AP1000主汽輪機(jī)升速控制研究

趙東波

（三門核電有限公司，浙江 臺州317112）

0 引言

三門核電一期工程汽輪機(jī)采用日本三菱重工技術(shù)，關(guān)鍵部件進(jìn)口，哈爾濱汽輪機(jī)廠和三菱聯(lián)合供貨。汽輪機(jī)為工作轉(zhuǎn)速1500r／min、單軸、四缸六排汽的反動凝汽式核電汽輪機(jī)，有2個2級再熱的外置式中間汽水分離再熱器，末級動葉片長1375mm［1］。

汽輪機(jī)升速由主汽閥的先導(dǎo)閥控制。先導(dǎo)閥專為汽輪機(jī)從靜止加速到額定轉(zhuǎn)速而設(shè)計，具有精確調(diào)節(jié)功能。汽輪機(jī)從盤車至額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，經(jīng)歷汽輪機(jī)復(fù)位、EH油自動、升速、關(guān)閉所有閥門、摩擦檢查、低速暖機(jī)、中速暖機(jī)和額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行等過程。

1 汽輪機(jī)復(fù)位

汽輪機(jī)復(fù)位分為機(jī)械復(fù)位和電氣復(fù)位。

1.1 機(jī)械復(fù)位

機(jī)械復(fù)位指的是手動操作復(fù)位桿，機(jī)械復(fù)位桿在汽輪機(jī)前箱，用于機(jī)械超速保護(hù)動作后汽輪機(jī)復(fù)位。桿手動向右掰，桿帶動舌片使機(jī)械超速滑閥關(guān)閉，建立高壓油，然后關(guān)閉緊急跳機(jī)活塞閥，如4個跳機(jī)電磁閥已關(guān)閉，則EH油系統(tǒng)建立緊急跳機(jī)油壓，從而實現(xiàn)低壓缸再熱主汽閥自動開啟，復(fù)位桿松手后，桿自動回到原位，如圖1所示。

圖1 復(fù)位示意圖

1.2 電氣復(fù)位

電氣復(fù)位在主控室實現(xiàn)。按下汽輪機(jī)復(fù)位后，復(fù)位電磁閥帶電，帶動舌片使機(jī)械超速滑閥關(guān)閉，建立高壓油，然后關(guān)閉緊急跳機(jī)活塞閥。4個跳機(jī)電磁閥帶電關(guān)閉（若無其他跳機(jī)信號），則EH油系統(tǒng)建立緊急跳機(jī)油壓，實現(xiàn)低壓缸再熱主汽閥自動開啟。此時主汽閥、主調(diào)閥和再熱主調(diào)閥由于沒有控制信號而處于全關(guān)狀態(tài)。

2 EH自動

三門核電站汽輪機(jī)主蒸汽進(jìn)汽閥門共20個，分別是4個主汽閥（MSV）、4個主調(diào)閥（GV）、6個再熱主汽閥（RSV）、6個再熱主調(diào)閥（ICV）。在進(jìn)汽閥門油動機(jī)類型的選擇上，只有RSV采用了開關(guān)控制類型的油動機(jī)，不設(shè)置電液伺服閥。MSV、GV和ICV閥門油動機(jī)都采用比例控制類型，并且每個閥門都裝設(shè)2個LVDT變送器。

在主控按下【EH Auto】，其有以下功能：（1）產(chǎn)生GV偏置開信號（使GV和ICV全開）；（2）允許保持沖轉(zhuǎn)程序（EH Auto是沖轉(zhuǎn)的必要條件）；（3）從控制系統(tǒng)接受汽輪機(jī)參考轉(zhuǎn)速（如發(fā)電機(jī)沒有帶負(fù)荷并且EH變?yōu)榉亲詣?，則將當(dāng)時的實測轉(zhuǎn)速作為參考轉(zhuǎn)速，參考轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速之差作為調(diào)節(jié)汽門開度的信號之一）；（4）允許進(jìn)行 MSV／GV閥門開啟／關(guān)閉試驗，否則會將試驗復(fù)位；（5）使輸入到MSV的主汽閥閥門開度信號有效，允許MSV進(jìn)行沖轉(zhuǎn)及偏置全開，否則強(qiáng)制全關(guān)；（6）轉(zhuǎn)速控制監(jiān)測回路有效；（7）MSV／GV／ICV伺服回路監(jiān)測有效，在沒有超速保護(hù)動作時，判斷伺服回路動作是否正常（閥位指令與真實閥位差控制在20%以內(nèi)，否則將報警）。

3 目標(biāo)轉(zhuǎn)速和升速率

目標(biāo)轉(zhuǎn)速有200r／min、400r／min、1060r／min、1500r／min4個（表1），避免在臨界轉(zhuǎn)速區(qū)停留。目標(biāo)轉(zhuǎn)速需手動選擇，一次只能選擇一個目標(biāo)轉(zhuǎn)速，不能同時選擇多個，有邏輯閉鎖。系統(tǒng)以最近選擇的目標(biāo)轉(zhuǎn)速為準(zhǔn)，即假如先選擇400r／min，再重新選擇200r／min，則輸入到系統(tǒng)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速為200r／min，原目標(biāo)轉(zhuǎn)速400r／min被復(fù)位。目標(biāo)轉(zhuǎn)速200r／min用于摩擦檢查，400r／min和1060r／min分別用于低速暖機(jī)和中速暖機(jī)，從而預(yù)防轉(zhuǎn)子中心溫度與表面溫度之間的溫差造成熱應(yīng)力。

表1 目標(biāo)轉(zhuǎn)速

在以下任一條件出現(xiàn)時目標(biāo)轉(zhuǎn)速回路將復(fù)位為0r／min：（1）“全關(guān)閥門”命令；（2）閥門轉(zhuǎn)換結(jié)束。

升速率有50r／min（慢）、75r／min（中）、150r／min（快）3種。一次只能選擇一個升速率，不能同時多選，有閉鎖。50r／min和75r／min需手動選擇。正常沖轉(zhuǎn)時選擇150r／min。

在出現(xiàn)以下任一條件時升速率將自動選擇150r／min：（1）沒有選擇升速率，而直接先選擇了目標(biāo)轉(zhuǎn)速；（2）發(fā)電機(jī)失去負(fù)荷（0.05s的“MGB open”脈沖信號）；（3）自動同期裝置退出（0.05s脈沖信號）。

在出現(xiàn)以下任一條件時升速率將自動選擇0r／min的命令：（1）發(fā)電機(jī)帶負(fù)荷（MGB close）；（2）“全關(guān)閥門”命令；（3）自動同期系統(tǒng)投入。自動同期裝置投入后，將由同期裝置以150r／min的速率進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)整。

升速率50r／min和75r／min主要用于以下情況：（1）對汽輪機(jī)振動進(jìn)行調(diào)整前，以較低升速率加速汽輪機(jī)從而監(jiān)測汽輪機(jī)參數(shù)；（2）進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量受汽輪機(jī)啟動工況限制；（3）必須減小汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力和轉(zhuǎn)子脹差，如汽輪機(jī)冷態(tài)啟動工況等；（4）超速跳機(jī)試驗時精確測量汽輪機(jī)超速跳機(jī)定值。

4 升速控制

在選擇了目標(biāo)轉(zhuǎn)速和升速率后，在主控按下沖轉(zhuǎn)【GO】命令，系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速和升速率開始計算參考轉(zhuǎn)速Nref（Nref初始值＝0，在汽輪機(jī)停機(jī)時產(chǎn)生）。

參考轉(zhuǎn)速分為2種情況：（1）發(fā)電機(jī)已帶負(fù)荷，轉(zhuǎn)速設(shè)定值Nref＝1500r／min；（2）發(fā)電機(jī)未并網(wǎng)，t1時刻轉(zhuǎn)速設(shè)定值Nref＝Nref－t0＋程序增量＋手動增量＋同期裝置增量。

程序增量：在主控設(shè)定完目標(biāo)轉(zhuǎn)速和升速率后，按下【GO】，程序增量根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速和升速率自動增加，直到參考轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速相等為止。

手動增量：手動按增／減按鈕，提高／降低轉(zhuǎn)速。

同期裝置增量：同期裝置投運(yùn)后對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速以150r／min的速率進(jìn)行調(diào)整。

參考轉(zhuǎn)速＜目標(biāo)轉(zhuǎn)速時，t1時刻的參考轉(zhuǎn)速 Nref－t1＝Nref－t0＋程序增量（按取樣周期計算，每個取樣周期0.05s）。當(dāng)實際轉(zhuǎn)速達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速（即∣目標(biāo)轉(zhuǎn)速－參考轉(zhuǎn)速∣≤升速率），MSV閥位指令＝F（Nref）＋P×（Nref－N實際轉(zhuǎn)速）。MSV閥開度偏置F（Nref）由三菱重工根據(jù)經(jīng)驗得出，如圖2所示，目的是為轉(zhuǎn)速控制提供前饋補(bǔ)償。P×（Nref－N實際轉(zhuǎn)速）為轉(zhuǎn)差增益，由三菱重工根據(jù)經(jīng)驗得出，P 值為1.6667%／（r／min）。

此種控制方式可以避免由于積分效應(yīng)引起的振蕩，加入前饋補(bǔ)償控制又盡可能消除了偏差，使沖轉(zhuǎn)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速更快更穩(wěn)定［2］。

圖2 MSV閥開度偏置與參考轉(zhuǎn)速的關(guān)系

5 結(jié)論

本文介紹了AP1000核電汽輪機(jī)組升速控制，對升速控制中的重要參數(shù)——目標(biāo)轉(zhuǎn)速及升速率進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并得出以下結(jié)論：（1）轉(zhuǎn)速控制由主汽閥的先導(dǎo)閥控制，實現(xiàn)升速過程精確控制；（2）目標(biāo)轉(zhuǎn)速有200r／min、400r／min、1060r／min、1500r／min，這些目標(biāo)轉(zhuǎn)速避開了臨界轉(zhuǎn)速，使汽輪機(jī)實現(xiàn)正常暖機(jī)和額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行；（3）參考轉(zhuǎn)速根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速和升速率得出，參與汽輪機(jī)實際轉(zhuǎn)速控制；（4）升速邏輯由比例加前饋補(bǔ)償?shù)贸?，這種控制方式可以避免由于積分效應(yīng)引起的振蕩，又盡可能消除了偏差，使沖轉(zhuǎn)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速更快更穩(wěn)定。

［1］顧軍.AP1000核電廠系統(tǒng)與設(shè)備［M］.北京：原子能出版社，2010

［2］肖增弘，徐豐.汽輪機(jī)數(shù)字式電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)［M］.北京：中國電力出版社，2003