核電廠調(diào)頻實現(xiàn)方案研究

呂愛國，陳衛(wèi)華，黃偉軍

(深圳中廣核工程設(shè)計有限公司，廣東 深圳 518172)

核電廠調(diào)頻實現(xiàn)方案研究

呂愛國，陳衛(wèi)華，黃偉軍

(深圳中廣核工程設(shè)計有限公司，廣東 深圳 518172)

頻率是發(fā)電廠的一個重要運行參數(shù)，但是在發(fā)電領(lǐng)域，對于一次調(diào)頻與二次調(diào)頻的概念卻有不同的理解。澄清了機組調(diào)頻的概念，介紹了一次調(diào)頻與二次調(diào)頻的物理意義。分析了目前世界上主流汽輪發(fā)電機組的調(diào)頻控制方案，對其優(yōu)缺點進行了定性分析。對今后汽輪發(fā)電機廠優(yōu)化設(shè)計以及運行人員操作機組具有借鑒意義。

一次調(diào)頻；二次調(diào)頻；核電廠；汽輪發(fā)電機組；功率控制；頻率控制

0 引 言

頻率是電網(wǎng)的重要運行參數(shù)之一。為提高電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性，提高電網(wǎng)負荷變化時的頻率響應(yīng)能力，保持系統(tǒng)的頻率在允許范圍內(nèi)，有必要對發(fā)電機組的調(diào)頻功能進行分析。由于核電機組特有的安全性，再加上系統(tǒng)復(fù)雜、建設(shè)周期長、投資大等特點，研究核電機組的調(diào)頻功能，對電網(wǎng)的穩(wěn)定性，意義更為重大[1]。

頻率調(diào)整，又稱頻率控制，是電網(wǎng)維持有功功率供需平衡的主要措施，其根本目的是保證電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定[2-3]。按照調(diào)整范圍和調(diào)節(jié)能力的不同，頻率調(diào)整可分為一次調(diào)頻、二次調(diào)頻和三次調(diào)頻。

一次調(diào)頻是指當(dāng)系統(tǒng)頻率偏離目標(biāo)頻率時，發(fā)電機組通過調(diào)速系統(tǒng)的自動反應(yīng)，由發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)改變汽輪機調(diào)節(jié)閥的開度的調(diào)節(jié)過程，調(diào)整有功出力以維持電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。一次調(diào)頻的特點是響應(yīng)速度快，直接改變蒸汽需求量的大小，但是只能做到有差控制[4]。

二次調(diào)頻是指發(fā)電機組提供足夠的可調(diào)整容量及一定的調(diào)節(jié)速率，在允許的調(diào)節(jié)偏差下實時跟蹤頻率，以滿足系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的要求。需要運行人員手動或者自動操作調(diào)速器，使發(fā)電機的頻率特性平行地上下移動，進而調(diào)整負荷，使頻率保持不變。二次調(diào)頻直接改變發(fā)電機組的功率設(shè)定值，進而引起反應(yīng)堆功率的變化。二次調(diào)頻可以做到頻率的無差調(diào)節(jié)。

三次調(diào)頻即有功功率經(jīng)濟分配，其實質(zhì)是完成在線經(jīng)濟調(diào)度，其目的是在滿足電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定和系統(tǒng)安全的前提下合理利用能源和設(shè)備，以最低的發(fā)電成本或費用獲得更多的、優(yōu)質(zhì)的電能[5]。

本文將根據(jù)核電機組的特性，分析一次調(diào)頻與二次調(diào)頻功能在核電廠的實現(xiàn)方案，并分析其優(yōu)缺點，三次調(diào)頻不作分析。

1 電網(wǎng)頻率控制特性

要確定電力系統(tǒng)的負荷變化引起的頻率變化，需要同時考慮負荷及汽輪發(fā)電機組的頻率特性[6-8]。圖1所示表示電力系統(tǒng)綜合的功率-頻率靜態(tài)特性。負荷的頻率特性是指電力系統(tǒng)全部有功負荷與頻率的關(guān)系，如曲線L1或L2所示，負荷隨頻率上升而上升。汽輪發(fā)電機組的頻率特性是電力系統(tǒng)全部發(fā)電有功功率與頻率的關(guān)系，如曲線G0、G1或G2所示，發(fā)電有功功率隨頻率下降而增加。

用電負荷與發(fā)電功率平衡時，負荷特性曲線L1與發(fā)電特性曲線G0相交于a點，整個系統(tǒng)頻率為f0=50 Hz，發(fā)電功率(負荷功率)為P0。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)擾動時，如電力負荷增加，負荷特性曲線從L1變化到L2，汽輪發(fā)電機組的特性曲線仍為G0，由曲線L2與G0共同作用，使電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)運行點由a移至b，此時系統(tǒng)頻率下降Δf1。這就是電網(wǎng)自然頻率特性。

如果電網(wǎng)中的汽輪發(fā)電機組根據(jù)電網(wǎng)頻率，改變發(fā)電機出力，如圖1所示，使并網(wǎng)汽輪發(fā)電機組在電網(wǎng)頻率下降時，增加出力，上升時，減小出力，則汽輪發(fā)電機組的這種調(diào)節(jié)作用稱為一次調(diào)頻。在一次調(diào)頻的作用下，發(fā)電特性曲線變?yōu)镚1。當(dāng)電網(wǎng)負荷從L1增加到L2的同樣擾動時，汽輪發(fā)電機組的特性曲線G1與負荷特性曲線L2共同作用，使電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)運行點由a移至c，此時系統(tǒng)頻率下降Δf2。可見，在一次調(diào)頻作用下，電網(wǎng)頻率變化的幅度由Δf1下降到Δf2，因此，汽輪發(fā)電機組的一次調(diào)頻作用能有效減少電網(wǎng)出現(xiàn)擾動時的頻率變化幅度。

如果改變汽輪發(fā)電機組的功率，即改變汽輪發(fā)電機組的特性曲線，使G1平移到G2，這一調(diào)節(jié)作用稱為二次調(diào)頻。這時G2可以與L2相交于d點，電網(wǎng)的頻率可以恢復(fù)到f0=50 Hz。

圖1 電網(wǎng)頻率控制的靜態(tài)特性

在電網(wǎng)出現(xiàn)擾動時，電網(wǎng)的頻率會快速發(fā)生變化，此時的電網(wǎng)頻率變化過程主要取決于負荷和汽輪發(fā)電機組的頻率特性，如圖1所示，負荷從L1變化到L2時，電網(wǎng)頻率快速由a點向b點變化，在汽輪發(fā)電機組一次調(diào)頻作用下，電網(wǎng)頻率回到c點，最后在二次調(diào)頻作用下，恢復(fù)到d點，即f0(50 Hz)。

2 Alstom核電機組控制方案

Alstom設(shè)計的汽輪發(fā)電機組在核電廠的調(diào)頻功能是在汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)中實現(xiàn)的。該系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)汽輪機調(diào)節(jié)閥的進汽量對機組實施功率控制、頻率控制、壓力控制和應(yīng)力控制等，使機組可以安全和經(jīng)濟地運行于各種工況，滿足供電的質(zhì)量要求。

由于調(diào)頻功能與功率控制密不可分，因此本文僅討論調(diào)頻控制回路與功率控制回路，其原理如圖2所示。

圖2 Alstom機組調(diào)頻原理圖

從圖2可以看出，Alstom的方案分為兩個回路。一個轉(zhuǎn)速控制回路，一個負荷控制回路。轉(zhuǎn)速控制回路的設(shè)定值nset是1 500 r/min或3 000 r/min (因機組而異)，測量值nm是汽輪機的實際轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速偏差如果累加在負荷定值中，則參與二次調(diào)頻，累加在蒸汽需求中，則參與一次調(diào)頻。

負荷控制回路中，功率設(shè)定值Pset是由操縱員給定的，功率測量值Pm是發(fā)電機的實際功率，該回路構(gòu)成了一個負反饋。

為防止發(fā)電機機組在電網(wǎng)頻率微小波動時，汽輪機調(diào)節(jié)閥頻繁動作，控制回路中設(shè)置了死區(qū)，二次調(diào)頻死區(qū)在“Dead Band”中進行設(shè)置，兩個回路通過計算，最終形成了蒸汽需求，轉(zhuǎn)化為調(diào)開閥的開度信號，從而控制調(diào)節(jié)閥的開度。

優(yōu)點：一次調(diào)頻、二次調(diào)頻功能比較清晰，投切方便。

缺點：由于一次調(diào)頻的信號值不是設(shè)定轉(zhuǎn)速與實測轉(zhuǎn)速的偏差，而是實測轉(zhuǎn)速與調(diào)節(jié)系統(tǒng)上一時刻的轉(zhuǎn)速偏差，因此對于一次調(diào)頻分量來說，控制上精度比較低。

3 Siemens核電機組控制方案

Siemens設(shè)計的汽輪發(fā)電機組在核電廠的調(diào)頻功能是在汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)中實現(xiàn)的。該系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)汽輪機調(diào)節(jié)閥的進汽量對機組實施功率控制、速度控制，使機組可以安全和經(jīng)濟地運行于各種工況，滿足供電的質(zhì)量要求。如圖3所示。

圖3 Siemens機組調(diào)頻原理圖

從圖3看出，Siemens與Alstom的方案基本相同，也分為一個轉(zhuǎn)速控制回路，一個負荷控制回路。相同部分不再重述。其不同點是，一次調(diào)頻與二次調(diào)頻可以分別設(shè)置死區(qū)，另外，一次調(diào)頻分量的信號值是設(shè)定值與轉(zhuǎn)速實測值的偏差，因此該方案在頻率控制上精度比較高。

優(yōu)點：一次調(diào)頻、二次調(diào)頻功能比較清晰，投切方便。一次調(diào)頻精度相對較高。負荷控制回路為了使系統(tǒng)響應(yīng)迅速，在回路中增加了一個前饋環(huán)節(jié)，增加了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

4 Mitsubishi核電機組控制方案

Mitsubishi設(shè)計的汽輪發(fā)電機組在核電廠的調(diào)頻功能是在汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)中實現(xiàn)的。該系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)汽輪機調(diào)節(jié)閥的進汽量對機組實施功率控制、速度控制，使機組可以安全和經(jīng)濟地運行于各種工況，滿足供電的質(zhì)量要求。如圖4所示。

圖4 Mitsubishi機組調(diào)頻原理圖

雖然Mitsubishi與Siemens、Alstom的方案相比，也分為一個轉(zhuǎn)速控制回路，一個負荷控制回路，但由于轉(zhuǎn)速偏差(頻率偏差)并沒有直接引入的負荷控制回路中，因此Mitsubishi汽輪發(fā)電機組的控制方案有其獨特之處。下面進行詳細介紹。

圖5 G模式

圖6 P模式

Mitsubishi控制方案在設(shè)計上分為兩種工作模式，即調(diào)節(jié)器模式與負荷限制器模式。其中，調(diào)節(jié)器模式，即轉(zhuǎn)速回路控制，簡稱G模式，負荷限制器模式，即負荷回路控制，簡稱P模式。在原理圖中，以小選器為界，第一個輸入回路為G模式，第二個回路為P模式。這兩種模式可以根據(jù)網(wǎng)頻的大小互相無擾切換。為做到無擾切換，這兩種控制模式具有自動跟蹤對方功能，即這兩種控制模式的設(shè)定值可以互相跟蹤對方的設(shè)定值和跟蹤帶寬D的和，如圖5、圖6所示。P模式控制的閥位指令和G模式控制的閥位指令始終做“小選”邏輯，通過選擇最小閥位輸出指令來完成工作模式的切換，如圖4所示。

機組在運行時，G模式與P模式同時投入，但初始狀態(tài)需由操縱員選定，兩個模式的定值相互跟蹤，以便可以實現(xiàn)無擾切換。

如圖5所示，機組運行在G模式，此時P模式的定值P2需在G模式的定值基礎(chǔ)之上P1增加D，即P2=P1+D。從圖中可以看出，在“de”的區(qū)間段內(nèi)，頻率可調(diào)。即機組參與調(diào)頻。

如圖6所示，機組運行在P模式，此時G模式的定值P2需在P模式定值的基礎(chǔ)之上P1增加D，即P2=P1+D。從圖中可以看出，在“Ob”的區(qū)間段內(nèi)，頻率不可調(diào)，即機組不參與調(diào)頻。

從原理圖中看出，當(dāng)采取G模式運行時，機組參與調(diào)頻，但沒有死區(qū)限制，而采取P模式運行時，機組不參與調(diào)頻。

但由于該設(shè)計采取了相互跟蹤的策略，并且在控制回路中設(shè)置了小選模塊，當(dāng)機組由P模式控制運行時，一旦頻率超過b點，G模式的限值起作用，相當(dāng)于調(diào)頻投入，而在b點之前，沒有調(diào)頻，相當(dāng)于調(diào)頻死區(qū)。這樣該方案也巧妙地實現(xiàn)了調(diào)頻作用。由于該方案調(diào)頻分量直接增加在蒸汽需求上，因此可以稱為一次調(diào)頻。

由于跟蹤寬度D可以調(diào)整，改變D的值，頻率死區(qū)便可以調(diào)整。

優(yōu)點：調(diào)頻控制通過算法與運行模式，巧妙地運用在一起，調(diào)頻功能簡潔明了。

缺點：如果僅采用負荷控制模式即P模式運行，系統(tǒng)沒有調(diào)頻功能；由于負荷回路中沒有引入頻率偏差，導(dǎo)致缺少二次調(diào)頻，對電網(wǎng)響應(yīng)不利；如果采用G模式，負荷控制無法引入。

5 結(jié)束語

根據(jù)以上分析，Siemens的調(diào)頻控制方案簡潔明了，易于設(shè)計人員與運行人員理解，該方案在核電廠實際運行中，控制指標(biāo)均正常。Alstom方案在核電廠運行中，也運行良好。而Mitsubihsi方案，由于在國內(nèi)核電機組中，還沒有運行業(yè)績，其控制效果，還有待于運行考驗。

文中對Alstom，Siemens，Mitsubishi三個主流廠家調(diào)頻方案優(yōu)缺點的對比結(jié)果，希望對今后廠家優(yōu)化控制回路設(shè)計、指導(dǎo)運行人員更好地操作機組起到一定的借鑒意義。

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Implementation Study on Frequency Modulation in Nuclear Power Plant

Lyu Aiguo, Chen Weihua, Huang Weijun

(China Nuclear Power Design Co., Ltd., (Shen Zhen), Shenzhen Guangdong 518172,China)

Frequency is an important operating parameter of the power plant, but in the field of power generation there is a different comprehension for primary FM and secondary FM. This paper clarifies the FM concept and gives an introduction on the physical meaning of primary FM & secondary FM. It also presents an analysis of the FM control schemes currently adopted by the world's major turbine generators with a qualitative analysis of its advantages and disadvantages in an attempt to provide a reference for future optimum design of designing of turbo generator plant and for unit operators.

primary FM ；secondary FM ；nuclear power plant ；turbogenerator set ；power control ；frequency control

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.027

TM764.2

A

1000-3886(2016)05-0086-03

呂愛國(1972-)，男，山東人，碩士生，高級工程師，主要從事核電廠儀控設(shè)計研究。

定稿日期: 2016-04-20