核電汽輪發(fā)電機組出力提升研究

福建福清核電有限公司 蔡紅偉

本文研究方向為百萬千瓦級壓水堆核電機組，采用ArabelleTM 1000MW 級大型汽輪機，汽輪機控制系統(tǒng)采用ALSTOM公司的P320 V2+控制系統(tǒng)，汽輪機主調(diào)閥的比例閥為KHDG5V、伺服卡為EEAPaM581D32。機組運行以來經(jīng)歷多次調(diào)峰、調(diào)停及大修工作，在相同海水溫度情況下，機組在夏季工況下出現(xiàn)機組出力能力不足且成下降趨勢。

根據(jù)機組運行數(shù)據(jù)分析：同等調(diào)閥開度下主蒸汽體積流量基本不變，蒸發(fā)器出口壓力降低，調(diào)閥前壓力降低，比容降低，導致流量降低。同等熱負荷下對應的調(diào)閥開度要增加；熱效率分析，機組熱功率支持增大調(diào)閥開度而提高電功率；發(fā)電機的功率受制于調(diào)閥的開度限制，機組功率無法進一步提升（機組調(diào)節(jié)閥的開度限值為64%。根據(jù)閥門流量曲線，蒸汽流量限制值為105%、對應閥門開度為64%）。提高機組出力從以下兩方面來進行研究：高壓調(diào)閥流量曲線優(yōu)化；增大調(diào)閥開度限值。

1 閥門流量曲線優(yōu)化

在汽輪機控制系統(tǒng)中，閥門流量特性曲線是指蒸汽流量需求指令與閥門開度的特定函數(shù)曲線。閥門設(shè)計流量曲線是由汽輪機制造廠在通過理論計算及仿真而獲得。但在實際運行中，由于閥門的裝配、閥門的冷熱膨脹及長時間運行對閥體的沖刷等都會對閥門的實際流量與開度的對應關(guān)系造成影響。通過現(xiàn)場的調(diào)試將閥門流量曲線與實際流量特性盡可能做成一致。在機組運行過程中如出現(xiàn)曲線偏離實際情況，可以根據(jù)機組運行情況進行適當?shù)男薷?，從而改善汽輪機控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)，實現(xiàn)機組的穩(wěn)定、安全運行。

為使閥門流量特性曲線與閥門實際特性相符，在機組運行時，功率穩(wěn)定在不同功率平臺，建立閥門開度與功率的對應關(guān)系，依次來調(diào)整閥門流量曲線，以使在不同功率平臺蒸汽需求值與功率設(shè)定值盡可能保持一致，功率控制原理見圖1。

圖1 功率控制原理圖

初始條件：機組并網(wǎng)帶負荷，負荷回路閉環(huán)投入，二回路及其輔助系統(tǒng)正常疏水投入。閥門原始流量曲線見圖2所示。實施方法：在機組帶負荷的過程中，觀察蒸汽流量需求值與功率設(shè)定值變化，在機組穩(wěn)態(tài)時，調(diào)整高壓閥門流量曲線使GRE414KM和GRE416KM 相近，不大于2%。

圖2 優(yōu)化前閥門流量曲線

圖3 優(yōu)化后閥門流量曲線

優(yōu)化前，閥門開度在72%（蒸汽流量指令104）以后即開始進入陡增區(qū)域（斜率28），此時指令每變化1%閥門動作28%，控制上極易出現(xiàn)振蕩，特別是在夏季工況，由于機組效率下降，主調(diào)節(jié)閥開度將開啟到陡變區(qū)域；優(yōu)化后，閥門開度流量曲線與實際曲線一致性較好，不同季節(jié)偏差均小于2%，改善了汽輪機調(diào)機系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，增加了對一次調(diào)頻和機組其他瞬態(tài)工況的應對能力。

2 增大主調(diào)閥限值

在一回路熱功率允許情況下，調(diào)閥開度限值調(diào)整后有其優(yōu)點。在夏季工況下，調(diào)閥開度較大，例如63%左右，如果機組出現(xiàn)一個調(diào)門或者截止閥故障關(guān)閉情況下，根據(jù)邏輯關(guān)系其他三組調(diào)閥快速開啟來補償。但是受制于限值作用則不能響應，自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)無法快速消除偏差。

2.1 限幅修改實施方法

根據(jù)圖1，汽機蒸汽需求量經(jīng)調(diào)閥流量-開度函數(shù)曲線F(x)整定，最終生成調(diào)閥開度控制信號，其中UL 為即為流量指令上限閾值，對應的調(diào)閥開度即為開度限值。修改流量指令上限后，需注意以下方面對機組運行的影響：閥門可能進入開度-流量曲線的陡變區(qū)，振動增大；反應堆一回路熱功率、核功率超功率風險。

2.2 閥門流量曲線優(yōu)化后問題

通過基于機組運行工況進行的調(diào)門流量曲線優(yōu)化，改善了調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制，但由于原修改邏輯中蒸汽流量指令上限的閾值105%（圖1中UL 值），而根據(jù)原來的曲線，105%對應調(diào)閥開度100%，優(yōu)化修改后的105%則對應于調(diào)閥開度的64%（而100%開度對應的蒸汽流量上限閾值為107%）。根據(jù)原有設(shè)計流量曲線，設(shè)置105%閾值相當于未對閥門開度進行限制，此種設(shè)計從實踐經(jīng)驗看是不合理的，因為在開度進入陡變區(qū)則會產(chǎn)生振動高或者壓力脈沖等效應，且閥門在大于70%開度后對流量的貢獻很小，不利于機組的安全，設(shè)置合理的蒸汽流量指令閾值是有必要的。

電廠優(yōu)化后主調(diào)閥的流量曲線在70%以下斜率較為平滑未出現(xiàn)陡變，70%開度以上隨著蒸汽流量增加，則開度突然增加較大幅度進入陡變區(qū)。在夏季機組的發(fā)電機主要受制于調(diào)閥開度64%的限制無法提升電功率，而此時一回路熱功率仍有較大裕量，這給增大主調(diào)閥限值提供了可支持性。

調(diào)節(jié)閥油壓脈沖風險。若蒸汽流量限值由105%修改為106%后，調(diào)節(jié)閥的開度限值由64%變?yōu)榱?0%，在64～70%開度之間閥門曲線將從1：4的斜率區(qū)間進入1：8的斜率區(qū)間。蒸汽流量單位變化引起的開度變化相比于64%開度之前增加一倍。若產(chǎn)生閥門的頻繁波動超調(diào)現(xiàn)象，則油壓脈沖將會增大，GFR 供油回路上的軟管可能因油壓脈沖波動頻繁導致油管疲勞破損或者脈沖超過油管設(shè)計壓力。因此可根據(jù)油動機結(jié)構(gòu)，加裝壓力測點進行監(jiān)測油壓脈沖波動幅值，匹配對應的金屬軟管。

一回路超功率風險。蒸汽需求量SD 是動態(tài)值，根據(jù)機組實際運行參數(shù)等與目標負荷參數(shù)進行偏差計算，用于調(diào)節(jié)主調(diào)節(jié)閥開度，可有效防止堆芯超功率。

3 調(diào)閥限幅調(diào)整后驗證

主調(diào)閥限值提升后閥門開度變化情況。機組實施汽機調(diào)閥開度限值變更后，在5月份的同參數(shù)相比（海水溫度為25～26℃左右）時閥門開度變化正常，且已超過64%的歷史開度限值，機組出力至少提高約4MW，隨著海水溫度升高，調(diào)閥開度逐步達到70%開度，提升電功率10MW，閥門開度變化滿足預期。

主調(diào)閥開度大于64%后油腔壓力變化情況。對比“已完成主調(diào)閥開度限值修改的機組油動機油壓狀態(tài)”和“尚未完成修改的機組”可發(fā)現(xiàn)，在已完成修改機組1088MW、主調(diào)閥開度67%狀態(tài)下，油壓波動周期約8s，上下峰值持續(xù)時間均約3s，波動幅度各油動機略有不同，均約在0.3MPa 左右；尚未修改機組在1087MW、63%～64%主調(diào)閥開度下，油壓波動周期也為8s，上下峰值持續(xù)時間均約3s，波動幅度均約在0.3MPa 左右；兩臺機組油壓波動從周期、峰值、峰值持續(xù)時間基本一致，無明顯的差異，主調(diào)閥開度限值提升對油壓穩(wěn)定的周期性波動無影響。

主調(diào)閥開度限值提升后，二回路水、汽參數(shù)變化情況。機組出力情況較上一年相同工況下已有較大程度改變，相同24.53℃海水下最高提升約8MWe出力。主給水溫度、調(diào)閥前壓力基本保持不變，綜合調(diào)閥開度限值變更及大修期間的蒸汽發(fā)生器性能提升相關(guān)工作的實施，主給水流量較去年相同工況明顯提升，整體流量在設(shè)計及設(shè)備允許范圍內(nèi)。機組主調(diào)閥開度限值變更后機組二回路主要汽水參數(shù)均處于正常狀態(tài)，機組出力提升效果明顯。

綜上，在核電汽輪發(fā)電機組在一回路效率有裕度的情況下，通過分析與驗證，對汽輪機調(diào)閥開度與蒸汽流量曲線進行優(yōu)化和修改蒸汽流量限值，可有效增加調(diào)節(jié)閥進氣流量，提高電廠的發(fā)電能力。