核電廠汽機(jī)主調(diào)節(jié)閥閥位波動(dòng)問(wèn)題研究

董 威 黃美華 曾 彬

(中廣核工程有限公司設(shè)計(jì)院，廣東 深圳 518172)

0 引言

某項(xiàng)目一期工程一號(hào)機(jī)組商運(yùn)期間，在滿功率時(shí)，發(fā)生汽機(jī)主調(diào)節(jié)閥頻繁動(dòng)作的問(wèn)題。主調(diào)節(jié)閥頻繁波動(dòng)不滿足法規(guī)DL/T996 -2006 要求(系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程應(yīng)能迅速穩(wěn)定，振蕩次數(shù)不應(yīng)超過(guò)2 ～3 次)。其他核電項(xiàng)目也有類似問(wèn)題。

目前的臨時(shí)修改策略是:①對(duì)主調(diào)節(jié)閥閥位控制環(huán)節(jié)中的Vickers 卡死區(qū)補(bǔ)償進(jìn)行重新調(diào)整;②對(duì)主調(diào)節(jié)閥組態(tài)曲線進(jìn)行局部?jī)?yōu)化，即對(duì)55%區(qū)域斜率進(jìn)行修改。但是，隨著核島蒸發(fā)器出口蒸汽壓力VVP 持續(xù)下降，主調(diào)節(jié)閥在功率滿功率下開度將持續(xù)增大，閥門調(diào)節(jié)還是有可能進(jìn)入頻繁波動(dòng)區(qū)，使閥門油動(dòng)機(jī)供油軟管可能發(fā)生壓力脈沖，極易發(fā)生應(yīng)力疲勞損壞。因此，需要對(duì)主調(diào)節(jié)閥頻繁波動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行深入研究，提出更好的解決辦法。

1 問(wèn)題原因分析

導(dǎo)致問(wèn)題的直接原因是滿功率運(yùn)行時(shí)汽輪機(jī)工作在調(diào)節(jié)閥組態(tài)陡峭區(qū)域。核電汽機(jī)主調(diào)節(jié)閥機(jī)械特性曲線和組態(tài)特性曲線如圖1 所示。

圖1 汽機(jī)主調(diào)節(jié)閥機(jī)械特性曲線、組態(tài)特性曲線圖Fig.1 Mechanical characteristic curve and configuration curve of main regulator valve of turbine

閥門特點(diǎn)是:為滿足汽輪發(fā)電機(jī)組暖機(jī)、沖轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速控制、升負(fù)荷速率控制要求，汽輪機(jī)主調(diào)節(jié)閥門具備小開度下良好調(diào)節(jié)性能;同時(shí)，與汽輪機(jī)設(shè)計(jì)通流容量相匹配，通流能力裕量不需要過(guò)大。從運(yùn)行記錄可知，2014 年1 月20 日，某項(xiàng)目1 號(hào)機(jī)運(yùn)行功率平臺(tái)2 900 MW(核功率)，發(fā)電功率1 125 MW，4 個(gè)主調(diào)節(jié)閥閥位開度為56% ～61%，處于調(diào)節(jié)振蕩區(qū)域。

1.1 汽輪機(jī)主調(diào)節(jié)閥工作原理

主汽調(diào)節(jié)閥控制示意圖如圖2 所示。汽輪發(fā)電機(jī)組在自動(dòng)控制模式下，設(shè)置目標(biāo)負(fù)荷后，將轉(zhuǎn)速信號(hào)和實(shí)測(cè)功率與之相比較，經(jīng)比例積分(proportion and integration，PI)控制器運(yùn)算，轉(zhuǎn)換為蒸汽需求量(SD)信號(hào)。SD 信號(hào)經(jīng)汽輪機(jī)控制系統(tǒng)主汽閥組態(tài)特性函數(shù)(曲線)，轉(zhuǎn)換為控制閥閥位信號(hào)。閥位信號(hào)經(jīng)過(guò)P(比例)控制器運(yùn)算，并與比例閥閥位信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，將閥位控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再通過(guò)電液放大器(electro hydraulic amplifier，EHA)模塊轉(zhuǎn)換為液壓信號(hào);利用GFR 高壓油壓力，驅(qū)動(dòng)主汽調(diào)節(jié)閥和中壓調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)，調(diào)節(jié)進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽量，使實(shí)際負(fù)荷和目標(biāo)負(fù)荷一致，同時(shí)，跟蹤機(jī)組轉(zhuǎn)速(電網(wǎng)調(diào)頻)變化，進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)。

圖2 汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)示意圖Fig 2 Schematic diagram of turbine steam inlet regulating valve

在圖2 所示閥位控制環(huán)路3 中，由于EHA 模塊電液轉(zhuǎn)化比例閥在機(jī)械構(gòu)造上都存在機(jī)械交迭，形成機(jī)械零位死區(qū)。為了補(bǔ)償這種機(jī)械偏差，Vickers 卡設(shè)置補(bǔ)償功能，即在P 控制器后設(shè)置一個(gè)死區(qū)補(bǔ)償(dead band compensation，DBC)(在Vickers 卡中)，用于調(diào)整系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性能。

1.2 堆-機(jī)功率調(diào)節(jié)原理

堆-機(jī)功率調(diào)節(jié)控制簡(jiǎn)圖如圖3 所示。

圖3 堆-機(jī)功率調(diào)節(jié)控制簡(jiǎn)圖Fig3 Simplified diagram of reactor-turbine power control

正常運(yùn)行情況下，操作員在汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)置目標(biāo)負(fù)荷和升負(fù)荷速率。當(dāng)汽輪機(jī)控制模式(80 信號(hào)置“1”)為“自動(dòng)”時(shí)，目標(biāo)負(fù)荷變?yōu)椤柏?fù)荷參考值”72信號(hào)送往核島棒控系統(tǒng)，作為G 棒功率調(diào)節(jié)信號(hào)，使反應(yīng)堆輸出熱功率與目標(biāo)負(fù)荷對(duì)應(yīng)的核島熱功率相同。同時(shí)，目標(biāo)負(fù)荷經(jīng)與實(shí)測(cè)功率偏差、轉(zhuǎn)速偏差、加速度偏差進(jìn)行PI 運(yùn)算后，經(jīng)汽機(jī)主調(diào)節(jié)閥組態(tài)運(yùn)算變?yōu)殚y位信號(hào)，調(diào)節(jié)汽輪機(jī)進(jìn)汽量，使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率與目標(biāo)負(fù)荷一致。當(dāng)汽輪機(jī)控制模式(80 信號(hào)置“0”)為“手動(dòng)”時(shí)，汽輪發(fā)電機(jī)組采用開環(huán)控制模式，發(fā)電機(jī)實(shí)測(cè)功率不參與偏差運(yùn)算。目標(biāo)負(fù)荷經(jīng)組態(tài)特性曲線變換后，調(diào)整汽機(jī)主調(diào)節(jié)閥在相應(yīng)位置，發(fā)電機(jī)輸出功率有可能與目標(biāo)負(fù)荷不一致。而此時(shí)，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)(GRE)送往反應(yīng)堆棒控的目標(biāo)負(fù)荷信號(hào)變?yōu)椤伴_度參考值”74 信號(hào)，反應(yīng)堆輸出熱功率與目標(biāo)負(fù)荷對(duì)應(yīng)的核島熱功率相同。由于反應(yīng)堆采用開環(huán)控制模式，為了防止堆芯功率超過(guò)運(yùn)行限值，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)(GRE)設(shè)置了兩個(gè)參數(shù)用于限制二回路功率(汽輪機(jī)進(jìn)汽量)，即“進(jìn)汽壓力整定值”76 信號(hào)和“操縱員SD限值”82 信號(hào)，可由操作員在控制界面中設(shè)置，用于限制汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥最大開度。

2 主汽閥組態(tài)特性曲線優(yōu)化必要性

根據(jù)商運(yùn)以來(lái)的運(yùn)行反饋，在夏季工況下，電網(wǎng)負(fù)荷需求量大，需要核電廠盡可能滿發(fā)。而此工況時(shí)，海水溫度高，凝汽器背壓相對(duì)高，在盡可能高的發(fā)電功率要求下，在全年運(yùn)行過(guò)程中，汽機(jī)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥開度最大。根據(jù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)(GRE)定期試驗(yàn)要求，每月要進(jìn)行一次主汽閥活動(dòng)試驗(yàn)，驗(yàn)證主汽閥是否可正常啟閉。在盡可能高的功率平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)(確保機(jī)組運(yùn)行安全為前提)，不做試驗(yàn)的3 個(gè)主調(diào)節(jié)閥開度均比較高(除非降低發(fā)電機(jī)輸出功率，即降低定期活動(dòng)試驗(yàn)功率平臺(tái))。

同時(shí)，根據(jù)各項(xiàng)目在運(yùn)機(jī)組情況，核島蒸發(fā)器過(guò)來(lái)的主蒸汽壓力有逐年下降趨勢(shì)，意味著主汽調(diào)節(jié)閥開度在同功率平臺(tái)會(huì)增大。

從東方機(jī)型在建項(xiàng)目主調(diào)節(jié)閥組態(tài)來(lái)看，某項(xiàng)目調(diào)節(jié)閥開度在54% ～58%時(shí)，斜率(閥位開度變化/蒸汽需求量變化)為4∶1;當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度為58% ～70%時(shí)，斜率為24 ∶1。另外一個(gè)項(xiàng)目當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度為55.5% ～58%時(shí)，斜率(閥位開度變化/蒸汽需求量變化)為2.5∶1;當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度為58% ～64%時(shí)，斜率為4∶1;當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度為64% ～70%時(shí)，斜率為12∶1。根據(jù)法國(guó)ALSTOM 經(jīng)驗(yàn)，最大斜率為3∶1，在法國(guó)N4 電站中，有采用斜率2.5∶1 的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。由某項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行參數(shù)來(lái)看，在夏季滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，當(dāng)調(diào)節(jié)閥閥位開度為56% ～58%，多運(yùn)行在斜率超過(guò)4∶1 區(qū)間;當(dāng)運(yùn)行在閥位開度58%以上時(shí)，調(diào)節(jié)閥存在顯著高頻率動(dòng)作，工作不穩(wěn)定。另外一個(gè)項(xiàng)目1 號(hào)機(jī)相對(duì)好一些，主調(diào)節(jié)閥開度多運(yùn)行在58%以下，開度超58%的時(shí)間短、次數(shù)少。若機(jī)組在主調(diào)節(jié)閥斜率3∶1 以上長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，會(huì)對(duì)機(jī)組運(yùn)行帶來(lái)安全隱患和風(fēng)險(xiǎn)。也就是在高斜率下，當(dāng)電網(wǎng)頻率變化、二回路設(shè)備、主要閥門動(dòng)作異常時(shí)，調(diào)節(jié)閥動(dòng)作頻繁，調(diào)節(jié)性能不穩(wěn)定，并可能影響調(diào)閥油動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)油壓穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響主調(diào)節(jié)閥合理使用壽命。

3 優(yōu)化方案

由上述分析可知，為了防止閥門波動(dòng)，需要主調(diào)節(jié)閥特性曲線盡可能平緩，因此對(duì)主調(diào)節(jié)閥大開度(高斜率)區(qū)的特性曲線(圖2 閥位控制環(huán)路2 中)進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)閥位開度在52% ～100%區(qū)間的組態(tài)曲線進(jìn)行調(diào)整，此區(qū)間組態(tài)曲線按3∶1(閥位變化量:蒸汽需求量SD 變化量)斜率對(duì)原組態(tài)曲線進(jìn)行修正，在小于52%開度區(qū)間維持調(diào)試最終曲線。主調(diào)節(jié)閥優(yōu)化曲線和原曲線對(duì)比如圖4 所示。

圖4 主調(diào)節(jié)閥組態(tài)特性優(yōu)化曲線圖Fig 4 Optimized characteristic curve of main regulator valve

從圖4 可看出，在ALSTOM 優(yōu)化方案中，使原來(lái)SD=105%(對(duì)應(yīng)閥位100%)變?yōu)镾D =120%時(shí)，SD量程放寬，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的SD 信號(hào)會(huì)送往棒控系統(tǒng)(RGL)。因此，RGL 系統(tǒng)定值需要作適應(yīng)性修改。

4 優(yōu)化方案仿真

汽輪機(jī)效率下降的仿真曲線如圖5 所示。圖5中，在130 s 之前是修改前的仿真，兩次修改了汽輪機(jī)效率，閥門有比較大的波動(dòng)，由此帶來(lái)了電功率、核功率的波動(dòng)。在130 s 后，修改曲線和相關(guān)函數(shù)后再進(jìn)行仿真，兩次同樣修改汽輪機(jī)效率，從圖5 可見(jiàn)，閥門波動(dòng)很小，電功率和核功率的穩(wěn)定。二回路功率波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致一回路功率波動(dòng);采用優(yōu)化方案后，提高了滿功率下主調(diào)節(jié)閥抗干擾能力，一回路波動(dòng)變小。

圖5 汽輪機(jī)效率下降時(shí)的二回路仿真圖Fig 5 Simulation of the second loop when the efficiency of turbine decreases

考慮到核電廠在某些情況下產(chǎn)生短時(shí)間超功率運(yùn)行工況，超功率工況下的抗干擾仿真試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。在470 s 之前是修改前的仿真。在380 s 時(shí)觸發(fā)一個(gè)擾動(dòng)，閥門產(chǎn)生比較大的波動(dòng)。在470 s 之后，修改曲線和相關(guān)函數(shù)后再進(jìn)行仿真。當(dāng)810 s 時(shí)觸發(fā)一個(gè)擾動(dòng)，閥門的波動(dòng)較小。由仿真結(jié)果可以看出，采用優(yōu)化方案后，在超功率工況下提高了主調(diào)節(jié)閥抗干擾能力，對(duì)核島控制性能影響不大。

圖6 超功率運(yùn)行情況下的二回路仿真Fig 6 Simulation of the second loop under surpass power operation

綜上，如果修改主調(diào)節(jié)閥組態(tài)特性優(yōu)化曲線，在滿功率或超功率運(yùn)行時(shí)，主調(diào)節(jié)閥波動(dòng)減小，機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)ALSTOM 汽機(jī)主調(diào)節(jié)閥存在閥位頻繁波動(dòng)導(dǎo)致高壓調(diào)節(jié)油泄漏的問(wèn)題，提出修改主調(diào)節(jié)閥組態(tài)特性曲線的方案，通過(guò)在全范圍模擬機(jī)上的仿真，得到了較好的結(jié)果，證實(shí)了該方案的可行性。當(dāng)然，本方案還需要在實(shí)際在運(yùn)機(jī)組上得到進(jìn)一步檢驗(yàn)。本文提出的修改主調(diào)節(jié)閥組態(tài)特性曲線的方案為完全解決主調(diào)節(jié)閥波動(dòng)問(wèn)題提供了詳實(shí)可靠的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)也為堆機(jī)協(xié)調(diào)控制提供了重要參考。

［1］ 濮繼龍. 大亞灣核電廠運(yùn)行教程［M］北京:原子能出版社，1999:555 -633.

［2］ 廣東核電培訓(xùn)中心. 900MW 壓水堆核電廠系統(tǒng)與設(shè)備(下冊(cè))［M］.北京:原子能出版社，2007:319 -339.

［3］中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).DL/T 996 -2006 火力發(fā)電廠汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)技術(shù)條件［S］. 2006:13 -15.