董麗麗，崔 凝，黃邦西，吳文影

（1．華北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，保定071003； 2．華北電力大學(xué) 仿真與控制研究所，保定071003； 3．華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，保定071003）

核電站汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)（GRE）的任務(wù)是保證蒸汽以安全和受控的方式進(jìn)入汽輪機(jī)，使核電站能協(xié)調(diào)、有效地運(yùn)行，并使汽輪機(jī)各個(gè)部件不受機(jī)械和熱應(yīng)力的損傷［1］。我國核電站的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)基本都是從國外引進(jìn)的，因此實(shí)現(xiàn)核電汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的國產(chǎn)化并進(jìn)行深入研究和建模仿真具有極其重要的意義。

ANPS－1000是基于STAR－90仿真支撐系統(tǒng)開發(fā)的，是完全面向用戶的核電仿真開發(fā)平臺。在ANPS－1000平臺上建立GRE系統(tǒng)的仿真模型，可以為核電站的生產(chǎn)運(yùn)行、性能分析和故障診斷提供研究平臺?；贏NPS－1000的開發(fā)保證了系統(tǒng)的先進(jìn)性與可靠性。

1 核電汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模

核電機(jī)組是一個(gè)龐大的系統(tǒng)，由許多性質(zhì)不同的回路和子系統(tǒng)組成，在核電站仿真機(jī)中均采用了模塊化建模思想。

1．1 汽輪機(jī)本體模型

汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型中的被控對象是核電汽輪機(jī)。該系統(tǒng)模型的建立基于質(zhì)量守恒和能量守恒原理，在建模時(shí)把工質(zhì)看作是單相可壓縮流體。通過建立單相可壓縮流體網(wǎng)絡(luò)模型就可以知道整個(gè)流體網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)（支路）的流量、管道和環(huán)境的傳熱、節(jié)點(diǎn)壓力、節(jié)點(diǎn)的溫度、焓值等。汽輪機(jī)設(shè)備的建模是機(jī)理建模，汽輪機(jī)高壓缸被假設(shè)為均勻的，主蒸汽從主汽閥進(jìn)入高壓缸流經(jīng)整個(gè)機(jī)組（網(wǎng)絡(luò)），并把流量相等而依次串連排列的若干級稱為級組。在汽輪機(jī)建模中，按照級組的數(shù)量進(jìn)行建模，而不必按照級的數(shù)量進(jìn)行建模，這樣便可以減少計(jì)算量，縮短仿真機(jī)的計(jì)算周期［2］。建模中級組劃分的原則是：將兩個(gè)抽汽口之間的所有級作為一個(gè)級組，調(diào)節(jié)級單獨(dú)作為一個(gè)級組，每一個(gè)級組為一個(gè)計(jì)算環(huán)節(jié)；沒有抽汽段時(shí)將高壓缸和低壓缸分別作為一個(gè)計(jì)算環(huán)節(jié)。核電汽輪機(jī)本體模型中：高壓缸分為3個(gè)級組（含調(diào)節(jié)級），低壓缸分為4個(gè)級組，中間連有汽水分離再熱器［3］。通過流網(wǎng)模型和設(shè)備模型間的相互通信、協(xié)作以及模型的運(yùn)行流程，將流網(wǎng)模型和設(shè)備模型組建成汽輪機(jī)本體仿真模型。汽輪機(jī)模型與汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型之間的通信通過點(diǎn)表進(jìn)行連接［4］。

1．2 轉(zhuǎn)速控制

汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本功能有兩個(gè)：一是單機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速控制，二是并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的功率控制。對于汽輪機(jī)來說，無論是轉(zhuǎn)速控制還是功率控制，都是通過改變蒸汽閥門開度以調(diào)節(jié)蒸汽流量而實(shí)現(xiàn)的。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速在自動(dòng)控制方式下，其調(diào)節(jié)回路主回路與閥位控制子回路均為閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。若系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，則轉(zhuǎn)速設(shè)定值與轉(zhuǎn)速反饋值相平衡，轉(zhuǎn)速偏差信號為0，閥位偏差信號也為0。

1．3 負(fù)荷控制

汽輪機(jī)負(fù)荷控制可分為自動(dòng)控制及手動(dòng)控制。當(dāng)汽輪機(jī)負(fù)荷處于自動(dòng)控制時(shí)，負(fù)荷設(shè)定值與負(fù)荷實(shí)測值比較，其偏差值經(jīng)過高低限處理后，進(jìn)行比例或比例積分運(yùn)算，得到相應(yīng)負(fù)荷下的蒸汽需求量，并控制調(diào)節(jié)閥開度；當(dāng)汽輪機(jī)負(fù)荷處于手動(dòng)控制時(shí)，只能通過虛擬操作臺“允許”及“升／降”按鈕進(jìn)行負(fù)荷手動(dòng)調(diào)節(jié)。

1．4 應(yīng)力控制

為了保證汽輪機(jī)關(guān)鍵部件的熱應(yīng)力不超過允許限值，采用了應(yīng)力控制。應(yīng)力控制由三種模式組成：正常模式、限制模式和隱模式。正常模式和限制模式由應(yīng)力控制信號的數(shù)目決定，包括高壓轉(zhuǎn)子溫差、高壓汽柜溫差、發(fā)電機(jī)電負(fù)荷等有效信號數(shù)目，見表1。處于隱模式時(shí)，應(yīng)力控制對升速和升負(fù)荷不再進(jìn)行限制，但應(yīng)力控制仍然計(jì)算有關(guān)部件應(yīng)力。

表1 應(yīng)力控制模式與信號數(shù)目的關(guān)系

1．5 壓力控制

由于高壓缸入口壓力可以快速反映汽輪機(jī)負(fù)荷的變化，所以壓力控制實(shí)際上是用汽輪機(jī)高壓缸入口壓力來代表汽輪機(jī)實(shí)際負(fù)荷，從而對汽輪機(jī)的負(fù)荷進(jìn)行控制和保護(hù)。

2 仿真和結(jié)果

在建立上述模型的基礎(chǔ)上，對GRE系統(tǒng)進(jìn)行仿真，是將GRE系統(tǒng)與汽輪機(jī)模型及一回路相關(guān)模型進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，是對GRE系統(tǒng)功能的驗(yàn)證，從而完成汽輪機(jī)升速、負(fù)荷調(diào)節(jié)、負(fù)荷降速、超速及閥門帶負(fù)荷的仿真。

2．1 汽輪機(jī)升速

圖1為汽輪機(jī)的升速仿真曲線。汽輪機(jī)投入應(yīng)力控制，微機(jī)調(diào)節(jié)器由預(yù)置狀態(tài)轉(zhuǎn)入升速狀態(tài)后汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速很快升至126r／min，其后GRE系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)速設(shè)定值與測量值之差，通過比例調(diào)節(jié)控制汽輪機(jī)調(diào)門的開度，以保證汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速等于設(shè)定值。在升速過程中，操作員設(shè)定的目標(biāo)升速率在微機(jī)調(diào)節(jié)器為保護(hù)狀態(tài)時(shí)已默認(rèn)為300r／min，即使應(yīng)力控制發(fā)出的升速率大于300r／min時(shí)也不起作用，汽輪機(jī)仍以300r／min的升速率升到3 000r／min附近，并由操作員手動(dòng)調(diào)節(jié)至3 000r／min，直至經(jīng)過同步器并網(wǎng)后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)功能自動(dòng)切除，而后以功率調(diào)節(jié)功能控制汽輪機(jī)負(fù)荷。期間，轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)經(jīng)過整定后，非同步傾斜度設(shè)定為0．15，控制性能達(dá)到預(yù)期要求。

圖1 汽輪機(jī)升速曲線

2．2 負(fù)荷調(diào)節(jié)

當(dāng)汽輪機(jī)處于自動(dòng)負(fù)荷控制且頻率補(bǔ)償投入時(shí)，負(fù)荷參考值加入頻率控制形成負(fù)荷設(shè)定值。負(fù)荷設(shè)定值與負(fù)荷實(shí)測值比較，其偏差經(jīng)過高低限處理后進(jìn)行比例或比例積分運(yùn)算，得到自動(dòng)控制下的蒸汽需求量；該蒸汽量與負(fù)荷速降產(chǎn)生的蒸汽流量、頻率貢獻(xiàn)產(chǎn)生的蒸汽流量信號求和（差），再經(jīng)過速度限制、加速度限制、負(fù)荷限制和操作員蒸汽流量限制，最終產(chǎn)生有效的蒸汽需求量；這一信號再經(jīng)過閥門管理程序處理后變成閥位調(diào)節(jié)指令信號，由閥位控制子回路產(chǎn)生閥位偏差信號，并通過電液轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成調(diào)節(jié)油壓信號，用來控制油動(dòng)機(jī)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)閥門，改變汽輪機(jī)的進(jìn)汽量使負(fù)荷相應(yīng)變化，取自油動(dòng)機(jī)活塞桿的閥位反饋信號、負(fù)荷反饋信號也相應(yīng)變化，直到升至目標(biāo)負(fù)荷［5］（見圖2）。

圖2 負(fù)荷控制原理圖

圖3為汽輪機(jī)降負(fù)荷曲線。

圖3 汽輪機(jī)降負(fù)荷曲線

汽輪機(jī)處于自動(dòng)負(fù)荷控制下，以50MW／min的負(fù)荷變化率從984MW降至350MW。調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出的電信號通過電液轉(zhuǎn)換器控制調(diào)節(jié)汽門的開度。汽輪機(jī)負(fù)荷在350MW后繼續(xù)以50MW／min的負(fù)荷變化率降負(fù)荷至300MW；這時(shí)應(yīng)核實(shí)GPV高壓缸進(jìn)汽環(huán)管疏水器旁路閥和GSS蒸汽再熱器溫度控制隔離閥是否已開啟，如果蒸汽管板溫度高于250℃、旁路閥關(guān)閉，汽輪機(jī)再繼續(xù)以50MW／min的速率降負(fù)荷直至停機(jī)。從圖3中的負(fù)荷設(shè)定值和機(jī)組負(fù)荷的實(shí)測值之間的微小差別可以看出：在整個(gè)降負(fù)荷過程中，GRE系統(tǒng)能夠滿足機(jī)組負(fù)荷設(shè)定值的要求，保證了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性及精確性［6］。在升負(fù)荷或者變負(fù)荷時(shí)，GRE系統(tǒng)同樣能夠滿足平穩(wěn)調(diào)節(jié)機(jī)組功率。

2．3 負(fù)荷速降

圖4為微機(jī)調(diào)節(jié)器接收定子冷卻水系統(tǒng)故障信號，發(fā)出負(fù)荷速降指令，在有效負(fù)荷（蒸汽量）指令（SD）的基礎(chǔ)上以200%／min的速率連續(xù)地降低，一直降到負(fù)荷速降信號消失的過程。在負(fù)荷速降過程中，上位機(jī)自動(dòng)負(fù)荷控制功能被切除，同時(shí)下位機(jī)“升”按鈕被閉鎖，防止誤升負(fù)荷；當(dāng)負(fù)荷速降工況已過去，且汽輪機(jī)可以安全地重新升負(fù)荷時(shí)，需按下下位機(jī)的“復(fù)位”鍵解鎖，“升”負(fù)荷閉鎖。

圖4 定子冷卻水系統(tǒng)故障RB（負(fù)荷速降）過程曲線

2．4 超速

圖5為超速的仿真曲線。超速仿真在汽輪機(jī)升速結(jié)束、同步并網(wǎng)前進(jìn)行。按功能將微機(jī)調(diào)節(jié)器分為基層調(diào)節(jié)器（BLG）和上控制層（UCL）。微機(jī)調(diào)節(jié)器處于手動(dòng)轉(zhuǎn)速狀態(tài)時(shí)，操作員可以按下超速請求按鈕（REQUEST）；當(dāng)BLG上的超速請求燈亮?xí)r，操作員就可以按下UCL上的超速允許鍵（PERMIT），此時(shí)操作員便可以按升速按鈕（RAISE）。在這個(gè)過程中超速REQUEST按鈕必須一直保持在按下的狀態(tài)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速增加；當(dāng)轉(zhuǎn)速接近到保護(hù)值（110%額定轉(zhuǎn)速：3 300 r／min）時(shí)，汽輪機(jī)保護(hù)（GSE）系統(tǒng)超速保護(hù)裝置動(dòng)作，保護(hù)油被泄掉，汽輪機(jī)進(jìn)汽閥門快速關(guān)閉，防止汽輪機(jī)超速，微機(jī)調(diào)節(jié)器回到保護(hù)狀態(tài)。

圖5 超速的仿真曲線

2．5 閥門帶負(fù)荷

圖6為第三組（高壓缸）閥門帶負(fù)荷的仿真曲線。汽輪機(jī)負(fù)荷為700MW時(shí)，在自動(dòng)負(fù)荷控制下進(jìn)行仿真。在反應(yīng)堆模式下，且核功率測量系統(tǒng)信號消失時(shí)，操作員通過“釋放”按鈕轉(zhuǎn)入反應(yīng)堆的釋放模式。通過“釋放關(guān)”使第三組高壓調(diào)節(jié)閥以2%／s的速率關(guān)閉，隨后對應(yīng)的截止閥以20%／s的速率關(guān)閉；通過“釋放開”截止閥以20%／s的速率恢復(fù)其全開位置，調(diào)節(jié)閥也以2%／s的速率開至其正常的位置。在此過程中汽輪機(jī)負(fù)荷小幅度變化。

圖6 第三組閥門帶負(fù)荷仿真曲線

圖7為第八組（低壓缸）閥門帶負(fù)荷的仿真曲線。汽輪機(jī)負(fù)荷為700MW時(shí)，在自動(dòng)負(fù)荷控制下進(jìn)行仿真。操作員通過“釋放關(guān)”使第八組低壓調(diào)節(jié)閥以2%／s的速率關(guān)閉，隨后對應(yīng)的截止閥全關(guān)；通過“釋放開”使截止閥全開，調(diào)節(jié)閥也以2%／s的速率開至其正常的位置。在此過程中汽輪機(jī)負(fù)荷基本不變。

圖7 第八組閥門帶負(fù)荷仿真曲線

3 結(jié)語

對國內(nèi)核電汽輪機(jī)來說，需要建立一個(gè)仿真平臺，以研究其調(diào)節(jié)系統(tǒng)特性，筆者就是在ANPS－1000上建立了這樣的仿真平臺。根據(jù)仿真結(jié)果說明這一仿真模型是有效的，可以為核電汽輪機(jī)的運(yùn)行、性能分析和故障診斷提供服務(wù)。

［1］楊其國．大型核電汽輪機(jī)國產(chǎn)化策略［J］．中國核工業(yè)，2006（3）：14－15，30．

［2］史瑛杰．壓水堆核電站的建模控制與仿真軟件開發(fā)［D］．上海：上海交通大學(xué)，2008．

［3］賀禹，濮繼龍，高立剛．900MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備（下）［M］．北京：原子能出版社，1994：20－36．

［4］陳濟(jì)東．大亞灣核電站系統(tǒng)及運(yùn)行［M］．北京：原子能出版社，1995：102－120．

［5］林文孚，胡燕．單元機(jī)組自動(dòng)控制技術(shù)［M］．北京：中國電力出版社，2004：181－187．

［6］駱邦其．核電站汽輪機(jī)手動(dòng)甩負(fù)荷到廠用電模擬分析［J］．核電工程與技術(shù)，1997，10（2）：17－22．