AP1000核電站主汽輪機控制系統(tǒng)（MTC）介紹

田鵬

（山東核電有限公司，山東 煙臺，265116）

1　概述

AP1000電站主汽輪機控制系統(tǒng)（MTC）是通過自動調(diào)節(jié)進(jìn)入汽輪機的蒸汽流量來控制汽輪機的轉(zhuǎn)速及負(fù)荷的設(shè)備。MTC通過位于中心控制室的可視化操作平臺（VDU）控制汽輪機的轉(zhuǎn)速和輸出功率，具有升速控制功能、閥門切換控制功能、關(guān)閉所有閥門的功能、調(diào)節(jié)器控制功能、調(diào)節(jié)器自動跟蹤器功能、負(fù)荷限制器控制功能、超速保護(hù)(OPC)控制功能、自動負(fù)荷調(diào)節(jié)（ALR）功能以及快速降負(fù)荷（Runback）控制功能等。

2　操作對象

MTC的控制及操作對象是主汽門（MSV)，主調(diào)門（GV），再熱主汽門（RSV）和再熱調(diào)節(jié)門（ICV），如圖1所示。

圖1　蒸汽輪機蒸汽系統(tǒng)簡圖

液壓系統(tǒng)用作各蒸汽閥門的驅(qū)動系統(tǒng)，蒸汽閥門的位置根據(jù)MTC的指令信號來調(diào)整。這些蒸汽閥門的關(guān)系和控制方式如圖2所示。

圖2　蒸汽閥門數(shù)量及控制方式

3　控制功能

3.1　升速控制功能

升速控制是通過MSV（主汽閥）控制流入高壓汽輪機的主蒸汽量，按照設(shè)定的升速率，使蒸汽輪機升速的功能。MSV的小容量預(yù)啟閥用于升速控制。由于進(jìn)入高壓汽輪機的主蒸汽量在汽輪機升速過程中較低，因此，在控制機組從盤車轉(zhuǎn)速到額定轉(zhuǎn)速過程中，使用MSV的小容量的預(yù)啟閥比使用大容量的GV（主汽調(diào)節(jié)閥）進(jìn)行升速控制具有更好的效果。

根據(jù)規(guī)程HYG-MTS-GJP-101附件2（汽機啟動）第4.2步：在VDU操作屏幕上選擇目標(biāo)轉(zhuǎn)速并選定升速率后，通過選擇程序運行“GO”，使蒸汽輪機以選定的升速率升速到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。汽輪機達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速后，將自動選擇程序中的“HOLD”，蒸汽輪機轉(zhuǎn)速保持不變?？蛇x的目標(biāo)轉(zhuǎn)速值如圖3所示，可選的升速率如圖4所示。

汽輪機是通過控制MSV的閥位來升速的，MSV的閥位是通過比例反饋來控制的，以便使實際轉(zhuǎn)速與由目標(biāo)轉(zhuǎn)速和升速率確定的轉(zhuǎn)速參考值一致。由于升速控制是比例控制，會出現(xiàn)控制偏差錯誤。因此，在MSV閥位指令上增加了作為轉(zhuǎn)速參考值函數(shù)的補償偏差，以盡可能減小轉(zhuǎn)速參考值與實際轉(zhuǎn)速間的偏差。由于在升速控制期間，蒸汽輪機轉(zhuǎn)速是由MSV控制，GV和ICV必須全開。因此，在汽輪機升速前，GV和ICV應(yīng)通過操作EH AUTO逐漸打開。轉(zhuǎn)速控制方式如圖5所示。

圖3　可選的目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)定值

圖4　可選的升速率

圖5　轉(zhuǎn)速控制方式

由于控制響應(yīng)在升速控制過程中很快，當(dāng)增加積分控制到比例控制中時，升速控制很容易造成振蕩。因此升速控制均采用比例控制。雖然轉(zhuǎn)速給定值與實際轉(zhuǎn)速間的控制偏差可通過增大比例控制增益值來降低，但這樣轉(zhuǎn)速控制很容易造成上述的振蕩。因此，作為轉(zhuǎn)速參考值函數(shù)的補償偏差被加到MSV閥位指令上，以盡可能減小轉(zhuǎn)速參考值與實際轉(zhuǎn)速間的偏差。

3.2　閥切換功能

根據(jù)規(guī)程HYG-MTS-GJP-101中附件2（汽機啟動）第4.2.15步在VDU操作屏幕上選擇“閥門切換”時，首先通過減小升速控制過程中增加在GV閥位指令上的GV全開偏差來逐漸關(guān)閉所有GV。如果GV的全開偏差達(dá)到0時，通過在MSV閥位指令上自動增加MSV全開偏差使所有的MSV全開。所有的MSV全開后，閥門切換控制結(jié)束。在閥門切換過程中MSV和GV的動作情況如圖6所示。

圖6　閥切換過程中的閥門動作

3.3　關(guān)閉所有閥門的功能

蒸汽輪機跳閘后，所有的MSV,GV,RSV和ICV均通過打開卸荷閥迅速關(guān)閉。通過打開卸荷閥來迅速關(guān)閉所有的MSV,GV,RSV和ICV可能損壞閥門座。因此，除了必須采用打開卸荷閥來快速關(guān)閉所有的MSV,GV,RSV和ICV的時候，利用關(guān)閉所有閥門功能，采用伺服閥來逐漸關(guān)閉MSV,GV和ICV可以保護(hù)閥門座。（例如摩擦檢查或蒸汽輪機正常停機操作）

在VDU操作屏上選定了“CLOSING ALL VALVES”時，通過對每個伺服閥發(fā)出全關(guān)偏差來逐漸關(guān)閉所有的MSV,GV和ICV。由于關(guān)閉所有閥門功能的誤操作會造成嚴(yán)重影響，在并網(wǎng)運行時屏蔽掉“CLOSING ALL VALVES”，防止操作者誤操作。由于所有的MSV,GV,RSV和ICV在汽輪機跳閘的時候被全部關(guān)閉，此功能也被自動選擇，以防止在汽輪機重新復(fù)位時，所有的MSV,GV和ICV被打開。選擇“CLOSING ALL VALVES”時，所有的MSV,GV和ICV全關(guān)，然后“EH AUTO”復(fù)位。當(dāng)選擇“EH AUTO”時，“CLOSING ALL VALVES”復(fù)位，準(zhǔn)備進(jìn)行自動控制。一旦選擇“CLOSING ALL VALVES”，在預(yù)定時間“CLOSING ALL VALVES”不能被復(fù)位。這段預(yù)定時間由MSV全關(guān)的時間加上一點裕量決定。

3.4　調(diào)節(jié)器控制功能

汽輪機轉(zhuǎn)速在閥門切換結(jié)束后是由調(diào)節(jié)器控制的。調(diào)節(jié)器控制功能的目的是在并網(wǎng)過程中控制電網(wǎng)頻率（蒸汽輪機轉(zhuǎn)速）的穩(wěn)定。GV閥門位置是由調(diào)節(jié)器控制功能控制的，以便根據(jù)電網(wǎng)頻率控制汽輪機輸出。電網(wǎng)頻率（蒸汽輪機轉(zhuǎn)速）可通過隨電網(wǎng)頻率改變汽輪機輸出而穩(wěn)定調(diào)節(jié)。解列期間的汽輪機轉(zhuǎn)速由調(diào)節(jié)器控制功能來控制使其與電網(wǎng)同步。蒸汽輪機輸出通過調(diào)節(jié)器控制額定轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速間的差值按比例調(diào)節(jié)。如果運行條件從額定轉(zhuǎn)速工況的100%負(fù)荷變?yōu)榱阖?fù)荷工況，汽輪機轉(zhuǎn)速（頻率）將升高。以上所說的轉(zhuǎn)速（頻率）升高的量稱為轉(zhuǎn)速不等量或轉(zhuǎn)速不等率（此后稱為不等率）。不等率是反應(yīng)調(diào)節(jié)器控制特性的指標(biāo)，如圖7所示。

圖7　調(diào)節(jié)器控制過程中轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的關(guān)系

轉(zhuǎn)速不等率信號是利用圖8中所示的不等量劃分的偏差值計算出的。調(diào)節(jié)器閥位指令是通過將轉(zhuǎn)速不等率信號加上調(diào)節(jié)器設(shè)置值以后的總和計算出來的。GV的閥位指令（GVPD）是根據(jù)負(fù)荷限制器的閥位指令和調(diào)節(jié)器閥位指令二者低選來計算的。負(fù)荷限制器閥位指令以后說明。GV閥位指令（0～100%）是用于設(shè)置GV閥門位置以及ICV閥門位置的參數(shù)，基本與汽輪機輸出力（0～100%）相對應(yīng)。

圖8　調(diào)節(jié)器負(fù)荷控制功能

由于轉(zhuǎn)速設(shè)定值在并網(wǎng)運行前必須能夠改變以利于同步（將發(fā)電機頻率相位調(diào)節(jié)為電網(wǎng)頻率相位），轉(zhuǎn)速設(shè)定值通過手動可在±6%（1410～1590 r/min）變化。1410 r/min（-6%）是調(diào)節(jié)器控制底限，1590 r/min（+6%)是調(diào)節(jié)器控制的上限。轉(zhuǎn)速變化率從可控制性的角度在升速率（150 r/min，75 r/min，50 r/min)中選擇。轉(zhuǎn)速設(shè)定值也可由自動同期系統(tǒng)發(fā)出的轉(zhuǎn)速設(shè)定值增加/降低脈沖量來改變。在并網(wǎng)運行期間，為了根據(jù)不等率特性控制負(fù)荷，轉(zhuǎn)速設(shè)定值轉(zhuǎn)換為額定轉(zhuǎn)速，并且汽輪機出力由調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)。如果選擇調(diào)節(jié)器控制，則在并網(wǎng)運行時汽輪機的輸出可通過改變調(diào)節(jié)器設(shè)置來控制。在并網(wǎng)完成的瞬間，調(diào)節(jié)閥的設(shè)置立即跟蹤相當(dāng)于初負(fù)荷(5%負(fù)荷)的GV閥位指令。當(dāng)電網(wǎng)頻率比額定頻率高時，調(diào)節(jié)器控制GV閥位減小，這就使得調(diào)節(jié)器閥門有全關(guān)的可能性，汽輪機變?yōu)殡妱訝顟B(tài)。所謂電動狀態(tài)即：進(jìn)入汽輪機蒸汽量比發(fā)電所需的蒸汽量少，在發(fā)電機并網(wǎng)運行時，發(fā)電機就變?yōu)橐粋€同步電動機，最終汽輪機是由電網(wǎng)供電的發(fā)電機來驅(qū)動的。

3.5　調(diào)節(jié)器自動跟蹤功能

調(diào)節(jié)器自動跟蹤功能是指負(fù)荷限制器在一定工作期間，調(diào)節(jié)器設(shè)定值自動跟蹤負(fù)荷限制器的設(shè)定值。該功能的設(shè)置是為了在電網(wǎng)波動時通過調(diào)節(jié)器控制裝置關(guān)閉GV。根據(jù)公司規(guī)程附件2（汽機啟動）第4.2.19步：在汽機并網(wǎng)并帶上5%負(fù)荷以后，在VDU操作屏上選擇調(diào)節(jié)器自動跟蹤功能后，調(diào)節(jié)器設(shè)定值自動跟蹤負(fù)荷限制器設(shè)定值和跟蹤寬度（10%）的和。當(dāng)電網(wǎng)頻率增加到50.225 Hz后，由于頻率升高，GV關(guān)閉，運行模式變?yōu)檎{(diào)節(jié)器控制。如圖9所示，通過運行調(diào)節(jié)器自動跟蹤功能，運行模式自動并立即轉(zhuǎn)換為負(fù)荷限制器運行。利用調(diào)節(jié)器自動跟蹤功能，可以很容易地從調(diào)節(jié)器控制轉(zhuǎn)換為負(fù)荷限制器控制而不會出現(xiàn)負(fù)荷波動。

圖9　切換到調(diào)節(jié)器自動跟蹤運行模式

3.6　負(fù)荷限制控制功能

由于電網(wǎng)頻率波動等引起GV閥位指令大幅波動，可以通過負(fù)荷控制功能限制進(jìn)入汽輪機的蒸汽量。當(dāng)負(fù)荷限制器閥位指令小于調(diào)節(jié)器指令時，汽輪機運行模式從調(diào)節(jié)器運行模式切換為負(fù)荷限制器運行模式。GV和ICV閥位由負(fù)荷限制器設(shè)定值保持，在并網(wǎng)運行時，該設(shè)定值可隨意更改，而無需考慮電網(wǎng)頻率。如果通過VDU操作屏降低負(fù)荷限制器設(shè)定值使得負(fù)荷限制器閥位指令小于調(diào)節(jié)器指令，汽輪機控制模式切換為負(fù)荷限制器運行模式，GV和ICV閥門位置被保持。汽輪機運行模式也可通過選擇調(diào)節(jié)器自動跟蹤功能很容易地從調(diào)節(jié)器控制切換為負(fù)荷限制器控制。電網(wǎng)頻率（汽輪機轉(zhuǎn)速）與GV閥位指令間的關(guān)系如圖10所示。

圖10　電網(wǎng)頻率與GV閥位指令間的關(guān)系

負(fù)荷限制器設(shè)定值上限是130%，負(fù)荷限制器設(shè)置值下限為-50%。負(fù)荷限制器設(shè)定值上下限與調(diào)節(jié)器的設(shè)置值確定方法相同。負(fù)荷限制器設(shè)定上限（130%）是為了與所有GV閥門全開點（120%）的負(fù)荷限制器設(shè)定值之間有一定的裕量而選定的。負(fù)荷限制器設(shè)定下限（-50%）是為了與所有的ICV閥門全關(guān)點（-30%）的負(fù)荷限制器設(shè)定值之間有一定的裕量而選定的。

在汽輪機停機狀態(tài)（功能閉鎖）時，負(fù)荷限制器設(shè)定值自動設(shè)置為下限（-50%），以便徹底安全的關(guān)閉GV。在汽輪機啟動時，“CLOSING ALL VALVES”功能將通過“EH AUTO”運行復(fù)位，然后通過全開偏置打開GV和ICV，以便由MSV執(zhí)行升速控制。同時，負(fù)荷限制器設(shè)定值設(shè)定為上限(130%)，以使GV和ICV能夠全開。由于解列時調(diào)節(jié)器設(shè)定值設(shè)定為0%(等于無負(fù)荷），在解列時負(fù)荷限制器控制設(shè)定值自動設(shè)定為上限(130%)，以便于通過調(diào)節(jié)器控制裝置控制汽輪機轉(zhuǎn)速。（說明：除汽輪機啟動或解列以外，在選擇“EH AUTO”后，負(fù)荷限制器設(shè)定值可手動更改。目的是在電網(wǎng)頻低的情況下執(zhí)行并網(wǎng)運行時，限制GV閥位指令的增大，見圖11。

圖11　在低電網(wǎng)頻率條件下并網(wǎng)運行

3.7　超速保護(hù)控制器（O PC）功能

OPC是通過監(jiān)測超速預(yù)感器并快速關(guān)閉GV和ICV，以防止汽輪機超速。OPC根據(jù)汽輪機轉(zhuǎn)速上升和負(fù)荷不平衡間的關(guān)系監(jiān)測汽輪機超速預(yù)感器。負(fù)荷不平衡根據(jù)汽輪機出力（低壓缸進(jìn)汽壓力）和發(fā)電機負(fù)荷之間的差來計算。OPC監(jiān)測到汽輪機超速預(yù)報時，OPC電磁閥通電，危急跳閘油排出。GV和ICV的卸荷閥被危急跳閘油泄油打開，由于GV和ICV的卸荷閥打開，從而使GV和ICV完全迅速關(guān)閉。

為了抑制汽輪機轉(zhuǎn)速升高，保護(hù)汽輪機，OPC不僅能快速反應(yīng)而且還需在CPU發(fā)生故障時保持工作。因此OPC功能不是配置在主汽輪機控制系統(tǒng)軟件中而是配置在單獨的硬件模塊中。根據(jù)轉(zhuǎn)速上升和負(fù)荷不平衡之間的關(guān)系，當(dāng)OPC檢測到超速預(yù)報時，OPC動作，防止汽輪機超速跳閘。如果汽輪機在負(fù)荷不平衡較低的條件下（30%或以下）不是很快速加速時，OPC將在汽輪機轉(zhuǎn)速達(dá)到107.5%或以上時動作。如果汽輪機在負(fù)荷不平衡較大的情況下（30%或以上）迅速加速時，OPC將在汽輪機轉(zhuǎn)速函數(shù)和負(fù)荷不平衡函數(shù)之和達(dá)到一個固定的設(shè)定值時動作，見圖12（a）。在解列情況下，汽輪機負(fù)荷較小，汽輪機容易加速。因此除了上述情況外，OPC還將在解列情況下如負(fù)荷不平衡超過30%時動作，見圖12（b）。

圖12　OPC動作特點

需要說明的是：采用低壓缸進(jìn)汽壓力（ICV后壓）作為汽輪機輸出功率的原因如下：正常運行時汽輪機輸出功率與汽輪機的壓力成正比。由于負(fù)荷突然降低或甩負(fù)荷使得GV和ICV全關(guān)時，GV與ICV間的蒸汽被密封，其壓力保持在先前的水平。由于此時蒸汽壓力與汽輪機輸出功率不成正比，此蒸汽壓力不能作為汽輪機輸出功率。因此在OPC判斷時，將低壓缸進(jìn)汽壓力作為汽輪機輸出功率。

采用發(fā)電機電流作為發(fā)電機輸出功率的原因是為了防止由于傳輸線路中發(fā)生接地故障時OPC的誤動作。即使發(fā)生接地故障時，一般安裝在電網(wǎng)上的保護(hù)繼電器能在幾個Hz內(nèi)恢復(fù)故障，在此期間汽輪機不會超速。因此在發(fā)生接地故障時OPC無需動作。發(fā)電機電流不低于接地故障先前的水平，但發(fā)電機功率降低了。如果發(fā)電機功率用作OPC判斷時的發(fā)電機出力，由于發(fā)電機功率降低引起負(fù)荷不平衡，OPC將由于接地故障而誤動作。因此采用發(fā)電機電流作為OPC判斷時的發(fā)電機輸出功率。

3.8　自動負(fù)荷調(diào)解器（A LR）功能

ALR（自動負(fù)荷調(diào)解器）的用途是降低操作員的操作壓力，ALR的功能是自動以緩慢的變化率增加或降低負(fù)荷。負(fù)荷目標(biāo)值和負(fù)荷變化率可隨意設(shè)置。ALR增加或降低指令是根據(jù)實際負(fù)荷與ALR指令間的差值來計算的，見圖13。通過將ALR增加或降低指令加在負(fù)荷限制器設(shè)定值上來控制負(fù)荷。當(dāng)選擇ALR OUT模式切除時，ALR指令跟蹤實際負(fù)荷，以便在ALR模式從切除轉(zhuǎn)換為投入時不使負(fù)荷產(chǎn)生波動。由于在選擇ALR模式切除時，ALR指令跟蹤實際負(fù)荷，實際負(fù)荷就相當(dāng)于ALR指令，在ALR模式從OUT（切除模式）轉(zhuǎn)換為IN（投入模式）時，ALR增加或降低指令是從零開始的。因此ALR模式由切除轉(zhuǎn)換為投入模式時負(fù)荷不會有波動。

圖13ALR控制功能

可手動選擇投入或切除ALR功能。ALR控制模式與ALR程序運行模式是分開的，以便能夠與其它功能結(jié)合。根據(jù)公司規(guī)程中附件2（汽機啟動）第4.2.23步：汽機并網(wǎng)后的升功率就是在ALR運行模式下進(jìn)行的。在選擇ALR程序運行“GO”后，負(fù)荷以選定的ALR負(fù)荷變化率變化到ALR目標(biāo)負(fù)荷。如果負(fù)荷達(dá)到了ALR目標(biāo)負(fù)荷，ALR程序運行模式從“GO”（進(jìn)行）轉(zhuǎn)換為“HOLD”（保持）。在手動選擇ALR程序運行模式“HOLD”時，ALR指令保持當(dāng)前值。ALR負(fù)荷變化率可以把0.1%作為最小單位，在（0.0～300%）/h任意設(shè)置。ALR目標(biāo)負(fù)荷設(shè)定值可在5%～100%設(shè)置。上限設(shè)置為額定負(fù)荷。下限設(shè)定為5%的初負(fù)荷，以防止發(fā)生逆功率情況。

3.9　快速減負(fù)荷（Ru n b a c k）控制功能

快速減負(fù)荷控制功能是使負(fù)荷限制器設(shè)定值和調(diào)節(jié)器設(shè)定值按照固定的負(fù)荷變化速率降低。

4　總結(jié)

設(shè)置主汽輪機控制系統(tǒng)的目的是為確定汽輪機蒸汽閥門的開度，包含提供汽輪發(fā)電機控制、試驗、保護(hù)、定位汽輪機截止閥的開度、截斷蒸汽流的手段、轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的手動及自動控制。總共有20個向主汽輪機供汽的液壓驅(qū)動閥門其中包括4個MSV、4個GV、6個ICV和6個RSV。所有的MSV、GV和ICV可在全關(guān)位和全開位之間比例調(diào)節(jié)開度。此外，該系統(tǒng)還提供主汽輪機轉(zhuǎn)速監(jiān)測和控制以及負(fù)荷控制的信號。最后，當(dāng)汽機發(fā)生超速時，OPC動作抑制汽輪機轉(zhuǎn)速升高，保護(hù)汽輪機。

[1]張文君.AP1000核電T系統(tǒng)與設(shè)備教程[M].煙臺：山東核電有限公司，2010.

[2]丁飛.AP1000數(shù)字化儀控教程[M].煙臺：山東核電有限公司，2012.