由于控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)響應(yīng)存在滯后等因素，核電機(jī)組在一次調(diào)頻期間出力往往達(dá)不到電網(wǎng)考核要求。因此，對(duì)一次調(diào)頻函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在超出死區(qū)后輸出±0.3%的階躍負(fù)荷指令，此后維持原調(diào)速系數(shù)，直至到達(dá)±3%調(diào)頻幅值。優(yōu)化后的一次調(diào)頻函數(shù)曲線如圖4。

圖4 優(yōu)化后一次調(diào)頻函數(shù)曲線

該優(yōu)化可有效補(bǔ)償控制系統(tǒng)存在的調(diào)節(jié)滯后，提高控制系統(tǒng)響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化的能力。

2.3 邏輯改造

完成一次調(diào)頻函數(shù)設(shè)計(jì)后，需將其疊加進(jìn)當(dāng)前汽輪機(jī)控制邏輯中，確保一次調(diào)頻功能在汽輪機(jī)各種控制模式下生效。

GOV控制模式下，由于僅有汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速(電網(wǎng)頻率)一個(gè)控制對(duì)象，因此直接使用一次調(diào)頻函數(shù)替代原調(diào)速函數(shù)，產(chǎn)生的一次調(diào)頻負(fù)荷指令分量疊加至GOV設(shè)定即可。而在并網(wǎng)前，仍需要使用原調(diào)速函數(shù)控制和維持汽機(jī)轉(zhuǎn)速，因此需使用并網(wǎng)信號(hào)切換調(diào)速函數(shù)和一次調(diào)頻函數(shù)。

LL控制模式的控制對(duì)象是汽輪機(jī)負(fù)荷，因此有兩種方式將一次調(diào)頻邏輯疊加至原控制邏輯中。

①一次調(diào)頻分量經(jīng)系數(shù)P轉(zhuǎn)換后直接疊加到負(fù)荷指令中，再根據(jù)疊加的負(fù)荷指令和實(shí)際負(fù)荷的偏差通過比例積分(proportional integral,PI)控制器計(jì)算出新的LL負(fù)荷指令。該邏輯設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是調(diào)節(jié)響應(yīng)較慢，在實(shí)際應(yīng)用中容易出現(xiàn)因調(diào)節(jié)量滯后而達(dá)不到電網(wǎng)考核要求的情況。

②一次調(diào)頻分量除疊加到負(fù)荷指令中以外，還作為前饋輸入直接疊加到LL負(fù)荷指令中。這種邏輯設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，但是調(diào)節(jié)響應(yīng)較快。因此，本文建議采用這種邏輯疊加方式。

一次調(diào)頻函數(shù)疊加進(jìn)原汽輪機(jī)GOV控制模式和LL控制模式后，所形成的一次調(diào)頻邏輯疊加方案如圖5所示。

圖5 一次調(diào)頻邏輯疊加方案

2.4 功能優(yōu)化

2.4.1 一次調(diào)頻功能試驗(yàn)及考核要求分析

一次調(diào)頻功能投用后，需通過電網(wǎng)組織的功能試驗(yàn)驗(yàn)收。其主要關(guān)注電廠控制系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)頻率變化的響應(yīng)速度以及電廠實(shí)際動(dòng)作積分電量與理論計(jì)算積分電量之間的比值。

①理論計(jì)算積分電量。

在電網(wǎng)頻率變化超過一次調(diào)頻死區(qū)時(shí)，機(jī)組理論響應(yīng)出力變化為：

(2)

式中：ΔP為機(jī)組理論響應(yīng)出力變化；Δf(t)為t時(shí)刻電網(wǎng)頻率超出50±Δf的數(shù)值，高頻為正值、低頻為負(fù)值；δ%為機(jī)組轉(zhuǎn)速不等率；M為機(jī)組額定有功出力。

機(jī)組一次調(diào)頻理論計(jì)算的積分電量為：

(3)

式中：ΔQj為一次調(diào)頻理論計(jì)算的積分電量；t調(diào)節(jié)為電網(wǎng)頻率超出50±Δf的時(shí)間，最大值為60 s。

由于機(jī)組額定有功出力和轉(zhuǎn)速不等率均為固定值，因此機(jī)組理論響應(yīng)出力與電網(wǎng)頻率偏差量成正比。機(jī)組一次調(diào)頻理論計(jì)算的積分電量則是其時(shí)間積分。

②實(shí)際動(dòng)作積分電量。

發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)頻率超出 50±Δf時(shí)段內(nèi)的實(shí)際發(fā)電出力與起始發(fā)電出力之差的積分電量，為一次調(diào)頻實(shí)際動(dòng)作積分電量。

(4)

式中：ΔQs為一次調(diào)頻實(shí)際動(dòng)作積分電量；t0為電網(wǎng)頻率等于50±Δf的時(shí)刻；t調(diào)節(jié)為電網(wǎng)頻率超出50±Δf的時(shí)間，最大值為60 s；Pt為發(fā)電機(jī)組在t0時(shí)刻前10 s內(nèi)實(shí)際出力平均值；Pt為發(fā)電機(jī)組在t0時(shí)刻后t調(diào)節(jié)時(shí)間內(nèi)機(jī)組實(shí)際出力。

③一次調(diào)頻效果性能指標(biāo)。

一次調(diào)頻效果性能指標(biāo)D是指，實(shí)際動(dòng)作積分電量(±ΔQs)與相應(yīng)時(shí)間內(nèi)理論計(jì)算積分電量(±ΔQj)的比值。

(5)

由式(5)可知：如實(shí)際動(dòng)作積分電量與理論計(jì)算的積分電量同為正數(shù)或同為負(fù)數(shù)，即機(jī)組功率實(shí)際動(dòng)作方向與電網(wǎng)要求方向一致，則D>0；當(dāng)D≤0時(shí)，均按照D=0考核。

④考核要求。

機(jī)組在電網(wǎng)高頻或低頻期間的一次調(diào)頻響應(yīng)行為未達(dá)到要求的，每月考核費(fèi)用為兩種情況考核費(fèi)用之和。

當(dāng)Di>0且|60%ΔQji|-|ΔQsi|>0時(shí):

(6)

當(dāng)Di=0時(shí):

(7)

式中：F1為一次調(diào)頻效果性能指標(biāo)大于零時(shí)考核費(fèi)用；F2為一次調(diào)頻效果性能指標(biāo)等于零時(shí)考核費(fèi)用；K死區(qū)調(diào)節(jié)為頻率控制死區(qū)調(diào)節(jié)系數(shù)，0.067 Hz死區(qū)對(duì)應(yīng)的系數(shù)為18；n為滿足考核條件的一次調(diào)頻動(dòng)作次數(shù)；Di為第i次一次調(diào)頻效果性能指標(biāo)；ΔQji為第i次一次調(diào)頻理論計(jì)算積分電量；ΔQsi為第i次一次調(diào)頻實(shí)際動(dòng)作積分電量；α一次調(diào)頻為一次調(diào)頻考核系數(shù)，值為1.5；C機(jī)組為機(jī)組批復(fù)上網(wǎng)電價(jià)[6]。

由于K死區(qū)調(diào)節(jié)、α一次調(diào)頻、C機(jī)組均為固定值，則分析考核公式可知，如每次實(shí)際動(dòng)作積分電量能超過理論計(jì)算積分電量的60%，可以滿足電網(wǎng)要求，避免被考核。

2.4.2 汽機(jī)調(diào)閥特性曲線優(yōu)化

無論是GOV控制模式還是LL控制模式，負(fù)荷指令GVPD最終都需通過閥門流量特性曲線轉(zhuǎn)換為汽輪機(jī)調(diào)閥的開度指令。邏輯中增加閥門流量特性曲線的目的是保證GVPD與汽輪機(jī)功率之間的整體線性度。若邏輯中的閥門流量特性曲線與閥門的實(shí)際流量特性存在差異,就會(huì)使GVPD與汽機(jī)功率之間的整體線性度不足，導(dǎo)致汽輪機(jī)一次調(diào)頻功能在部分負(fù)荷區(qū)間存在出力不足的問題[7]，造成功能試驗(yàn)不通過或被電網(wǎng)考核。

分析三門核電1#、2#機(jī)組歷次升功率期間GVPD-汽機(jī)功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系可知：在65%～90%功率區(qū)間，兩臺(tái)機(jī)組GVPD-汽機(jī)功率曲線的線性度均較差；在GVPD 處于75%～85%區(qū)間時(shí)，功率上升較平緩。其中，1#機(jī)組GVPD-汽機(jī)功率曲線如圖6所示。

圖6 GVPD-汽機(jī)功率曲線

因此，在80%功率平臺(tái)執(zhí)行功能試驗(yàn)時(shí)，同等幅值的GVPD指令將無法提升/降低同等幅值的功率，很可能導(dǎo)致一次調(diào)頻功能試驗(yàn)無法通過。

當(dāng)前的汽機(jī)調(diào)閥特性曲線如圖7所示。

圖7 汽機(jī)調(diào)閥特性曲線

為保證GVPD-汽機(jī)功率曲線的整體線性度，需要對(duì)汽機(jī)控制邏輯中的汽機(jī)調(diào)閥特性曲線進(jìn)行優(yōu)化。汽機(jī)調(diào)閥特性曲線為斜率逐漸增大的分段函數(shù)。

由圖7可知，在線性度較差的65%～90%GVPD指令范圍附近，共有60%、70%、86%、95%四個(gè)點(diǎn)。在60%GVPD以下線性度較好，因此該點(diǎn)無需修正；而70%～86%間隔較長且為斜率較平緩的主要區(qū)域，因此考慮增加75%的中間點(diǎn)。最終，需修正70%、86%、95%三個(gè)GVPD點(diǎn)對(duì)應(yīng)的閥門開度值，并增加75%GVPD點(diǎn)對(duì)應(yīng)的閥門開度點(diǎn)。

修正方法如下。

①考慮GVPD需盡量與功率輸出一一對(duì)應(yīng)，因此修正后的功率需與GVPD指令相等，即70%、75%、86%、95%對(duì)應(yīng)同等功率值。

②根據(jù)該功率值，在原GVPD-汽機(jī)功率曲線中找出對(duì)應(yīng)的原GVPD值。

③根據(jù)該原GVPD值，在原閥門特性曲線的對(duì)應(yīng)分段中通過插值法計(jì)算出新的閥門開度值。

按此方式，對(duì)1#、2#機(jī)組的汽機(jī)調(diào)閥特性曲線重新進(jìn)行了計(jì)算。優(yōu)化后汽機(jī)調(diào)閥特性曲線參數(shù)如表1所示。

表1 優(yōu)化后汽機(jī)調(diào)閥特性曲線參數(shù)

2.4.3 一次調(diào)頻分量輸出值優(yōu)化

根據(jù)對(duì)其他核電機(jī)組的調(diào)研，在一次調(diào)頻功能改造成功實(shí)施后，核電機(jī)組在運(yùn)行過程中依然可能存在因一次調(diào)頻動(dòng)作不達(dá)標(biāo)而被電網(wǎng)考核的情況。此時(shí)，可進(jìn)一步考慮在汽輪機(jī)控制邏輯中為一次調(diào)頻負(fù)荷指令增加最大值鎖定模塊，以持續(xù)鎖定一次調(diào)頻負(fù)荷指令的最大值，進(jìn)一步提升一次調(diào)頻的動(dòng)作性能。

3 影響范圍分析及仿真驗(yàn)證

3.1 影響范圍分析

對(duì)于AP1000機(jī)組，一次調(diào)頻引起的瞬態(tài)并非初始設(shè)計(jì)中已考慮的瞬態(tài)。因此，其對(duì)電站的影響評(píng)估還需根據(jù)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行詳細(xì)理論計(jì)算評(píng)估，包括一次調(diào)頻瞬態(tài)分析、閉鎖條件分析、對(duì)系統(tǒng)設(shè)備老化和壽命的影響分析等。

3.1.1 核島系統(tǒng)設(shè)備的影響評(píng)估

①一次調(diào)頻瞬態(tài)的分析。

在一次調(diào)頻指標(biāo)確定的前提下，需設(shè)定一次調(diào)頻最大動(dòng)作次數(shù)。這樣， 設(shè)計(jì)方才可基于AP1000電廠模型(含控制系統(tǒng)模型、一回路熱工水力模型、堆芯物理模型等必要的系統(tǒng))，模擬一次調(diào)頻帶來的負(fù)荷變化，分析全壽期內(nèi)對(duì)控制棒運(yùn)行區(qū)間、控制棒動(dòng)作步數(shù)限值、調(diào)硼補(bǔ)償燃耗的影響。

②核島一次調(diào)頻閉鎖條件分析。

在核島，尤其是堆芯的影響評(píng)估基礎(chǔ)上限定一次調(diào)頻的閉鎖條件，如當(dāng)堆芯熱功率接近滿功率時(shí)需閉鎖一次調(diào)頻信號(hào)以避免反應(yīng)堆進(jìn)入不安全狀態(tài)。此外，還應(yīng)考慮調(diào)節(jié)棒組切手動(dòng)模式、在線功率分布監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不可用、機(jī)組壽期末應(yīng)退出一次調(diào)頻功能等[7]。

③熱工分析。

采用適用的一回路專用程序建立系統(tǒng)模型，分析一次調(diào)頻條件下反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)溫度和壓力流體變化特性，作為疲勞分析的輸入。

④疲勞與力學(xué)分析。

以調(diào)頻后引起的各瞬態(tài)變化曲線(包括壓力、溫度、流量等參數(shù)變化曲線)作為輸入，分析新的瞬態(tài)引起的接管載荷的變化，并對(duì)熱傳輸系統(tǒng)中核級(jí)設(shè)備和管道的應(yīng)力、疲勞和斷裂進(jìn)行分析和評(píng)定。

3.1.2 常規(guī)島系統(tǒng)設(shè)備的分析

①疲勞和應(yīng)力分析。

疲勞和應(yīng)力分析是分析全壽期內(nèi)一次調(diào)頻動(dòng)作引起的熱應(yīng)力變化對(duì)常規(guī)島主要設(shè)備的影響，如汽輪機(jī)、汽水分離再熱器、高壓加熱器等。

②主要設(shè)備的磨損分析。

一次調(diào)頻動(dòng)作會(huì)引發(fā)主調(diào)門和汽水分離再熱器掃汽閥門的動(dòng)作，需對(duì)相關(guān)設(shè)備的磨損加速情況進(jìn)行分析。

3.2 仿真驗(yàn)證

本文在AP1000機(jī)組模擬平臺(tái)上實(shí)施了一次調(diào)頻技術(shù)改造方案，并在各功率平臺(tái)對(duì)一次調(diào)頻動(dòng)作后的功率響應(yīng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，尤其對(duì)比了閥門特性曲線優(yōu)化前后在80%功率平臺(tái)功率響應(yīng)的差異。同時(shí)，本文通過仿真驗(yàn)證了一次調(diào)頻動(dòng)作對(duì)一回路主要參數(shù)的影響。

3.2.1 一次調(diào)頻功率響應(yīng)仿真

本文分別在100%、90%、80%功率平臺(tái)模擬了一次調(diào)頻動(dòng)作后汽機(jī)功率的響應(yīng)情況。由于滿功率限制，100%功率平臺(tái)僅執(zhí)行網(wǎng)頻升高功率降低的驗(yàn)證；另外兩個(gè)功率平臺(tái)則對(duì)網(wǎng)頻升高、降低均進(jìn)行仿真驗(yàn)證。同時(shí)，在100%功率平臺(tái)還執(zhí)行了一次調(diào)頻死區(qū)和功率限幅的驗(yàn)證。

在100%功率平臺(tái)，模擬汽機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速升高2 rad/min(對(duì)應(yīng)一次調(diào)頻死區(qū)+0.067 Hz網(wǎng)頻變化)，GVPD無響應(yīng)，發(fā)電機(jī)功率也無響應(yīng)；汽機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速升高4 rad/min，GVPD輸出達(dá)到-3%幅值上限，發(fā)電機(jī)功率降低1.8%；繼續(xù)提升汽機(jī)轉(zhuǎn)速偏差至6 rad/min，GVPD和發(fā)電機(jī)功率不再響應(yīng)。100%功率平臺(tái)網(wǎng)頻升高功率響應(yīng)如圖8所示。由圖8可知，一次調(diào)頻死區(qū)和限幅功能有效，且調(diào)頻響應(yīng)迅速。

圖8 100%功率平臺(tái)網(wǎng)頻升高功率響應(yīng)

在90%功率平臺(tái)：模擬汽機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速升高4 rad/min，GVPD輸出達(dá)到-3%幅值上限，發(fā)電機(jī)功率降低2%；模擬汽機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速降低4 rad/min，GVPD輸出達(dá)到+3%幅值上限，發(fā)電機(jī)功率升高2.4%。

在80%功率平臺(tái)：模擬汽機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速升高4 rad/min，GVPD輸出達(dá)到-3%幅值上限，發(fā)電機(jī)功率降低1.2%；模擬汽機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速降低4 rad/min，GVPD輸出達(dá)到+3%幅值上限，發(fā)電機(jī)功率升高2%。

三個(gè)功率平臺(tái)均可實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻的響應(yīng)，但針對(duì)同樣幅度的汽機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速和GVPD變化量，80%功率平臺(tái)的功率響應(yīng)幅度明顯小于另外兩個(gè)平臺(tái)。結(jié)合2.4.2節(jié)的分析，可以證明GVPD-汽機(jī)功率曲線的整體線性度確實(shí)對(duì)一次調(diào)頻功率的響應(yīng)有重要影響。

3.2.2 閥門特性曲線優(yōu)化后功率響應(yīng)對(duì)比

模擬仿真平臺(tái)與機(jī)組實(shí)際存在差異，同功率水平下使用的汽機(jī)調(diào)閥特性曲線分段與機(jī)組并不一致。參考2.4.2節(jié)方法對(duì)模擬仿真平臺(tái)的汽機(jī)調(diào)閥特性曲線進(jìn)行了優(yōu)化，并在優(yōu)化后再次執(zhí)行80%功率平臺(tái)網(wǎng)頻升高和降低的功率響應(yīng)驗(yàn)證。

汽機(jī)調(diào)閥特性曲線優(yōu)化后，在80%功率平臺(tái)：同樣模擬汽機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速升高4 rad/min，發(fā)電機(jī)功率降低2.3%；模擬汽機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速降低4 rad/min，發(fā)電機(jī)功率升高2.8%。相較于優(yōu)化前，功率響應(yīng)提升了1%左右，提升幅度明顯，可以確保滿足一次調(diào)頻功能試驗(yàn)要求。

3.2.3 一回路主要參數(shù)影響仿真

在驗(yàn)證一次調(diào)頻動(dòng)作后的功率響應(yīng)時(shí)，也應(yīng)同步驗(yàn)證其對(duì)一回路主要參數(shù)的影響，以確認(rèn)一回路控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)[8]。以100%功率平臺(tái)為例，一次調(diào)頻動(dòng)作引起發(fā)電機(jī)功率降低1.8%的瞬態(tài)。此過程中：一回路平均溫度Tavg升高0.6 ℃，隨后緩慢下降；穩(wěn)壓器壓力升高0.13 MPa，隨后緩慢下降；穩(wěn)壓器液位升高0.5%；兩臺(tái)蒸發(fā)器液位下降0.9%，隨后緩慢上升恢復(fù)。總的來說，一次調(diào)頻引起的瞬態(tài)對(duì)一回路主要參數(shù)影響較小，處于可接受范圍。

4 結(jié)論

本文提出了三門核電機(jī)組一次調(diào)頻參數(shù)設(shè)置、函數(shù)設(shè)計(jì)和邏輯改造方案，并對(duì)汽機(jī)調(diào)閥特性曲線進(jìn)行了優(yōu)化以提升功率響應(yīng)。在仿真平臺(tái)上，對(duì)汽機(jī)功率響應(yīng)和一回路主要參數(shù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明：本文提出的三門核電機(jī)組一次調(diào)頻改造方案，可有效實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能；對(duì)閥門特性曲線優(yōu)化后，可確保滿足一次調(diào)頻功能試驗(yàn)和電網(wǎng)考核要求；功率的階躍響應(yīng)對(duì)機(jī)組(尤其是一回路主要參數(shù))影響可控。本文研究成果對(duì)核電機(jī)組后續(xù)實(shí)施一次調(diào)頻改造有一定參考和指導(dǎo)意義。