基于大數(shù)據(jù)分析優(yōu)化冷源提升核電機組出力

王紅福，楊志剛，徐艷鳳，劉明利

（山東核電有限公司，山東 海陽 265116）

0 引言

某核電機組循環(huán)水系統(tǒng)采用海水作為冷源，水源取自黃海表層水。根據(jù)汽輪機組制造廠熱平衡圖，設計取全年平均海水溫度為16℃，此溫度下機組保持額定出力。統(tǒng)計2020年夏季工況（5—10月）循環(huán)水取水口表層海水日平均溫度為16～28℃，夏季平均海水溫度為22℃，日平均海水溫度高于設計值16℃。隨著夏季工況的來臨，海水溫度逐漸升高，凝汽器冷卻能力下降，機組出力逐漸下降。

大數(shù)據(jù)技術已應用于公共安全、人工智能、工業(yè)生產的狀態(tài)評估和監(jiān)控等領域［1-2］。本文基于冷源的變化特性，運用大數(shù)據(jù)分析技術，分析機組出力的影響因素，建立數(shù)學模型，指導設備的優(yōu)化經濟運行，從而提高機組的可靠性和可利用率，達到提升上網電量、增加發(fā)電效益的目的。

1 夏季工況機組出力預測模型建立

某核電機組采用“堆跟機”模式，即通過調整發(fā)電機出口電功率來影響核島熱功率變化。夏季工況下發(fā)電機組出力隨著海水溫度的升高而逐漸降低，如果發(fā)電機組出力設置值過高，會導致反應堆熱功率超過限值。反之，發(fā)電機組出力設置值過低，則會導致機組出力不足，效益降低［3］。本文采用大數(shù)據(jù)分析方法，建立夏季工況機組出力預測模型，作為機組出力目標值的參考。

某核電1、2號機組型號為AP1000，熱力系統(tǒng)主要由反應堆、蒸汽發(fā)生器、汽輪發(fā)電機組及其相關設備、凝汽器、高低壓加熱器、除氧器、汽水分離再熱器、管道等組成。夏季工況下機組滿功率正常運行期間，熱力系統(tǒng)穩(wěn)定運行，機組出力的主要影響因素包括海水溫度、核島熱功率、循環(huán)水泵運行臺數(shù)等。采用控制變量法分別研究以上各因素對機組出力的影響，建立夏季工況下出力預測數(shù)學模型［4-5］。

根據(jù)汽輪機廠家提供的機組出力與核島熱功率的修正曲線，將機組出力修正到100%核島熱功率，從而得到100%核島熱功率下機組出力隨海水溫度的變化曲線。2臺循環(huán)水泵和3臺循環(huán)水泵運行時，修正到100%核島熱功率下機組出力隨海水溫度的變化曲線分別如圖1（a）（b）所示，圖中的擬合曲線為機組出力的理論最大值。

圖1 修正到100%核島熱功率下機組出力隨海水溫度的變化曲線

通過圖1中的公式及核島熱功率修正曲線，可得到機組出力隨海水溫度、核島熱功率、循環(huán)水泵數(shù)量變化的計算公式，如表1所示。

表1 機組出力預測模型計算公式

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，夏季工況下1號機組核島熱功率均值為99.80%，2號機組核島熱功率均值為99.75%。將核島熱功率平均值帶入表1中的公式，可得兩臺機組夏季工況下機組出力隨海水溫度變化的平均值，該公式可作為機組日常出力的參考值。同時將實際最大核島熱功率及100%核島熱功率帶入表1中的公式，可得到夏季工況下機組出力隨海水溫度變化的實際最大值以及理論最大值，這兩個值即為機組出力的目標值。具體公式如表2所示。

表2 機組出力預測模型預測值

為驗證出力預測模型的準確性，對比平均核島熱功率下機組出力預測模型預測值與機組實際值的偏差，具體情況如表3所示。由表3可見，機組出力預測模型精度較高，預測值與實際值偏差較小，可用于預測機組出力隨海水溫度的變化，減少出力不足的情況。

表3 機組出力預測模型預測值與實際值偏差

2 第三臺循環(huán)水泵啟停預測模型建立

機組循環(huán)水泵運行模式分為冷季模式和熱季模式，設計文件指出冷季為每年的12月至次年的3月，其余月份均為熱季。機組滿負荷運行時，冷季兩臺循環(huán)水泵運行，熱季三臺循環(huán)水泵運行。冷、熱季運行模式的切換條件按“月份+水溫”，判定原則為：當進入12月份，凝汽器入口海水的日平均溫度連續(xù)5天達到約8℃時，循環(huán)水泵運行從熱季模式切換至冷季模式；當進入4月份，凝汽器入口海水的日平均溫度連續(xù)5天達到約12℃時，循環(huán)水泵運行從冷季模式切換至熱季模式。

近年來，兩臺機組第三臺循環(huán)水泵的啟停時間點控制不夠準確，且兩臺機組的啟動時間和停運時間各不一致。第三臺循環(huán)水泵并入運行時間過早，或者停運過晚都會造成機組上網電量的減少。因此需要對第三臺循環(huán)水泵的啟停時間進行分析研究，確定其最佳啟停時間，實現(xiàn)機組上網電量的最大化，提高電廠的經濟性。

利用電站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，導出機組及循環(huán)水泵運行相關數(shù)據(jù)，并采用大數(shù)據(jù)分析得出上網電量的主要影響因素。由于影響夏季機組出力不足的最主要因素為循環(huán)水水溫的變化，本文分別研究兩臺循環(huán)水泵和三臺循環(huán)水泵運行時海水溫度與機組上網電量的關系。理論上，在最佳切換點啟動第三臺循環(huán)水泵，啟動前、后機組上網電量不變。分別擬合兩種工況下，機組上網電量與海水溫度的關系曲線，兩條曲線的交點即為最佳切換點，如圖2所示。由此可見某核電機組對應的循環(huán)水（海水）溫度為17.50℃時，啟停第三臺循環(huán)水泵（下圖中簡稱“循泵”）能夠實現(xiàn)上網電量的最優(yōu)化。

圖2 兩臺循環(huán)水泵與三臺循環(huán)水泵運行時上網電量隨海水溫度的變化曲線

同樣可根據(jù)機組出力建立第三臺循環(huán)水泵啟停預測模型。根據(jù)2020年循環(huán)水泵運行數(shù)據(jù)可知，兩臺循環(huán)水泵消耗的廠用電約為5.4 MW，三臺循環(huán)水泵消耗的廠用電約為9.3 MW。若海水溫度過低時啟動第三臺循環(huán)水泵，會使機組多發(fā)的電量小于啟動第三臺循環(huán)水泵多消耗的電量，反而會使上網電量減少。兩臺循環(huán)水泵與三臺循環(huán)水泵運行時機組出力隨海水溫度的變化曲線如圖3所示。由圖3可見，海水溫度為17.5℃左右時啟停第三臺循環(huán)水泵，機組三臺循環(huán)水泵運行比兩臺循環(huán)水泵運行多發(fā)4 MW左右的電功率，正好等于啟動第三臺循環(huán)水泵多消耗的電功率，上網電量基本保持不變，整體收益最大。

圖3 兩臺循環(huán)水泵與三臺循環(huán)水泵運行時機組出力隨海水溫度的變化曲線

3 結論

本文采用大數(shù)據(jù)分析了海水溫度、核島熱功率、循環(huán)水泵運行臺數(shù)等因素對機組出力的影響。運用數(shù)值計算方式建立數(shù)學模型，從而優(yōu)化冷源，提升核電機組出力和上網電量，增加電廠效益。

1）建立機組出力預測模型，給出了平均核島熱功率、實際最大核島熱功率、100%核島熱功率下機組出力的變化公式。其中平均核島熱功率下機組出力可作為日常機組出力的參考值，實際最大核島熱功率和100%核島熱功率可作為目標值。

2）建立第三臺循環(huán)水泵啟停預測模型，確定其最佳啟停時間，可提升上網電量，增加電廠效益。