高溫氣冷堆核電機(jī)組一次調(diào)頻控制策略研究

蔡寶玲，馬曉瓏，孟 強(qiáng)，王鵬飛，董 哲

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.華能石島灣核電廠，山東 榮成 264312； 3.西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710049； 4.清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院，北京 115003）

隨著國內(nèi)核電機(jī)組發(fā)電占比的增加，為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)穩(wěn)定安全運(yùn)行，核電機(jī)組也需參與一次調(diào)頻。相較于火電機(jī)組，對核電機(jī)組一次調(diào)頻的研究較少。目前不同核電機(jī)組的一次調(diào)頻功能和參數(shù)設(shè)置有明顯區(qū)別，且各電網(wǎng)對核電機(jī)組一次調(diào)頻的要求不統(tǒng)一，作為首臺商業(yè)運(yùn)行的高溫氣冷堆核電機(jī)組，華能高溫氣冷堆核電站示范工程（HTR-PM）一次調(diào)頻功能的研究也提上日程[1-7]。

1 高溫氣冷堆核電機(jī)組概述

HTR-PM采用2個核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)（nuclear steam supply system，NSSS）模塊驅(qū)動1臺汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電的結(jié)構(gòu)形式。核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)NSSS由1座球床式高溫氣冷反應(yīng)堆和1臺直流蒸汽發(fā)生器（once-through steam generator, OTSG）、主氦風(fēng)機(jī)和氦氣導(dǎo)管等設(shè)備構(gòu)成（圖1）。HTR-PM二回路包括主給水系統(tǒng)、大氣釋放系統(tǒng)和汽輪機(jī)及其輔助系統(tǒng)等。

圖1 高溫氣冷堆一回路結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural diagram of the high temperature gas cooled reactor primary circuit

該汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的額定功率為211 MW、全速、單軸、雙缸雙排汽、無中間再熱凝汽式核電汽輪機(jī)，主蒸汽管道采用“2-1-2”布置方式。設(shè)置2套一級大旁路系統(tǒng)，每套通流能力為100%單堆額定熱功率時的蒸汽流量。2座反應(yīng)堆各設(shè)置獨(dú)立的啟停堆系統(tǒng)，啟停堆系統(tǒng)的作用是在機(jī)組啟停過程中，實(shí)現(xiàn)核島蒸汽發(fā)生器出口蒸汽參數(shù)與汽輪機(jī)進(jìn)口蒸汽參數(shù)的匹配。

HTR-PM反應(yīng)堆尚處于工程試驗(yàn)階段，高溫氣冷堆機(jī)組設(shè)計(jì)采用“設(shè)定負(fù)荷”運(yùn)行方式，不執(zhí)行負(fù)荷的自動跟蹤，即采用“機(jī)跟堆”運(yùn)行方式。操作員根據(jù)電網(wǎng)需求設(shè)定目標(biāo)負(fù)荷，反應(yīng)堆實(shí)現(xiàn)功率控制，并網(wǎng)后汽輪機(jī)側(cè)維持蒸發(fā)器出口蒸汽壓力13.9 MPa。核島分散控制系統(tǒng)（DCS）與汽輪機(jī)數(shù)字電液（DEH）控制系統(tǒng)采用一體化方案，常規(guī)島控制系統(tǒng)還包括除氧器水位控制、凝汽器壓力控制等輔助控制系統(tǒng)。全廠功率控制與調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過協(xié)調(diào)熱氦溫度控制系統(tǒng)、核功率控制系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生器（steam generator，SG）出口蒸汽溫度控制系統(tǒng)、氦氣流量控制系統(tǒng)、輸出熱功率控制系統(tǒng)、給水流量控制系統(tǒng)、旁路控制系統(tǒng)及汽輪機(jī)控制系統(tǒng)，使HTR-PM機(jī)組能夠穩(wěn)定運(yùn)行于設(shè)定的功率水平并及時響應(yīng)負(fù)荷波動。

2 高溫氣冷堆核電機(jī)組控制方案

2.1 全廠功率控制與調(diào)節(jié)系統(tǒng)

全廠功率控制與調(diào)節(jié)系統(tǒng)的被調(diào)量、操作變量和執(zhí)行機(jī)構(gòu)對應(yīng)關(guān)系見表1，全廠功率控制與調(diào)節(jié)系統(tǒng)各子系統(tǒng)輸入/輸出量見表2。其中，核功率給定值、氦氣流量給定值和給水流量給定值根據(jù)操作員設(shè)定功率值經(jīng)對應(yīng)函數(shù)計(jì)算得出，相應(yīng)控制回路投自動時產(chǎn)生其修正量。

表1 被調(diào)量、操作變量和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系Tab.1 Correspondence between the controlled variables, operational variables and actuators

表2 全廠功率控制與調(diào)節(jié)系統(tǒng)各子系統(tǒng)輸入/輸出量Tab.2 Input/output for each subsystem of the whole power plant power control and regulation system

反應(yīng)堆串級控制回路由反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)和熱氦溫度控制系統(tǒng)構(gòu)成。蒸發(fā)器出口蒸汽溫度控制系統(tǒng)與氦氣流量控制系統(tǒng)組成蒸汽發(fā)生器串級控制回路。反應(yīng)堆輸出熱功率控制系統(tǒng)與蒸汽發(fā)生器給水流量控制系統(tǒng)組成NSSS輸出熱功率串級控制回路，其中反應(yīng)堆輸出熱功率控制系統(tǒng)作為該串級控制回路的主回路，給水流量控制系統(tǒng)作為該串級控制回路的副回路。

2.2 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速功率控制系統(tǒng)

HTR-PM“機(jī)跟堆”運(yùn)行模式汽輪機(jī)控制原理如圖2所示。汽輪機(jī)前主蒸汽壓力與蒸發(fā)器出口蒸汽壓力設(shè)計(jì)壓損為0.5MPa，由圖2可見，主蒸汽調(diào)節(jié)閥用于保證汽輪機(jī)前主蒸汽壓力（蒸發(fā)器出口蒸汽壓力）穩(wěn)定。HTR-PM機(jī)組負(fù)荷設(shè)定值為1號和2號堆目標(biāo)負(fù)荷值之和，當(dāng)反應(yīng)堆快速減負(fù)荷（RB）發(fā)生時即為RB目標(biāo)負(fù)荷值。主蒸汽壓力控制器的前饋輸入由通過機(jī)組負(fù)荷設(shè)定值—主蒸汽調(diào)節(jié)閥特性函數(shù)計(jì)算得出，當(dāng)緊急停堆或給水泵跳閘等RB情況發(fā)生時，通過快速減小主蒸汽調(diào)節(jié)閥開度來保證主蒸汽壓力的穩(wěn)定。

圖2 HTR-PM“機(jī)跟堆”運(yùn)行模式汽機(jī)控制原理Fig.2 Control principle of steam turbine of the HTR-PM in "steam turbine following nuclear reactor" operation mode

2.3 蒸汽旁路與排放控制系統(tǒng)

HTR-PM 機(jī)組RB工況包括：當(dāng)發(fā)生單座反應(yīng)堆緊急停堆或單臺給水泵緊急跳閘時，DEH控制系統(tǒng)采取汽輪機(jī)甩負(fù)荷實(shí)現(xiàn)“停堆不停機(jī)”功能；當(dāng)發(fā)生2座反應(yīng)堆均停堆時，汽輪機(jī)緊急停機(jī)；當(dāng)發(fā)生汽輪機(jī)跳閘或外電網(wǎng)跳閘工況時，通過設(shè)置反應(yīng)堆降功率速度使2座反應(yīng)堆緊急降功率至50%RFP（reactor full power，RFP），實(shí)現(xiàn)“停機(jī)不停堆”功能。HTR-PM機(jī)組在發(fā)生RB工況時，蒸汽旁路與大氣釋放系統(tǒng)直接向凝汽器和大氣排放蒸汽。蒸汽旁路與大氣釋放系統(tǒng)由2個部分組成：

1）蒸汽旁路控制系統(tǒng) 向凝汽器排放蒸汽；在HTR-PM機(jī)組穩(wěn)定負(fù)荷運(yùn)行時，其壓力設(shè)定值為主蒸汽壓力設(shè)定值基礎(chǔ)上增加0.5 MPa，50%PFP以上穩(wěn)定運(yùn)行工況旁路處于關(guān)閉狀態(tài)，在啟停堆系統(tǒng)運(yùn)行期間則隨啟停堆系統(tǒng)運(yùn)行工況而變化。HTR-PM“機(jī)跟堆”運(yùn)行模式蒸汽旁路控制系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 蒸汽旁路控制系統(tǒng)原理Fig.3 Working principle of the steam bypass control system

2）大氣釋放控制系統(tǒng) 當(dāng)二回路發(fā)生超壓保護(hù)時，大氣釋放系統(tǒng)直接向大氣排放蒸汽，超壓保護(hù)參數(shù)設(shè)置見表3。

表3 超壓保護(hù)參數(shù)設(shè)置Tab.3 Settings of the overpressure protection parameters

當(dāng)2個NSSS模塊處于自動調(diào)節(jié)方式，且均在50%～100% RFP范圍內(nèi)運(yùn)行。全廠功率控制與調(diào)節(jié)系統(tǒng)保證HTR-PM機(jī)組適應(yīng)正常運(yùn)行暫態(tài)而不引起反應(yīng)堆停堆、一回路或二回路的安全閥動作以及向冷凝器或大氣排放蒸汽。

3 HTR-PM機(jī)組一次調(diào)頻控制策略

由于HTR-PM機(jī)組采用“機(jī)跟堆”運(yùn)行方式，即主蒸汽調(diào)節(jié)閥用于保證主蒸汽壓力（SG出口蒸汽壓力）穩(wěn)定，一次調(diào)頻功能投用對HTR-PM機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行有一定干擾，一次調(diào)頻方案需要考慮核安全。因此，在滿足一次調(diào)頻基本功能的前提下需要設(shè)置有效功率范圍、手動投入/切除、頻率控制死區(qū)和最大調(diào)節(jié)負(fù)荷限制等功能。

在HTR-PM機(jī)組低功率運(yùn)行期間，由于需要進(jìn)行蒸汽發(fā)生器主給水旁路閥切換到給水泵轉(zhuǎn)速控制的操作，同時考慮到汽水過臨界區(qū)參數(shù)波動等因素影響，若此階段一次調(diào)頻生效，如蒸汽發(fā)生器給水流量波動過大，則可能觸發(fā)反應(yīng)堆氦水比失調(diào)保護(hù)動作。當(dāng)HTR-PM機(jī)組滿負(fù)荷工況運(yùn)行時，若電網(wǎng)頻率降低，一次調(diào)頻動作將使高溫氣冷堆核功率繼續(xù)增加，堆芯超出功率限值運(yùn)行將增加反應(yīng)堆的不安全性。因此，HTR-PM機(jī)組的一次調(diào)頻應(yīng)設(shè)計(jì)有效功率調(diào)節(jié)范圍，可考慮電功率在30%～90%范圍內(nèi)允許投一次調(diào)頻功能，且當(dāng)?shù)陀?0%電功率時閉鎖向下調(diào)節(jié)，當(dāng)100%電功率時閉鎖向上調(diào)節(jié)。

設(shè)置一次調(diào)頻的手動投入/切除功能，在一些不適合進(jìn)行一次調(diào)頻的工況，如首次啟動后試驗(yàn)階段，需要人為切除一次調(diào)頻功能。

為避免電網(wǎng)頻率較小范圍波動時汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥及控制棒頻繁動作，設(shè)置頻率控制死區(qū)功能。目的是消除因轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定（由于測量系統(tǒng)的精度不夠引起的測 量誤差）等因素引起的機(jī)組負(fù)荷波動及調(diào)節(jié)系統(tǒng)晃動。頻率控制死區(qū)設(shè)置應(yīng)確保避開電網(wǎng)頻率的正常波動。

HTR-PM機(jī)組的功率變化設(shè)計(jì)為：負(fù)荷階躍變化不超出±2.5% PFP機(jī)組額定功率范圍，負(fù)荷線性變化速率不超出±2.5% PFP/min范圍，一次調(diào)頻也應(yīng)遵守此設(shè)計(jì)要求。調(diào)差參數(shù)取決于能夠滿足的最大功率變化的速率，目的是為了避免一次調(diào)頻動作幅度或速率過快導(dǎo)致HTR-PM機(jī)組偏離正常狀態(tài)運(yùn)行，影響核安全。

考慮高溫堆氣冷核電機(jī)組運(yùn)行安全的需求，若電網(wǎng)內(nèi)非核電機(jī)組的調(diào)頻能力充足，應(yīng)適當(dāng)放寬高溫堆氣冷核電機(jī)組的一次調(diào)頻死區(qū)。暫定轉(zhuǎn)速死區(qū)為±2 r/min（0.033 Hz），轉(zhuǎn)速不等率為5%。一次調(diào)頻計(jì)算公式為：

式中：ΔPf為一次調(diào)頻量；K為調(diào)頻系數(shù)，%/(r·min-1)；Δf為頻差信號。因此，對應(yīng)變化1 r/min轉(zhuǎn)速差的一次調(diào)頻量為1.3 MW/(r·min-1)。

將一次調(diào)頻補(bǔ)償量換算為高壓調(diào)節(jié)閥的總閥位修正量，并疊加在總閥位指令上。當(dāng)未超過壓力波動允許范圍時，閉鎖DEH壓控回路的反向調(diào)節(jié)；超過壓力波動允許范圍時，自動釋放閉鎖，閉鎖闕值為蒸發(fā)器出口蒸汽壓力與設(shè)定值的偏差不大于±0.5 MPa。

一次調(diào)頻的投入限定在2個反應(yīng)堆功率偏差不超過10%運(yùn)行工況，同時把一次調(diào)頻補(bǔ)償量換算成給水流量給定值的修正量，由于2個NSSS模塊堆芯有一定的熱容量，增加或減少給水流量即增加或減少輸出熱功率，以實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)DEH控制系統(tǒng)快速跟蹤電網(wǎng)頻率，改變汽輪機(jī)輸出功率，同時通過全廠功率控制與調(diào)節(jié)系統(tǒng)使反應(yīng)堆功率相應(yīng)變化，最終穩(wěn)定一次調(diào)頻效果[8-11]。

4 HTR-PM核電機(jī)組實(shí)時動態(tài)模型

采用算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級計(jì)算語言和交互式環(huán)境數(shù)學(xué)軟件，基于高溫氣冷堆核電機(jī)組工藝系統(tǒng)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，開發(fā)HTR-PM核電機(jī)組全范圍實(shí)時動態(tài)仿真數(shù)學(xué)模型，如圖4所示。

圖4 高溫氣冷堆核電機(jī)組仿真模型框圖Fig.4 Block diagram of simulation model of the high temperature gas cooled reactor nuclear power unit

該仿真模型包含以下模塊：

1）一回路系統(tǒng)模型 包括堆芯、主氦風(fēng)機(jī)、控制棒系統(tǒng)、吸收球停堆系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生器和冷/熱管段等模塊。

2）二回路系統(tǒng)模型 包括蒸汽發(fā)生器、主蒸汽系統(tǒng)、汽輪機(jī)本體、凝汽器、低壓給水加熱系統(tǒng)、除氧器系統(tǒng)和高壓給水加熱系統(tǒng)等模塊。

3）控制系統(tǒng)模型 包括全廠功率協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速功率控制系統(tǒng)、蒸汽旁路與排放控制系統(tǒng)及主要輔助控制系統(tǒng)等[12-13]。

5 一次調(diào)頻仿真試驗(yàn)

基于開發(fā)的全范圍HTR-PM機(jī)組實(shí)時動態(tài)仿真模型，對電網(wǎng)頻率發(fā)生突變時HTR-PM機(jī)組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻過程進(jìn)行動態(tài)仿真試驗(yàn)，分析一次調(diào)頻過程機(jī)組的動態(tài)響應(yīng)特性。

仿真假設(shè)在孤立電網(wǎng)下運(yùn)行，二次調(diào)頻不起作用，初始運(yùn)行工況為高溫氣冷堆核電機(jī)組75%PFP工況運(yùn)行。仿真假設(shè)1號、2號反應(yīng)堆同時動作，其反應(yīng)完全相同，僅以1號反應(yīng)堆為例進(jìn)行介紹。

1）電網(wǎng)頻率發(fā)生-0.19 Hz階躍擾動 當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生-0.19 Hz階躍擾動，HTR-PM機(jī)組參與一次調(diào)頻的動態(tài)仿真過程如圖5所示。

當(dāng)發(fā)生-0.19 Hz階躍擾動（圖5a)），即模擬機(jī)組發(fā)電負(fù)荷小于電網(wǎng)需求，由于一次調(diào)頻的作用總閥位快速增加（圖5b)），發(fā)電機(jī)功率隨汽輪機(jī)進(jìn)汽量的增加而增加（圖5c)）。

圖5 -0.19 Hz階躍擾動時的動態(tài)仿真過程Fig.5 Change of the No.1 reactor power with -0.19 Hz step disturbance

因一次調(diào)頻補(bǔ)償量換算為給水流量給定值修正量，給水流量亦快速增加（圖5e)）。因給水流量增加提高給水壓力，以及反應(yīng)堆的負(fù)反應(yīng)性，反應(yīng)堆功率亦增加（圖5f)）；同時使主蒸汽壓力增 加，這部分作用抵消了閥門開度增加對主蒸汽壓 力的影響，主蒸汽壓力先略增又略降最后趨于 13.24 MPa穩(wěn)態(tài)值，波動范圍+0.068～ -0.02 MPa （圖5d)），滿足運(yùn)行允許偏差±0.5 MPa的要求?；谌珡S功率協(xié)調(diào)控制及自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，HTR-PM機(jī)組瞬態(tài)過程趨于穩(wěn)定，頻率趨于恢復(fù)50 Hz，總閥位、汽輪機(jī)功率、核功率及給水流量均有所增加，達(dá)到新穩(wěn)態(tài)值運(yùn)行。

2）電網(wǎng)頻率發(fā)生+0.19 Hz階躍擾動 當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生+0.19 Hz階躍擾動，高溫氣冷堆核電機(jī)組參與一次調(diào)頻的動態(tài)仿真過程如圖6所示。

圖6 +0.19 Hz階躍擾動時的動態(tài)仿真過程Fig.6 Change of the No.1 reactor power with +0.19 Hz step disturbance

當(dāng)發(fā)生+0.19 Hz階躍擾動（圖6a)），即模擬機(jī)組發(fā)電負(fù)荷大于電網(wǎng)需求，由于一次調(diào)頻的作用總閥位指令快速減少（圖6b)），發(fā)電機(jī)功率隨汽輪機(jī)進(jìn)汽量的減少而減少（圖6c)）。因一次調(diào)頻補(bǔ)償量換算成給水流量給定值的修正量，給水流量亦快速減少（圖5e)），由于給水流量減少降低給水壓力及反應(yīng)堆的負(fù)反應(yīng)性，反應(yīng)堆功率亦減少（圖6f)）；同時使主蒸汽壓力降低，這部分作用抵消了閥門開度減少對主蒸汽壓力的影響，主蒸汽壓力先略降又略增最后趨于恢復(fù)13.24 MPa穩(wěn)態(tài)值，波動范圍-0.045～+0.04 MPa（圖6d)），滿足運(yùn)行允許偏差±0.5 MPa的要求?；谌珡S功率協(xié)調(diào)控制及自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，HTR-PM機(jī)組瞬態(tài)過程趨于穩(wěn)定，頻率趨于恢復(fù)50 Hz，總閥位、汽輪機(jī)功率、核功率及給水流量均有所減少，達(dá)到新穩(wěn)態(tài)值運(yùn)行。

因此，根據(jù)上述頻率±0.19 Hz階躍擾動實(shí)時動態(tài)仿真曲線（圖5—圖6）可見：基于全廠功率協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)和一次調(diào)頻方案，HTR-PM機(jī)組通過一次調(diào)頻動作可快速減小機(jī)組的頻率偏差，反應(yīng)堆亦能校好地實(shí)現(xiàn)對汽輪機(jī)負(fù)荷的跟蹤，SG出口主蒸汽壓力波動在允許偏差范圍內(nèi)[14-15]。

6 結(jié) 語

本文在對HTR-PM機(jī)組控制特性研究的基礎(chǔ)上，提出了一次調(diào)頻控制策略。基于開發(fā)的HTRPM機(jī)組全范圍實(shí)時動態(tài)仿真模型，針對電網(wǎng)頻率階躍擾動進(jìn)行了實(shí)時動態(tài)仿真試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，理論上在一次調(diào)頻死區(qū)、調(diào)差系數(shù)及控制邏輯等設(shè)置合理的情況下，在允許負(fù)荷區(qū)間內(nèi)，該HTRPM機(jī)組一次調(diào)頻控制策略可以實(shí)現(xiàn)輸出功率隨電網(wǎng)頻率變化，同時保證蒸發(fā)器出口蒸汽壓力在允許偏差范圍內(nèi)。該試驗(yàn)研究為HTR-PM機(jī)組一次調(diào)頻控制功能實(shí)現(xiàn)奠定了一定的理論基礎(chǔ)。