核電廠汽輪機一次調頻設計方案與應用研究

展曉磊，曾 彬

（深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518172）

核電廠汽輪機一次調頻設計方案與應用研究

展曉磊，曾 彬

（深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518172）

電網頻率是保證電能質量的重要指標。隨著用電結構變化導致負荷峰谷差逐步增大，電網對并網機組一次調頻的要求也越來越高。目前，國內核電機組裝機容量日益增加，其一次調頻性能對電網和機組安全影響較大，如何設計核電機組的一次調頻方案及設置合理的一次調頻參數，并保證核電機組按電網要求投入一次調頻功能，關系著整個核電機組的安全與穩定運行。在分析發電機組一次調頻特性、研究核電機組帶一次調頻的轉速負荷無擾切換控制原理的基礎上，提出了適用于核電機組的一次調頻及頻率限制功能的邏輯設計方案，并根據堆機匹配的控制要求優化了一次調頻參數。在汽輪機控制系統模擬機上，對一次調頻方案進行仿真驗證。結果表明，一次調頻方案可以快速響應電網頻率變化并保證機組安全穩定運行，滿足電網的一次調頻要求和汽輪機的控制要求，對后續核電機組參與電網調頻調峰的方案設計、現場調試及運行具有重要的參考價值和理論指導意義。

核電；CPR1000；一次調頻；負荷；轉速；無擾切換；調差系數

0 引言

電網頻率是保證電能質量的重要指標，頻率過低或過高都會對電網造成波動，影響電網的可靠運行。一次調頻是當外界電網負荷變化引起電網頻率改變時，電網內各運行機組的調節系統將根據各自固有的功率頻率靜態特性，在發電機調速器的作用下改變機組的輸出功率，來阻止系統頻率偏離標準的調節方式。電力系統的一次綜合調節特性是系統內所有發電機和負荷一次調節特性的總和，為有差調節。一次調頻的主要目的在于快速消除整個電網小幅度的負荷擾動，對異常情況下的負荷突變起緩沖作用。

目前，國內核電機組裝機容量日益增加。保證核電機組的一次調頻是電網的硬性要求［1-2］。

電力行業標準DL/T 996-2006的8.2節要求：為了保證電網運行的可靠性和電能質量，運行中的機組必須具有一次調頻能力；一次調頻死區應根據機組的容量和在電網中的作用等具體要求設置，一次調頻死區設置的范圍為0～0.1 Hz，默認值為0.033 Hz；調頻限幅上限不宜大于5%額定負荷［3-4］。

本文主要針對CPR1000壓水堆核電廠機組一次調頻的實現方案進行分析研究。

1 發電機組的一次調頻特性

核電汽輪機組參與電網一次調頻，保證電廠一、二回路穩定運行是首先需要考慮的問題。除了一次調頻系統設計保證汽輪機不同控制模式下穩定無擾運行外，還需根據核島的核功率運行及調節特點選擇合適的一次調頻設計方案，以保證核反應堆控制棒不會頻繁波動，確保核反應堆穩定經濟運行。另外，為滿足電網的要求及快速響應電網頻率變化，涉及頻率參數的設計問題。本文將針對上述問題進行介紹分析。

在發電機組調速系統的作用下，發電機組輸出功率隨電力系統頻率的變化而變化，這就是發電機組的頻率一次調節作用［5］。

發電機組輸出功率和頻率關系的曲線稱為發電機組的功率-頻率靜態特性［6］。當系統穩定后，功率-頻率靜態特性可以近似地用直線來表示。功率-頻率靜態特性曲線如圖1所示。

圖1 功率-頻率靜態特性曲線Fig.1 Power-frequency static characteristic curve

發電機組以額定頻率f0運行時（相當于圖中的a點），其輸出功率為額定功率P0；當系統負荷增加而使頻率下降到f1時，發電機組由于調速系統的作用，使輸出功率增加到P1（相當于圖中的b點）。如果發電機的調節汽門的開度已達到允許最大位置（相當于圖中的c點），則頻率下降，發電機組的輸出功率也不會增加，這就是機組最大出力限制。發電機組的功率-頻率靜態特性曲線的斜率計算公式為：

式中：R為發電機組的調差系數；f為電網頻率；P為機組的功率。

調差系數R的表達式為：

式中：f0為電網額定頻率；P0為機組的額定功率；Δf=f0-f1；ΔP=P1-P0。

調差系數代表了機組參與電網一次調頻的能力。調差系數越小，表明機組參與一次調頻的能力越強，但大負荷的波動不利于機組的穩定運行；調差系數越大，表明機組響應電網一次調頻的能力越差，但可以保證機組長期穩定經濟運行。汽輪機需根據本身性能參數選擇合適的調差系數，汽輪機組的調差系數一般在 3%～6%之間［3-4］。

2 汽輪機組一次調頻功能設計

以國內某CPR1000壓水堆核電機組為例，其汽輪機調節系統轉速負荷控制設計分為轉速控制器模式和負荷控制器模式。汽輪機的轉速負荷控制最終通過有效蒸汽需求量來控制汽輪機閥門開度，在有效負荷設定值模塊增加汽輪機的一次調頻功能，參與機組的轉速負荷控制［7］。在轉速控制器模式下，一次調頻模塊利用機組的功頻特性將轉速（頻率）偏差轉化為負荷偏差，并將其加到有效負荷設定值模塊上；在負荷控制器模式下，一次調頻模塊設置了死區及幅值限值制功能。當轉速（頻率）在死區內變化，一次調頻不動作；當轉速（頻率）變化超出死區范圍，一次調頻模塊按照功頻特性來調節負荷和頻率，并受到最大負荷變化量限制的約束。

核電機組帶汽輪機組一次調頻功能的轉速負荷控制邏輯原理圖如圖2所示。

圖2 轉速負荷控制邏輯原理圖Fig.2 Schematic diagram of speed-load control logic

圖2中：PSW為機組負荷設定值；PSN為有效負荷設定值；PEL為實際負荷；NSV為有效轉速設定值；NT為實際轉速；KD為轉速前饋參數；R為調差系數；PSF為一次調頻負荷分量；KP為負荷前饋參數。

轉速控制器模式下，有效的蒸汽需求量計算公式如下：

負荷控制器模式下，有效的蒸汽需求量計算公式如下：

式中：N0為額定轉速。

為了保證機組在不同控制模式下穩定運行，需要汽輪機在轉速和負荷控制模式切換時保證無擾切換。

下面分析無擾切換的計算公式，并引入切換時的轉速設定值SVNS及負荷設定值SVPS。

當機組并網條件滿足以后，汽輪機由轉速控制器模式切換到負荷模式。

為了保證無擾切換，在切換瞬間，有效蒸汽流量保持不變。因此，切換到負荷控制器模式時，式（4）中PI控制器的輸入也要保證為0，即：

式中：SVPS為轉速控制模式切換到負荷模式時的負荷設定值。

當機組帶負荷控制器穩定運行時，式（4）中PI控制器輸入為0。發生甩負荷或者電網出口開關斷開等情況時，負荷控制模式要切換到轉速模式。在切換瞬間機組是穩定的，有效負荷設定值PSN=0。為了保證無擾切換，在切換瞬間有效蒸汽流量保持不變。因此，切換到轉速控制器模式時，式（3）中PI控制器的輸入也要保證為0，即：

式中：SVNS為負荷控制模式切換到轉速模式時的轉速設定值。

3 一次調頻參數設置

當國內CPR1000壓水堆核電機組在堆功率15%～100%額定功率范圍內運行時，機組允許的負荷階躍變化范圍為±10%額定功率，并且沒有蒸汽排放到大氣中；機組允許的最大負荷線性變化率為每分鐘5%額定功率。

為了避免機組偏離正常運行和瞬態運行導致負荷變化過大過快，進而危及核電機組的安全穩定運行，根據電網一次調頻功能需求及核電機組堆機匹配的控制要求，核電機組一次調頻參數應以保證反應堆控制棒不會頻繁動作為首要目標，并設置適用于反應堆功率變化的死區范圍及一次調頻的最大調節負荷限值［8-9］。某國內CPR1000壓水堆核電機組的設計額定功率為1 086 MW，允許進行一次調頻的功率范圍為162.9～1 086 MW。

一次調頻參數設置如下［10-12］。

①一次調頻死區：-0.066～0.066 Hz（對應轉速變化為-1.98～1.98 r/min）。

② 一次調頻調功容量：-54.3～54.3 MW（10%額定功率）。

③ 頻率限制死區：-0.5～0.5 Hz。

④頻率限制調功容量：-200～54.3 MW。

⑤機組的調差系數：5%。

一次調頻功能的限制模塊設計圖如圖3所示。

圖3 限制模塊設計圖Fig.3 Design of the limit modules

圖3中：LU為一次調頻調功容量上限；LL1為一次調頻調功容量下限；LL2為頻率限制條共容量下限。

為了保證核電機組可以在1 086 MW的額定功率下滿功率穩定運行，在1 086 MW功率平臺，一次調頻調功容量為-54.3～0MW；頻率限制調功容量為-200～0MW。為了保證反應堆不會超功率運行，通過圖3的限制功能作用，機組在1 086 MW的額定功率下運行時，電網頻率下降機組無法通過一次調頻進行升功率，最終維持1 086 MW滿功率運行。通過設置一次調頻死區和調頻幅值限值，既能保證機組安全穩定運行，又能實現電網的一次調頻要求。

4 一次調頻控制仿真試驗

一次調頻仿真數據如表1所示。

表1 一次調頻仿真數據Tab.1 Simulation data of primary frequency control

通過汽輪機控制系統模擬機組一次調頻方案，在機組并網并穩定運行至900 MW功率平臺后，手動投入一次調頻模塊，模擬電網頻率波動，仿真一次調頻動作情況。一次調頻仿真曲線如圖4所示。

圖4 一次調頻仿真曲線圖Fig.4 Simulation curves of primary frequency control

①當轉速降到1 499 r/min，頻率未超過死區，汽輪機組未響應電網一次調頻；當轉速降到1 496 r/min，越過一次調頻死區，汽輪機組一次調頻動作，升負荷至928.32 MW；當轉速降到1 485 r/min，越過一次調頻死區并達到機組頻率限制死區，汽輪機組一次調頻動作，升負荷至956 MW；當轉速繼續降到1 474 r/min，越過機組頻率限制死區，汽輪機組頻率限制動作，負荷升至956 MW，以保證汽輪機葉片的安全。

②當轉速升至1 501 r/min，頻率未超過死區，汽輪機組未響應電網一次調頻；當轉速升至1 504 r/min，越過一次調頻死區，汽輪機組一次調頻動作，降負荷至869.2 MW；當轉速升至1 515 r/min，越過一次調頻死區并達到機組頻率限制死區，汽輪機組一次調頻動作，降負荷至846 MW；當轉速繼續升至1 525 r/min，越過機組頻率限制死區，汽輪機組頻率限制動作，降負荷繼續降至754 MW，越過了一次調頻的最低負荷限值（-54.3 MW），以保證汽輪機葉片的安全。

從仿真試驗可以看出，在機組正常運行工況下，一次調頻投入后，電網頻率波動小于調頻死區不調節負荷；電網頻率大于調頻死區時，汽輪機組按照一次調頻曲線進行頻率調節，使負荷變化維持在5%額定功率以內。此外，當機組發生大范圍為頻率波動時，為了保護汽輪機葉片不受影響，頻率限制功能生效，保證機組的功率最多能減小200 MW。

5 一次調頻手動投切功能改進

考慮到核電汽輪機組的特殊性，該核電廠汽輪機組的一次調頻功能設計為可以手動投切，以便操縱員在需要時手動投切一次調頻功能，保證機組帶基本負荷安全穩定運行，同時可以滿足電網的一次調頻的要求。

一次調頻功能通過在畫面設置功能塊，隨時手動投切。核電機組在運行過程中，當機組達到滿功率并穩定運行72 h后才將一次調頻投入；當核電安全相關設備出現重大故障時，根據核電廠運行技術規范要求，需要手動退出一次調頻。根據汽輪機設計要求，當汽輪機控制模式切換到轉速控制模式、主蒸汽流量限制或者壓力限制模式時，汽輪機負荷控制模塊會自動切除一次調頻功能。

按照《南方區域發電廠并網運行管理實施細則》第二十六條要求，對并網發電機組一次調頻的投入情況及相關性能進行考核，機組的一次調頻月投入率不低于90%。而本文中一次調頻的投切僅在畫面上有指示燈提醒，且具有手動投切功能。當一次調頻退出時，DCS沒有報警提示，不易引起操縱員注意，可能導致一次調頻在某些工況退出后未及時投入。為此，增加一次調頻退出報警設計，以達到提醒操縱員目的，保證電網對一次調頻投入率的考核要求。

6 結束語

本文介紹了國內某CPR1000壓水堆核電機組一次調頻的設計方案，研究并分析了一次調頻功能在不同控制模式下的無擾切換、一次調頻死區的設置及頻率響應調功容量限值的設置方案。通過仿真驗證可以看出，一次調頻方案可以實現核電機組對電網頻率變化的快速響應，并按照一次調頻參數自動將汽輪機組的負荷限制在規定的范圍內。這樣既能保證核電機組的安全、穩定運行，又能滿足電網具備一次調頻功能的要求。通過優化手動投切的一次調頻設計，滿足電網對調頻投入率的考核。目前，由于核電廠核島設計的限制，對調頻死區及調功容量的限制較大，核電機組參與調頻能力有限。后續隨著技術進步及電網對核電機組并網要求的提高，如何嚴格按照電網要求參與調頻甚至調峰將是核電廠堆機匹配要攻克的難題。

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Design Scheme and Application Research on Primary Frequency Control for Turbine of Nuclear Power Plant

ZHAN Xiaolei，ZENG Bin
（Shenzhen China Nuclear Power Design Co.，Ltd.，Shenzhen 518172，China）

The frequency of power grid is the most important index to guarantee the quality of electric power.Along with the difference between the load peak and load valley being larger and larger，the demand of the grid for primary frequency control of power units connected to grid is higher and higher.At present，with the increasing capacity of nuclear power in China，the performance of primary frequency control has great influence on the safety and stability of the grid and the units，how to design the primary frequency control scheme and set reasonable parameters of primary frequency control are more and more important to ensure the primary frequency control function meet the requirement of grid.On the basis of analyzing the primary frequency control characteristic of the power unit and researching，the bump-less transfer principle of the speed and load control with primary frequency control is researched.The scheme of the logic is designed and the reasonable primary frequency control parameters are set according to the control requirements of reactor and turbine coordination.The primary frequency control scheme is simulated and verified in the turbine control simulator.The test results show that the primary frequency control scheme proposed can quickly respond to the grid frequency change and ensure the safety and stability of the nuclear power unit，to meet the grid requirements on primary frequency control.It has great directive significance to guide the design of the frequency and load peak regulation scheme,and provides reference for commissioning and operation of subsequent nuclear power units.

Nuclear power；CPR1000；Primary frequency control；Load；Speed；Bump-less transfer；Difference adjustment coefficient

TH7；TP21

A

10.16086／j.cnki.issn1000-0380.201711022

修改稿收到日期：2017-05-24

展曉磊（1985—），女，碩士，工程師，主要從事核電廠汽輪機儀控設計相關工作。E-mail：zhanxiaolei@cgnpc.com.cn。