某核電廠汽輪發(fā)電機(jī)組逆功率分析與處理

劉東亮　趙東陽(yáng)　趙書(shū)宇

【摘 要】介紹了某核電廠汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組逆功率問(wèn)題，對(duì)試驗(yàn)控制邏輯及過(guò)程進(jìn)行了分析。調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)置的用于表決back to nominal speed信號(hào)觸發(fā)的延時(shí)時(shí)間過(guò)短，機(jī)組在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)尚未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)重新并網(wǎng)是導(dǎo)致逆功率問(wèn)題發(fā)生的根本原因，給出了可以解決該問(wèn)題的處理方案。

【關(guān)鍵詞】核電廠；汽輪發(fā)電機(jī)組；逆功率；并網(wǎng)

中圖分類號(hào)： TU375.4；TU476.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）12-0027-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.011

Analysis and Handling of Reverse Power for a Nuclear Power Turbine Generator Unit

LIU Dong-liang ZHAO Dong-yang ZHAO Shu-yu

（China Nuclear Power Engineering Co.， LTD.， Shenzhen， Guangdong Pro. 518124， China）

【Abstract】The paper introduces a problem of reverse power for some nuclear power turbine generator unit and analyzes the control logic and test process. The root cause for reverse power is the time delay used to trigger the back to nominal speed signal too short and re-connecting to grid when the turbine speed has not reached the stability state. A solution to solve the problem is given in this paper.

【Key words】Nuclear power plant； Turbine generator； Reverse power； On grid

0 引言

某核電廠使用HN1119-6.43/280/269-H型汽輪機(jī)，該汽輪機(jī)為飽和蒸汽、單軸、四缸、六排汽、中間再熱、沖動(dòng)、凝氣式半速機(jī)。汽輪發(fā)電機(jī)組在調(diào)試啟動(dòng)階段執(zhí)行從100%負(fù)荷甩至空載試驗(yàn)（以下簡(jiǎn)稱甩空載試驗(yàn)），試驗(yàn)結(jié)束后機(jī)組再次并網(wǎng)瞬間發(fā)電機(jī)進(jìn)入逆功率工況，現(xiàn)場(chǎng)記錄曲線顯示逆功率時(shí)間持續(xù)不足1s，因持續(xù)時(shí)間短于逆功率保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，未實(shí)際觸發(fā)發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)。逆功率工況下，并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)將變成從電網(wǎng)吸收有功功率的同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，若發(fā)電機(jī)變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，則易造成汽輪機(jī)排汽溫度上升、末級(jí)葉片過(guò)熱導(dǎo)致葉片損傷等事故[1-2]。

1 試驗(yàn)控制邏輯及過(guò)程分析

1.1 甩空載及轉(zhuǎn)速控制分析

該核電廠汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行后總蒸汽需求量由負(fù)荷回路蒸汽需求量與轉(zhuǎn)速回路蒸汽需求量構(gòu)成，總體蒸汽需求量用于生成閥門開(kāi)度指令，控制閥門開(kāi)度。甩空載試驗(yàn)開(kāi)始后機(jī)組從電網(wǎng)解列，負(fù)荷回路蒸汽需求量按照設(shè)計(jì)方案設(shè)定為8%，此后汽輪機(jī)依靠轉(zhuǎn)速控制回路將轉(zhuǎn)速迅速穩(wěn)定至額定值附近[3]。經(jīng)分析轉(zhuǎn)速控制回路的總蒸汽需求量由三部分組成：空載部分對(duì)應(yīng)的蒸汽需求量，由汽輪機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速經(jīng)過(guò)函數(shù)折算生成，是汽輪機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的理論蒸汽需求量；比例部分對(duì)應(yīng)的蒸汽需求量，是對(duì)目標(biāo)轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差引入的比例修正；積分部分對(duì)應(yīng)的蒸汽需求量，是對(duì)目標(biāo)轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差引入的積分修正。甩空載試驗(yàn)開(kāi)始后轉(zhuǎn)速?gòu)念~定轉(zhuǎn)速迅速上升，此時(shí)目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速產(chǎn)生轉(zhuǎn)速偏差（XD），該轉(zhuǎn)速偏差通過(guò)比例、積分環(huán)節(jié)的作用來(lái)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速?？刂圃硪?jiàn)圖1。

1.2 并網(wǎng)帶初始負(fù)荷控制分析

汽輪發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)后控制系統(tǒng)將產(chǎn)生一個(gè)周期為1s的脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)0.5s的后延時(shí)用于并網(wǎng)初始負(fù)荷大小的選擇判斷。根據(jù)控制邏輯，在并網(wǎng)后1.5s系統(tǒng)將選擇并網(wǎng)所帶初始負(fù)荷，并網(wǎng)初始負(fù)荷=（轉(zhuǎn)速控制回路總蒸汽需求量-轉(zhuǎn)速回路空載蒸汽需求量）+5%。其中“轉(zhuǎn)速控制回路總蒸汽需求量-轉(zhuǎn)速回路空載蒸汽需求量”的值為并網(wǎng)前控制器最后一個(gè)掃描周期內(nèi)的值，該值在并網(wǎng)后第一個(gè)掃描周期內(nèi)被記憶并加上5%作為并網(wǎng)初始負(fù)荷?？刂圃硪?jiàn)圖2。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程分析

正常甩空載試驗(yàn)時(shí)，轉(zhuǎn)速回路總蒸汽需求量小于3.9%并且轉(zhuǎn)速大于1497rpm時(shí)會(huì)觸發(fā)back to nominal speed信號(hào)，將目標(biāo)負(fù)荷設(shè)定值以5%/min的速度向下調(diào)整，直到轉(zhuǎn)速回路蒸汽需求量大于4%或汽機(jī)轉(zhuǎn)速小于1497rpm停止，此時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)才達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。但是該電廠甩空載轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，轉(zhuǎn)速回路的蒸汽需求量為-2%，并未大于4%，也即甩空載后轉(zhuǎn)速調(diào)整并未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)該觸發(fā)back to nominal speed信號(hào)將負(fù)荷回路的蒸汽需求量從8%開(kāi)始降低，直至轉(zhuǎn)速回路的蒸汽需求量回調(diào)至4%。檢查試驗(yàn)記錄發(fā)現(xiàn)此次甩空載試驗(yàn)過(guò)程中back to nominal speed信號(hào)全程未觸發(fā)。100%負(fù)荷甩空載試驗(yàn)主要參數(shù)趨勢(shì)見(jiàn)圖3。

甩空載試驗(yàn)后轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)，轉(zhuǎn)速回路的蒸汽需求量約為-2.25%。根據(jù)該電廠汽機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制邏輯，機(jī)組并網(wǎng)后轉(zhuǎn)速回路頻率死區(qū)自動(dòng)投入，由于該電廠不參與一次調(diào)頻，頻率死區(qū)設(shè)置很大，所以并網(wǎng)后轉(zhuǎn)速回路頻差信號(hào)為0，比例部分的輸出也為0。并網(wǎng)瞬間，總的蒸汽需求量為負(fù)荷回路蒸汽需求量與轉(zhuǎn)速回路蒸汽需求量之和約為3%，而汽輪機(jī)維持1500rpm運(yùn)行需要的蒸汽需求量理論值為4%，實(shí)際進(jìn)汽量尚不足以維持汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組空轉(zhuǎn)，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)進(jìn)入逆功率工況。分析現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)記錄曲線發(fā)現(xiàn)并網(wǎng)瞬間高壓調(diào)節(jié)閥門的處于關(guān)閉狀態(tài)，此種情況下電功率測(cè)量顯示為48.5MW，該功率為逆功率工況下測(cè)得的有功功率值。并網(wǎng)1s后負(fù)荷回路的蒸汽需求量為并網(wǎng)初始負(fù)荷與負(fù)荷設(shè)定生效值之間取大，而此時(shí)負(fù)荷設(shè)定生效值仍為8%，此處的8%為甩孤島/甩空載信號(hào)觸發(fā)后目標(biāo)負(fù)荷自動(dòng)切換為8%時(shí)保留。此時(shí)，轉(zhuǎn)速回路的蒸汽需求量4%與負(fù)荷回路的蒸汽需求量8%共同作用使總蒸汽需求量變?yōu)?2%，高壓調(diào)門開(kāi)度變大，發(fā)電機(jī)功率也從逆功率狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎蜉敵?，機(jī)組恢復(fù)正常運(yùn)行。該核電廠汽輪發(fā)電機(jī)組甩空載后重新并網(wǎng)有關(guān)參數(shù)變化趨勢(shì)見(jiàn)圖4。

2 逆功率根本原因分析

甩空載30s后轉(zhuǎn)速回路蒸汽需求量小于3.9%并且轉(zhuǎn)速大于1497rpm時(shí)會(huì)觸發(fā)back to nominal speed信號(hào)。甩空載信號(hào)觸發(fā)后30s時(shí)，由于轉(zhuǎn)速回路積分部分的蒸汽需求量貢獻(xiàn)值仍然為3%，轉(zhuǎn)速回路中空載部分對(duì)蒸汽需求量的貢獻(xiàn)為4%，這兩項(xiàng)對(duì)轉(zhuǎn)速回路總蒸汽需求量的貢獻(xiàn)值為固定的7%，所以此時(shí)通過(guò)轉(zhuǎn)速回路蒸汽需求量來(lái)判斷back to nominal speed是否觸發(fā)取決于比例部分的值。分析該核電廠甩空載時(shí)的趨勢(shì)數(shù)據(jù)可知在甩空載信號(hào)觸發(fā)30s之后，轉(zhuǎn)速回路中比例部分的調(diào)節(jié)仍未穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速仍處于振蕩調(diào)節(jié)的過(guò)程中，所以此時(shí)轉(zhuǎn)速回路的蒸汽需求量值也處于振蕩變化之中。如圖3所示，30s時(shí)轉(zhuǎn)速回路中比例部分處于振蕩過(guò)程中的峰值約為-0.05%，轉(zhuǎn)速回路蒸汽需求量的值為6.46%，已經(jīng)大于3.9%，導(dǎo)致back to nominal speed信號(hào)沒(méi)有觸發(fā)。甩孤島/甩空載信號(hào)觸發(fā)后30s時(shí)，轉(zhuǎn)速回路中的比例部分仍然在波動(dòng)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速回路總蒸汽需求量隨之波動(dòng)，因此，在這種工況下back to nominal speed能否準(zhǔn)確觸發(fā)存在不確定性。

結(jié)合以上分析，該核電廠出現(xiàn)甩空載后再次并網(wǎng)導(dǎo)致逆功率的直接原因已經(jīng)明確，即，甩空載后用于將轉(zhuǎn)速回路調(diào)節(jié)至穩(wěn)定狀態(tài)的信號(hào)back to nominal speed沒(méi)有觸發(fā)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速回路的蒸汽需求量穩(wěn)定在一個(gè)較小的值上，再次并網(wǎng)時(shí)該值參與并網(wǎng)最小負(fù)荷計(jì)算時(shí)導(dǎo)致最小負(fù)荷偏低，總蒸汽需求量無(wú)法向電網(wǎng)輸出一個(gè)正向的電功率并導(dǎo)致發(fā)電機(jī)逆功率。該核電廠甩空載試驗(yàn)后重新并網(wǎng)過(guò)程中出現(xiàn)短暫逆功率的根本原因是調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)置的用于表決back to nominal speed信號(hào)觸發(fā)的30s延時(shí)時(shí)間過(guò)短，機(jī)組在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)尚未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的情況下重新并網(wǎng)進(jìn)而導(dǎo)致了逆功率問(wèn)題的發(fā)生。

3 問(wèn)題處理

根據(jù)逆功率根本原因分析結(jié)果，并基于機(jī)組試驗(yàn)過(guò)程分析，制定了把甩空載后觸發(fā)back to nominal speed信號(hào)延時(shí)時(shí)間由30s改為45s的處理方案。該方案已在后續(xù)3臺(tái)同型號(hào)汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了實(shí)施和驗(yàn)證，后續(xù)機(jī)組未重發(fā)本文所介紹的發(fā)電機(jī)逆功率問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析該核電廠汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速及并網(wǎng)控制邏輯，并對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行了全面分析，得出了發(fā)電機(jī)逆功率的根本原因分析是由調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)置的用于表決back to nominal speed信號(hào)觸發(fā)的30s延時(shí)時(shí)間過(guò)短，機(jī)組在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)尚未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的情況下重新并網(wǎng)所致。文中給出了經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的有效處理方案，對(duì)使用同型號(hào)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的核電廠調(diào)試工作有較大借鑒意義。

【參考文獻(xiàn)】

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