電網(wǎng)瞬間故障對秦山核電二廠機(jī)組運(yùn)行的影響

黃顯威 曹先慧 高進(jìn)昌 景志明

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

近年來，秦山核電二廠3/4機(jī)組多次出現(xiàn)因電網(wǎng)波動或電網(wǎng)故障引起的機(jī)組擾動，甚至造成機(jī)組瞬態(tài)。2020年1月1日至12月31日，3、4號機(jī)組DEH中有記錄到的“MW SENSOR ALARM”報(bào)警（功率變送器測量偏差大于6MW）達(dá)85次。國內(nèi)曾發(fā)生過多起因電網(wǎng)瞬時故障而導(dǎo)致的汽輪機(jī)汽門快控功能動作的事件，對機(jī)組的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重影響，甚至造成多臺機(jī)組同時全停的后果。某核電廠2019年因外電網(wǎng)短時故障，導(dǎo)致汽機(jī)調(diào)門短時快關(guān)，GCT開啟，最終導(dǎo)致停堆。二廠3/4號汽輪發(fā)電機(jī)組同樣具備汽輪機(jī)再熱調(diào)節(jié)閥快關(guān)的功能，在電網(wǎng)瞬間故障時同樣可能引起汽輪機(jī)再熱調(diào)節(jié)閥的快關(guān)。因此，為減少機(jī)組瞬態(tài)，有必要分析電網(wǎng)瞬間波動對秦山核電二廠機(jī)組的影響，以便提出改進(jìn)措施。

1 CIV功能控制

CIV功能（快關(guān)再熱調(diào)節(jié)閥）保護(hù)的是發(fā)電機(jī)部分甩負(fù)荷，表現(xiàn)為汽機(jī)功率和發(fā)電機(jī)功率之間不匹配，為了避免不匹配引起超速，當(dāng)探測到汽機(jī)功率（低壓缸進(jìn)汽壓力）超出電功率80%時CIV命令發(fā)出，使再熱調(diào)節(jié)閥快速關(guān)閉0.5 s，之后重新開啟，如果這種不匹配還存在，10 s后再熱調(diào)節(jié)閥則再次動作，直到功率不匹配信號消失為止。CIV信號作用于再熱調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)塊上的電磁閥，該電磁閥動作引起卸載閥開啟而使再熱調(diào)節(jié)閥關(guān)閉。CIV信號不作用于OPC電磁閥，所以O(shè)PC母管沒有卸壓，OPC動作信號也不會出現(xiàn)；其意義在于保護(hù)電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定，防止OPC動作。

汽機(jī)功率大于電功率80%則觸發(fā)CIV信號。汽機(jī)功率是取自低壓缸進(jìn)汽壓力的3個壓力表GPV033/034/035MP。滿量程為898 KPa，三個測量值中取中間值參與控制，滿功率運(yùn)行時為848 KPa（冬季）和860 Kpa（夏季）。電功率是通過4個有功功率變送器A、B、C、E，A與B為一組，C和E為一組；每組取小值輸出，兩組的輸出取大值參與CIV控制。MW傳感器滿量程為700 MW，滿功率運(yùn)行時對應(yīng)的測量值為670 MW（冬季）和650MW（夏季）。

如果發(fā)電機(jī)甩部分負(fù)荷，要觸發(fā)CIV，發(fā)電機(jī)至少甩負(fù)荷到x，對于夏季，則：

計(jì)算可得x≤110 MW；

同樣對于冬季滿功率情況下，x≤101 MW。

當(dāng)出現(xiàn)下列任一信號時，閉鎖CIV信號觸發(fā)：

（1）MW傳感器故障（A與B偏差大于20MW；或C與E偏差大于20MW，會退出MW反饋）。

（2）低壓缸進(jìn)汽壓力傳感器故障。

（3）CIV手動禁止。

（4）汽機(jī)跳機(jī)。

CIV信號每次觸發(fā)后會將DEH切至轉(zhuǎn)速控制的快速調(diào)節(jié)通道，保持1s，防止主調(diào)門開大。

故障導(dǎo)致的汽輪發(fā)電機(jī)組孤島運(yùn)行，本文不做討論，因此在汽輪發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)情況下要引起汽機(jī)調(diào)門快關(guān)，一是發(fā)電機(jī)的部分甩負(fù)荷，導(dǎo)致再熱調(diào)節(jié)閥快關(guān)；二是并網(wǎng)下汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速超過3 090 rpm，導(dǎo)致OPC動作使汽機(jī)主調(diào)閥和再熱調(diào)節(jié)閥均關(guān)閉。當(dāng)前電網(wǎng)都是大電網(wǎng)系統(tǒng)，電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)也已相當(dāng)成熟，電網(wǎng)瞬間故障情況下使汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速升至3 090 rpm可能性極小，本文也不做討論。因此，電網(wǎng)瞬間故障導(dǎo)致汽機(jī)調(diào)門快關(guān)的最可能原因是汽機(jī)CIV（快關(guān)再熱調(diào)節(jié)閥）動作。

2 電網(wǎng)瞬間故障引起CIV動作機(jī)理分析

如前節(jié)所述，使汽機(jī)觸發(fā)CIV（快關(guān)再熱調(diào)節(jié)閥）動作，需滿足在并網(wǎng)條件下，汽機(jī)功率大于電功率80%。

在正常功率運(yùn)行時，導(dǎo)致電功率突然下降的情況有三種：

（1）部分甩負(fù)荷。對于秦二廠機(jī)組來說，部分甩負(fù)荷發(fā)生在機(jī)組的兩個500KV出線開關(guān)一個跳閘，這種情況下發(fā)電機(jī)瞬時降功率，降功率的多少取決于兩個開關(guān)初始分配的負(fù)荷大?。凰ω?fù)荷至小于101MW時CIV動作；

（2）全部甩負(fù)荷；機(jī)組的兩個500KV出線開關(guān)全部跳閘，這導(dǎo)致機(jī)組全部甩負(fù)荷，但會產(chǎn)生未并網(wǎng)信號，CIV被禁止，OPC保護(hù)動作；或者500KV開關(guān)站4條出線跳開，機(jī)組甩全部負(fù)荷，這將導(dǎo)致CIV動作。

（3）電網(wǎng)發(fā)生故障引起電網(wǎng)波動，導(dǎo)致MW傳感器輸出畸變，所測的功率大幅波動。這種情況下，電網(wǎng)出現(xiàn)瞬時故障對機(jī)組的發(fā)電外送影響很??；雖然電氣側(cè)功率變化幅度不大，但是DEH側(cè)功率變化劇烈，導(dǎo)致所測的電功率小于汽機(jī)功率80%，從而使CIV動作條件得到滿足。

據(jù)文獻(xiàn)[1]介紹，該文獻(xiàn)中所列三個汽門快控誤動作事件均為電網(wǎng)瞬間故障導(dǎo)致的功率變送器輸出畸變引起。該文獻(xiàn)經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證部分功率變送器在其輸入值發(fā)生快速變化時，輸出值會發(fā)生嚴(yán)重畸變，放大了電網(wǎng)故障信息，這是造成諸多機(jī)組汽門快控功能誤動作的根本原因。

由于功率變送器的數(shù)據(jù)采集和信號處理及算法不同、接線方式和生產(chǎn)廠家不同、故障時間不同等原因，其電壓和電流輸入值發(fā)生快速變化時，功率變送器輸出值會發(fā)生不同程度畸變。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生內(nèi)部短時故障、接地故障或者其他涌流沖擊，特別是發(fā)生接地故障時電流可能為額定電流的10倍以上，測量CT的鐵芯飽和，一般常規(guī)功率變送器的輸出會產(chǎn)生無規(guī)則的畸變。將功率變送器由三相三線制改為三相四線制，會降低信號畸變的幅度。文獻(xiàn)[2]分析表明，F(xiàn)PWK-301D數(shù)字式變送器，響應(yīng)迅速，工作穩(wěn)定，線性度和精確度好，抗干擾性強(qiáng)，使用該數(shù)字式功率變送器能濾除短時涌流等偶發(fā)性負(fù)荷變動，彌補(bǔ)了常規(guī)功率變送器的不足。

二廠4臺機(jī)組采用的功率變送器為3相4線制，為浙江涵普電力科技有限公司生產(chǎn)的，有功變送器型號為FPWT-301，有功無功變送器為FPWK-301。雖然功率變送器已較傳統(tǒng)的三相三線制更穩(wěn)定精確，但并不能完全消除電網(wǎng)故障造成的影響。

3號機(jī)組在2011年出現(xiàn)三次因電網(wǎng)擾動導(dǎo)致4個功率傳送器測量偏差大于20MW，從而導(dǎo)致MW回路退出情況。

在電網(wǎng)故障瞬間，功率變送器同樣會出現(xiàn)輸出畸變導(dǎo)致所測的電功率波動，而此時調(diào)門開度未改變，汽機(jī)功率不變，在滿功率運(yùn)行情況下，若功率變送器輸出波動至110MW（夏季）或101MW（冬季）以下，則會滿足CIV動作條件，導(dǎo)致CIV動作。

3 CIV動作的影響

本節(jié)中CIV動作的理論分析初始條件以3/4號機(jī)組夏季滿功率時電網(wǎng)瞬間故障導(dǎo)致所測電功率在瞬間失真后恢復(fù)正常，CIV僅觸發(fā)一次情況。夏季滿功率情況下參數(shù)為：電功率645MW；流量請求97%，核功率99.5%，主調(diào)門開度53%。

3.1 調(diào)門動作情況

在由于電網(wǎng)瞬間故障導(dǎo)致MW傳感器瞬時輸出畸變，然后恢復(fù)正常。畸變時所測的電功率低于閾值時，CIV觸發(fā)，6個再熱調(diào)節(jié)閥迅速關(guān)閉，持續(xù)關(guān)閉0.5s。

CIV信號觸發(fā)后，將DEH由功率控制切至轉(zhuǎn)速控制的快速調(diào)節(jié)通道，保持1s，而在并網(wǎng)情況下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速將一直維持在3 000rpm，因此，再熱調(diào)節(jié)閥關(guān)閉期間，即使電功率降低，主調(diào)閥將保持開度不變。

再熱調(diào)節(jié)閥關(guān)閉0.5s后重新開啟。3/4號機(jī)組的再熱調(diào)節(jié)閥無快開信號，根據(jù)調(diào)門試驗(yàn)時的記錄，再熱調(diào)節(jié)閥開啟時間在8～15s左右。1、2號機(jī)組在CIV動作后開啟為快開信號，快開時間2s。CIV信號1s后，DEH轉(zhuǎn)為功率控制，此時再熱調(diào)節(jié)閥還未完全開啟，實(shí)測功率未達(dá)到Setpoint值，主調(diào)門將開大。其最終開度為流量請求為97.5%對應(yīng)的開度。

3.2 電功率變化

CIV瞬間觸發(fā)后，再熱調(diào)節(jié)閥關(guān)閉期間，汽輪機(jī)機(jī)械功率迅速下降，發(fā)電機(jī)實(shí)際電功率迅速下降。根據(jù)模擬機(jī)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)6個調(diào)節(jié)閥全部關(guān)閉后，發(fā)電機(jī)功率迅速下降至170MW左右。

在觸發(fā)的1s時間內(nèi)由于切換為轉(zhuǎn)速控制，因此電功率在這1s內(nèi)維持不變。當(dāng)1s后，DEH切回功率控制，此時再熱調(diào)節(jié)閥正在開啟中，開啟過程需8s，此時僅開啟了0.5s，所以這時候再熱調(diào)節(jié)閥開度很小，此時電功率仍然很低，遠(yuǎn)低于Setpoint值645MW。

DEH中實(shí)際所測電功率與流量請求折算出的電功率之差大于70MW時，延時1s退出MW反饋。

因此，在CIV動作1s后恢復(fù)至功率控制后，MW反饋會因?qū)崪y值與要求值偏差大于70MW而退出。當(dāng)MW反饋退出后，Setpoint值將設(shè)置為當(dāng)前流量請求97%*700=679MW（當(dāng)前流量請求在MW反饋退出前的1s內(nèi)會增加），而此時再熱調(diào)節(jié)閥尚處于開啟中，實(shí)際功率遠(yuǎn)達(dá)不到679MW，流量請求將增大，主調(diào)門開度將增大，當(dāng)流量請求增大到97.5%時，達(dá)到輸出限值，主調(diào)門停止開大，之后隨著再熱調(diào)節(jié)閥的開啟，主調(diào)門逐漸關(guān)小，最終將電功率維持在679MW。電功率后續(xù)變化將由3.3節(jié)Runback決定。

3.3 核功率

由于電功率的增加，核功率將增大至原來的679/645=1.053倍，初始核功率為99.5%時，最終核功率將到達(dá)104.8%。

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)設(shè)置有超功率△T保護(hù)，有兩個定值，第一個為實(shí)測△T達(dá)到超功率△T設(shè)定值，動作為停堆停機(jī)；第二個為C4信號，定值為超功率△T設(shè)定值-3%，動作為Runback信號，汽機(jī)以200%Pn/min速率降負(fù)荷每次持續(xù)0.5 s，兩次中間停14.5 s。正常滿功率運(yùn)行時超功率△T的設(shè)定值為107%左右，C4信號定值為107%-3%=104%左右。因此，當(dāng)MW反饋退出后核功率增加至104.8%時，已超于C4值，導(dǎo)致機(jī)組Runback，進(jìn)一步增大機(jī)組瞬態(tài)。

3.4 GCT-c動作情況

GCTc在初始為溫度模式，GCTc閥門開啟的條件為C7A觸發(fā)，即汽機(jī)功率在2min內(nèi)下降15%功率。

當(dāng)CIV觸發(fā)時短時電功率下降至170MW，雖然汽機(jī)功率下降幅度遠(yuǎn)超15%，但是，C7A信號是來自汽機(jī)沖動級壓力GRE023/024/025/026MP的次高選。這4個表引自高壓缸第一級葉片后的蒸汽壓力。CIV動作時，再熱調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，主調(diào)門開度未改變，因此，汽機(jī)沖動級壓力未改變，C7A信號不會觸發(fā)，因此GCTc也不會開啟。

再熱調(diào)節(jié)閥關(guān)閉的0.5s內(nèi)，高壓缸的排出蒸汽將積聚在汽水分離再熱器MSR內(nèi)。經(jīng)計(jì)算，0.5s時間內(nèi)的排至MSR的蒸汽量為0.52t，導(dǎo)致MSR殼側(cè)壓力短時升高。

3.5 1/2號機(jī)組CIV動作情況

1/2號機(jī)組與3/4號機(jī)組的不同處在于CIV導(dǎo)致再熱調(diào)節(jié)閥關(guān)閉0.5s后重新開啟，1/2號機(jī)組設(shè)置有快開電磁閥，快開時間約2s，3/4號機(jī)組再熱調(diào)節(jié)閥無快開功能，開啟時間約8～15s。當(dāng)6個再熱調(diào)節(jié)閥同時開啟時，GFR油流量將增加，相應(yīng)的GFR油壓將降低。經(jīng)試驗(yàn)，6個再熱調(diào)門關(guān)閉0.5s后快開時，EH母管油壓、AST油壓快速下降，主汽門關(guān)閉3 s后開啟。3、4號機(jī)組無快開電磁閥，但在汽機(jī)掛閘時6個再熱調(diào)節(jié)閥會同時開啟，GFR母管油壓下降約0.5Mpa，對GFR基本無影響。

因此，當(dāng)CIV動作時，1/2號機(jī)組GFR油壓大概率會降低至停機(jī)值。若GFR油壓未降低至停機(jī)值，主調(diào)門因油壓降低導(dǎo)致關(guān)閉3s，再熱截止閥也關(guān)閉，電功率突降為0；同時C8（汽機(jī)停機(jī)）信號誤觸發(fā)，最終功率整定值在20%Pn，GCTc快開，控制棒快速下插。但DEH中電功率整定值并未改變，主調(diào)門開度接近全開，在GFR油壓恢復(fù)后，主汽門開啟，汽機(jī)功率急速上升，在此過程中有大概率將因蒸發(fā)器水位波動而停堆。

4 電網(wǎng)瞬間故障時CIV觸發(fā)后的動作序列

基于本文第3節(jié)的理論分析，對于秦二廠，在電網(wǎng)發(fā)生瞬間故障時最有可能的動作序列。

5 秦二廠CIV保護(hù)的建議

經(jīng)前文分析，在電網(wǎng)瞬間故障時，DEH功率變送器可能因?yàn)殡娋W(wǎng)擾動導(dǎo)致輸出畸變，從而導(dǎo)致機(jī)組CIV動作，當(dāng)CIV觸發(fā)后，1、2號機(jī)組會因再熱調(diào)節(jié)閥快關(guān)后快開導(dǎo)致GFR油壓降低，導(dǎo)致停機(jī)，甚至停堆；3、4號機(jī)組會因MW反饋的退出導(dǎo)致反應(yīng)堆超功率觸發(fā)runback。在CIV觸發(fā)后會引起機(jī)組大的瞬態(tài)，故，對秦二廠CIV提出以下建議。

5.1 取消秦二廠機(jī)組CIV功能

CIV保護(hù)的是在機(jī)組并網(wǎng)時，防止機(jī)組超速。在發(fā)電機(jī)組仍然并網(wǎng)，而電網(wǎng)側(cè)有出線跳閘，但仍然有其他出線和聯(lián)絡(luò)線正常運(yùn)行時，目前的電網(wǎng)構(gòu)架看，電網(wǎng)頻率不可能存在大幅上升（一次調(diào)頻動作）。因此CIV保護(hù)就沒有必要動作；而且，當(dāng)在發(fā)電機(jī)組仍然并網(wǎng)，而電網(wǎng)側(cè)出線、聯(lián)絡(luò)線全部跳閘這種極端工況（孤網(wǎng)運(yùn)行）下，OPC可以保護(hù)動作。

對于電網(wǎng)來說，目前的電網(wǎng)網(wǎng)架實(shí)際已足夠大，當(dāng)電網(wǎng)瞬間故障時，其自身能夠快速動態(tài)穩(wěn)定，不需要通過發(fā)電機(jī)組的保護(hù)來改善電網(wǎng)的動態(tài)特性，保護(hù)的誤動作反而影響電網(wǎng)穩(wěn)定[3]。

在目前國內(nèi)火力發(fā)電廠和核電廠DEH系統(tǒng)的控制和保護(hù)系統(tǒng)的驗(yàn)收準(zhǔn)則中均無CIV保護(hù)功能相關(guān)要求，目前哈汽設(shè)計(jì)的大機(jī)組如超臨界/超超臨界機(jī)組的控制系統(tǒng)均CIV保護(hù)功能。

基于以上原因，可以取消秦二廠的CIV保護(hù)邏輯功能。

5.2 采用更可靠的功率變送器

當(dāng)前4號機(jī)組頻繁出現(xiàn)因電網(wǎng)擾動導(dǎo)致的“MW SENSOR ALARM”報(bào)警，3、4號機(jī)組在電網(wǎng)瞬間故障時測得的功率也大幅波動。對目前市場進(jìn)行充分調(diào)研，采用更為先進(jìn)可靠的功率變送器，如智能型數(shù)字變送器，或優(yōu)化功率變送器的邏輯，使功率變送器的輸出更為可靠穩(wěn)定，減少機(jī)組因電網(wǎng)故障導(dǎo)致的瞬態(tài)。

5.3 優(yōu)化3/4號機(jī)組MW反饋退出時Setpoint設(shè)定邏輯

3/4號機(jī)組在MW反饋退出時，將Setpoint設(shè)定為MW退出前的流量請求值*700。因3、4號機(jī)組在夏季滿功率運(yùn)行時，機(jī)組效率較差，流量請求值偏大，為97%左右，在MW反饋退出時Setpoint設(shè)置為679MW，導(dǎo)致一回路超功率。鑒于此，可優(yōu)化MW反饋退出時Setpoint設(shè)定邏輯：在MW反饋退出時，Setpoint設(shè)定在當(dāng)前功率值。這將大大減小機(jī)組的瞬態(tài)。

5.4 取消1、2號機(jī)組的再熱調(diào)節(jié)閥快開功能

當(dāng)CIV觸發(fā)后，相比于1、2號機(jī)組快開導(dǎo)致GFR油壓降低，造成停機(jī)甚至停機(jī)的影響，3、4號機(jī)組導(dǎo)致的短時超功率后進(jìn)行Runback，瞬態(tài)較小，因此可以取消1、2號機(jī)組再熱調(diào)節(jié)閥的快開邏輯。

6 結(jié)語

在秦山核電二廠機(jī)組當(dāng)前的保護(hù)配置下，電網(wǎng)瞬間波動是可以引起機(jī)組發(fā)生瞬態(tài)，輕則導(dǎo)致汽機(jī)功率速降，重則導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)停堆?；诖耍∠厣胶穗姸SCIV的保護(hù)邏輯很有必要。同時，對其它核電機(jī)組也有很大的參考意義。