田鵬
(山東核電有限公司,山東 煙臺(tái),265116)
AP1000電站主汽輪機(jī)控制系統(tǒng)(MTC)是通過自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量來控制汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速及負(fù)荷的設(shè)備。MTC通過位于中心控制室的可視化操作平臺(tái)(VDU)控制汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出功率,具有升速控制功能、閥門切換控制功能、關(guān)閉所有閥門的功能、調(diào)節(jié)器控制功能、調(diào)節(jié)器自動(dòng)跟蹤器功能、負(fù)荷限制器控制功能、超速保護(hù)(OPC)控制功能、自動(dòng)負(fù)荷調(diào)節(jié)(ALR)功能以及快速降負(fù)荷(Runback)控制功能等。
MTC的控制及操作對象是主汽門(MSV),主調(diào)門(GV),再熱主汽門(RSV)和再熱調(diào)節(jié)門(ICV),如圖1所示。
圖1 蒸汽輪機(jī)蒸汽系統(tǒng)簡圖
液壓系統(tǒng)用作各蒸汽閥門的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),蒸汽閥門的位置根據(jù)MTC的指令信號來調(diào)整。這些蒸汽閥門的關(guān)系和控制方式如圖2所示。
圖2 蒸汽閥門數(shù)量及控制方式
升速控制是通過MSV(主汽閥)控制流入高壓汽輪機(jī)的主蒸汽量,按照設(shè)定的升速率,使蒸汽輪機(jī)升速的功能。MSV的小容量預(yù)啟閥用于升速控制。由于進(jìn)入高壓汽輪機(jī)的主蒸汽量在汽輪機(jī)升速過程中較低,因此,在控制機(jī)組從盤車轉(zhuǎn)速到額定轉(zhuǎn)速過程中,使用MSV的小容量的預(yù)啟閥比使用大容量的GV(主汽調(diào)節(jié)閥)進(jìn)行升速控制具有更好的效果。
根據(jù)規(guī)程HYG-MTS-GJP-101附件2(汽機(jī)啟動(dòng))第4.2步:在VDU操作屏幕上選擇目標(biāo)轉(zhuǎn)速并選定升速率后,通過選擇程序運(yùn)行“GO”,使蒸汽輪機(jī)以選定的升速率升速到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。汽輪機(jī)達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速后,將自動(dòng)選擇程序中的“HOLD”,蒸汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變??蛇x的目標(biāo)轉(zhuǎn)速值如圖3所示,可選的升速率如圖4所示。
汽輪機(jī)是通過控制MSV的閥位來升速的,MSV的閥位是通過比例反饋來控制的,以便使實(shí)際轉(zhuǎn)速與由目標(biāo)轉(zhuǎn)速和升速率確定的轉(zhuǎn)速參考值一致。由于升速控制是比例控制,會(huì)出現(xiàn)控制偏差錯(cuò)誤。因此,在MSV閥位指令上增加了作為轉(zhuǎn)速參考值函數(shù)的補(bǔ)償偏差,以盡可能減小轉(zhuǎn)速參考值與實(shí)際轉(zhuǎn)速間的偏差。由于在升速控制期間,蒸汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速是由MSV控制,GV和ICV必須全開。因此,在汽輪機(jī)升速前,GV和ICV應(yīng)通過操作EH AUTO逐漸打開。轉(zhuǎn)速控制方式如圖5所示。
圖3 可選的目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)定值
圖4 可選的升速率
圖5 轉(zhuǎn)速控制方式
由于控制響應(yīng)在升速控制過程中很快,當(dāng)增加積分控制到比例控制中時(shí),升速控制很容易造成振蕩。因此升速控制均采用比例控制。雖然轉(zhuǎn)速給定值與實(shí)際轉(zhuǎn)速間的控制偏差可通過增大比例控制增益值來降低,但這樣轉(zhuǎn)速控制很容易造成上述的振蕩。因此,作為轉(zhuǎn)速參考值函數(shù)的補(bǔ)償偏差被加到MSV閥位指令上,以盡可能減小轉(zhuǎn)速參考值與實(shí)際轉(zhuǎn)速間的偏差。
根據(jù)規(guī)程HYG-MTS-GJP-101中附件2(汽機(jī)啟動(dòng))第4.2.15步在VDU操作屏幕上選擇“閥門切換”時(shí),首先通過減小升速控制過程中增加在GV閥位指令上的GV全開偏差來逐漸關(guān)閉所有GV。如果GV的全開偏差達(dá)到0時(shí),通過在MSV閥位指令上自動(dòng)增加MSV全開偏差使所有的MSV全開。所有的MSV全開后,閥門切換控制結(jié)束。在閥門切換過程中MSV和GV的動(dòng)作情況如圖6所示。
圖6 閥切換過程中的閥門動(dòng)作
蒸汽輪機(jī)跳閘后,所有的MSV,GV,RSV和ICV均通過打開卸荷閥迅速關(guān)閉。通過打開卸荷閥來迅速關(guān)閉所有的MSV,GV,RSV和ICV可能損壞閥門座。因此,除了必須采用打開卸荷閥來快速關(guān)閉所有的MSV,GV,RSV和ICV的時(shí)候,利用關(guān)閉所有閥門功能,采用伺服閥來逐漸關(guān)閉MSV,GV和ICV可以保護(hù)閥門座。(例如摩擦檢查或蒸汽輪機(jī)正常停機(jī)操作)
在VDU操作屏上選定了“CLOSING ALL VALVES”時(shí),通過對每個(gè)伺服閥發(fā)出全關(guān)偏差來逐漸關(guān)閉所有的MSV,GV和ICV。由于關(guān)閉所有閥門功能的誤操作會(huì)造成嚴(yán)重影響,在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)屏蔽掉“CLOSING ALL VALVES”,防止操作者誤操作。由于所有的MSV,GV,RSV和ICV在汽輪機(jī)跳閘的時(shí)候被全部關(guān)閉,此功能也被自動(dòng)選擇,以防止在汽輪機(jī)重新復(fù)位時(shí),所有的MSV,GV和ICV被打開。選擇“CLOSING ALL VALVES”時(shí),所有的MSV,GV和ICV全關(guān),然后“EH AUTO”復(fù)位。當(dāng)選擇“EH AUTO”時(shí),“CLOSING ALL VALVES”復(fù)位,準(zhǔn)備進(jìn)行自動(dòng)控制。一旦選擇“CLOSING ALL VALVES”,在預(yù)定時(shí)間“CLOSING ALL VALVES”不能被復(fù)位。這段預(yù)定時(shí)間由MSV全關(guān)的時(shí)間加上一點(diǎn)裕量決定。
汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速在閥門切換結(jié)束后是由調(diào)節(jié)器控制的。調(diào)節(jié)器控制功能的目的是在并網(wǎng)過程中控制電網(wǎng)頻率(蒸汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速)的穩(wěn)定。GV閥門位置是由調(diào)節(jié)器控制功能控制的,以便根據(jù)電網(wǎng)頻率控制汽輪機(jī)輸出。電網(wǎng)頻率(蒸汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速)可通過隨電網(wǎng)頻率改變汽輪機(jī)輸出而穩(wěn)定調(diào)節(jié)。解列期間的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速由調(diào)節(jié)器控制功能來控制使其與電網(wǎng)同步。蒸汽輪機(jī)輸出通過調(diào)節(jié)器控制額定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速間的差值按比例調(diào)節(jié)。如果運(yùn)行條件從額定轉(zhuǎn)速工況的100%負(fù)荷變?yōu)榱阖?fù)荷工況,汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速(頻率)將升高。以上所說的轉(zhuǎn)速(頻率)升高的量稱為轉(zhuǎn)速不等量或轉(zhuǎn)速不等率(此后稱為不等率)。不等率是反應(yīng)調(diào)節(jié)器控制特性的指標(biāo),如圖7所示。
圖7 調(diào)節(jié)器控制過程中轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的關(guān)系
轉(zhuǎn)速不等率信號是利用圖8中所示的不等量劃分的偏差值計(jì)算出的。調(diào)節(jié)器閥位指令是通過將轉(zhuǎn)速不等率信號加上調(diào)節(jié)器設(shè)置值以后的總和計(jì)算出來的。GV的閥位指令(GVPD)是根據(jù)負(fù)荷限制器的閥位指令和調(diào)節(jié)器閥位指令二者低選來計(jì)算的。負(fù)荷限制器閥位指令以后說明。GV閥位指令(0~100%)是用于設(shè)置GV閥門位置以及ICV閥門位置的參數(shù),基本與汽輪機(jī)輸出力(0~100%)相對應(yīng)。
圖8 調(diào)節(jié)器負(fù)荷控制功能
由于轉(zhuǎn)速設(shè)定值在并網(wǎng)運(yùn)行前必須能夠改變以利于同步(將發(fā)電機(jī)頻率相位調(diào)節(jié)為電網(wǎng)頻率相位),轉(zhuǎn)速設(shè)定值通過手動(dòng)可在±6%(1410~1590 r/min)變化。1410 r/min(-6%)是調(diào)節(jié)器控制底限,1590 r/min(+6%)是調(diào)節(jié)器控制的上限。轉(zhuǎn)速變化率從可控制性的角度在升速率(150 r/min,75 r/min,50 r/min)中選擇。轉(zhuǎn)速設(shè)定值也可由自動(dòng)同期系統(tǒng)發(fā)出的轉(zhuǎn)速設(shè)定值增加/降低脈沖量來改變。在并網(wǎng)運(yùn)行期間,為了根據(jù)不等率特性控制負(fù)荷,轉(zhuǎn)速設(shè)定值轉(zhuǎn)換為額定轉(zhuǎn)速,并且汽輪機(jī)出力由調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)。如果選擇調(diào)節(jié)器控制,則在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)汽輪機(jī)的輸出可通過改變調(diào)節(jié)器設(shè)置來控制。在并網(wǎng)完成的瞬間,調(diào)節(jié)閥的設(shè)置立即跟蹤相當(dāng)于初負(fù)荷(5%負(fù)荷)的GV閥位指令。當(dāng)電網(wǎng)頻率比額定頻率高時(shí),調(diào)節(jié)器控制GV閥位減小,這就使得調(diào)節(jié)器閥門有全關(guān)的可能性,汽輪機(jī)變?yōu)殡妱?dòng)狀態(tài)。所謂電動(dòng)狀態(tài)即:進(jìn)入汽輪機(jī)蒸汽量比發(fā)電所需的蒸汽量少,在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),發(fā)電機(jī)就變?yōu)橐粋€(gè)同步電動(dòng)機(jī),最終汽輪機(jī)是由電網(wǎng)供電的發(fā)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)的。
調(diào)節(jié)器自動(dòng)跟蹤功能是指負(fù)荷限制器在一定工作期間,調(diào)節(jié)器設(shè)定值自動(dòng)跟蹤負(fù)荷限制器的設(shè)定值。該功能的設(shè)置是為了在電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)通過調(diào)節(jié)器控制裝置關(guān)閉GV。根據(jù)公司規(guī)程附件2(汽機(jī)啟動(dòng))第4.2.19步:在汽機(jī)并網(wǎng)并帶上5%負(fù)荷以后,在VDU操作屏上選擇調(diào)節(jié)器自動(dòng)跟蹤功能后,調(diào)節(jié)器設(shè)定值自動(dòng)跟蹤負(fù)荷限制器設(shè)定值和跟蹤寬度(10%)的和。當(dāng)電網(wǎng)頻率增加到50.225 Hz后,由于頻率升高,GV關(guān)閉,運(yùn)行模式變?yōu)檎{(diào)節(jié)器控制。如圖9所示,通過運(yùn)行調(diào)節(jié)器自動(dòng)跟蹤功能,運(yùn)行模式自動(dòng)并立即轉(zhuǎn)換為負(fù)荷限制器運(yùn)行。利用調(diào)節(jié)器自動(dòng)跟蹤功能,可以很容易地從調(diào)節(jié)器控制轉(zhuǎn)換為負(fù)荷限制器控制而不會(huì)出現(xiàn)負(fù)荷波動(dòng)。
圖9 切換到調(diào)節(jié)器自動(dòng)跟蹤運(yùn)行模式
由于電網(wǎng)頻率波動(dòng)等引起GV閥位指令大幅波動(dòng),可以通過負(fù)荷控制功能限制進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽量。當(dāng)負(fù)荷限制器閥位指令小于調(diào)節(jié)器指令時(shí),汽輪機(jī)運(yùn)行模式從調(diào)節(jié)器運(yùn)行模式切換為負(fù)荷限制器運(yùn)行模式。GV和ICV閥位由負(fù)荷限制器設(shè)定值保持,在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),該設(shè)定值可隨意更改,而無需考慮電網(wǎng)頻率。如果通過VDU操作屏降低負(fù)荷限制器設(shè)定值使得負(fù)荷限制器閥位指令小于調(diào)節(jié)器指令,汽輪機(jī)控制模式切換為負(fù)荷限制器運(yùn)行模式,GV和ICV閥門位置被保持。汽輪機(jī)運(yùn)行模式也可通過選擇調(diào)節(jié)器自動(dòng)跟蹤功能很容易地從調(diào)節(jié)器控制切換為負(fù)荷限制器控制。電網(wǎng)頻率(汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速)與GV閥位指令間的關(guān)系如圖10所示。
圖10 電網(wǎng)頻率與GV閥位指令間的關(guān)系
負(fù)荷限制器設(shè)定值上限是130%,負(fù)荷限制器設(shè)置值下限為-50%。負(fù)荷限制器設(shè)定值上下限與調(diào)節(jié)器的設(shè)置值確定方法相同。負(fù)荷限制器設(shè)定上限(130%)是為了與所有GV閥門全開點(diǎn)(120%)的負(fù)荷限制器設(shè)定值之間有一定的裕量而選定的。負(fù)荷限制器設(shè)定下限(-50%)是為了與所有的ICV閥門全關(guān)點(diǎn)(-30%)的負(fù)荷限制器設(shè)定值之間有一定的裕量而選定的。
在汽輪機(jī)停機(jī)狀態(tài)(功能閉鎖)時(shí),負(fù)荷限制器設(shè)定值自動(dòng)設(shè)置為下限(-50%),以便徹底安全的關(guān)閉GV。在汽輪機(jī)啟動(dòng)時(shí),“CLOSING ALL VALVES”功能將通過“EH AUTO”運(yùn)行復(fù)位,然后通過全開偏置打開GV和ICV,以便由MSV執(zhí)行升速控制。同時(shí),負(fù)荷限制器設(shè)定值設(shè)定為上限(130%),以使GV和ICV能夠全開。由于解列時(shí)調(diào)節(jié)器設(shè)定值設(shè)定為0%(等于無負(fù)荷),在解列時(shí)負(fù)荷限制器控制設(shè)定值自動(dòng)設(shè)定為上限(130%),以便于通過調(diào)節(jié)器控制裝置控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速。(說明:除汽輪機(jī)啟動(dòng)或解列以外,在選擇“EH AUTO”后,負(fù)荷限制器設(shè)定值可手動(dòng)更改。目的是在電網(wǎng)頻低的情況下執(zhí)行并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),限制GV閥位指令的增大,見圖11。
圖11 在低電網(wǎng)頻率條件下并網(wǎng)運(yùn)行
OPC是通過監(jiān)測超速預(yù)感器并快速關(guān)閉GV和ICV,以防止汽輪機(jī)超速。OPC根據(jù)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速上升和負(fù)荷不平衡間的關(guān)系監(jiān)測汽輪機(jī)超速預(yù)感器。負(fù)荷不平衡根據(jù)汽輪機(jī)出力(低壓缸進(jìn)汽壓力)和發(fā)電機(jī)負(fù)荷之間的差來計(jì)算。OPC監(jiān)測到汽輪機(jī)超速預(yù)報(bào)時(shí),OPC電磁閥通電,危急跳閘油排出。GV和ICV的卸荷閥被危急跳閘油泄油打開,由于GV和ICV的卸荷閥打開,從而使GV和ICV完全迅速關(guān)閉。
為了抑制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速升高,保護(hù)汽輪機(jī),OPC不僅能快速反應(yīng)而且還需在CPU發(fā)生故障時(shí)保持工作。因此OPC功能不是配置在主汽輪機(jī)控制系統(tǒng)軟件中而是配置在單獨(dú)的硬件模塊中。根據(jù)轉(zhuǎn)速上升和負(fù)荷不平衡之間的關(guān)系,當(dāng)OPC檢測到超速預(yù)報(bào)時(shí),OPC動(dòng)作,防止汽輪機(jī)超速跳閘。如果汽輪機(jī)在負(fù)荷不平衡較低的條件下(30%或以下)不是很快速加速時(shí),OPC將在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到107.5%或以上時(shí)動(dòng)作。如果汽輪機(jī)在負(fù)荷不平衡較大的情況下(30%或以上)迅速加速時(shí),OPC將在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速函數(shù)和負(fù)荷不平衡函數(shù)之和達(dá)到一個(gè)固定的設(shè)定值時(shí)動(dòng)作,見圖12(a)。在解列情況下,汽輪機(jī)負(fù)荷較小,汽輪機(jī)容易加速。因此除了上述情況外,OPC還將在解列情況下如負(fù)荷不平衡超過30%時(shí)動(dòng)作,見圖12(b)。
圖12 OPC動(dòng)作特點(diǎn)
需要說明的是:采用低壓缸進(jìn)汽壓力(ICV后壓)作為汽輪機(jī)輸出功率的原因如下:正常運(yùn)行時(shí)汽輪機(jī)輸出功率與汽輪機(jī)的壓力成正比。由于負(fù)荷突然降低或甩負(fù)荷使得GV和ICV全關(guān)時(shí),GV與ICV間的蒸汽被密封,其壓力保持在先前的水平。由于此時(shí)蒸汽壓力與汽輪機(jī)輸出功率不成正比,此蒸汽壓力不能作為汽輪機(jī)輸出功率。因此在OPC判斷時(shí),將低壓缸進(jìn)汽壓力作為汽輪機(jī)輸出功率。
采用發(fā)電機(jī)電流作為發(fā)電機(jī)輸出功率的原因是為了防止由于傳輸線路中發(fā)生接地故障時(shí)OPC的誤動(dòng)作。即使發(fā)生接地故障時(shí),一般安裝在電網(wǎng)上的保護(hù)繼電器能在幾個(gè)Hz內(nèi)恢復(fù)故障,在此期間汽輪機(jī)不會(huì)超速。因此在發(fā)生接地故障時(shí)OPC無需動(dòng)作。發(fā)電機(jī)電流不低于接地故障先前的水平,但發(fā)電機(jī)功率降低了。如果發(fā)電機(jī)功率用作OPC判斷時(shí)的發(fā)電機(jī)出力,由于發(fā)電機(jī)功率降低引起負(fù)荷不平衡,OPC將由于接地故障而誤動(dòng)作。因此采用發(fā)電機(jī)電流作為OPC判斷時(shí)的發(fā)電機(jī)輸出功率。
ALR(自動(dòng)負(fù)荷調(diào)解器)的用途是降低操作員的操作壓力,ALR的功能是自動(dòng)以緩慢的變化率增加或降低負(fù)荷。負(fù)荷目標(biāo)值和負(fù)荷變化率可隨意設(shè)置。ALR增加或降低指令是根據(jù)實(shí)際負(fù)荷與ALR指令間的差值來計(jì)算的,見圖13。通過將ALR增加或降低指令加在負(fù)荷限制器設(shè)定值上來控制負(fù)荷。當(dāng)選擇ALR OUT模式切除時(shí),ALR指令跟蹤實(shí)際負(fù)荷,以便在ALR模式從切除轉(zhuǎn)換為投入時(shí)不使負(fù)荷產(chǎn)生波動(dòng)。由于在選擇ALR模式切除時(shí),ALR指令跟蹤實(shí)際負(fù)荷,實(shí)際負(fù)荷就相當(dāng)于ALR指令,在ALR模式從OUT(切除模式)轉(zhuǎn)換為IN(投入模式)時(shí),ALR增加或降低指令是從零開始的。因此ALR模式由切除轉(zhuǎn)換為投入模式時(shí)負(fù)荷不會(huì)有波動(dòng)。
圖13ALR控制功能
可手動(dòng)選擇投入或切除ALR功能。ALR控制模式與ALR程序運(yùn)行模式是分開的,以便能夠與其它功能結(jié)合。根據(jù)公司規(guī)程中附件2(汽機(jī)啟動(dòng))第4.2.23步:汽機(jī)并網(wǎng)后的升功率就是在ALR運(yùn)行模式下進(jìn)行的。在選擇ALR程序運(yùn)行“GO”后,負(fù)荷以選定的ALR負(fù)荷變化率變化到ALR目標(biāo)負(fù)荷。如果負(fù)荷達(dá)到了ALR目標(biāo)負(fù)荷,ALR程序運(yùn)行模式從“GO”(進(jìn)行)轉(zhuǎn)換為“HOLD”(保持)。在手動(dòng)選擇ALR程序運(yùn)行模式“HOLD”時(shí),ALR指令保持當(dāng)前值。ALR負(fù)荷變化率可以把0.1%作為最小單位,在(0.0~300%)/h任意設(shè)置。ALR目標(biāo)負(fù)荷設(shè)定值可在5%~100%設(shè)置。上限設(shè)置為額定負(fù)荷。下限設(shè)定為5%的初負(fù)荷,以防止發(fā)生逆功率情況。
快速減負(fù)荷控制功能是使負(fù)荷限制器設(shè)定值和調(diào)節(jié)器設(shè)定值按照固定的負(fù)荷變化速率降低。
設(shè)置主汽輪機(jī)控制系統(tǒng)的目的是為確定汽輪機(jī)蒸汽閥門的開度,包含提供汽輪發(fā)電機(jī)控制、試驗(yàn)、保護(hù)、定位汽輪機(jī)截止閥的開度、截?cái)嗾羝鞯氖侄?、轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的手動(dòng)及自動(dòng)控制??偣灿?0個(gè)向主汽輪機(jī)供汽的液壓驅(qū)動(dòng)閥門其中包括4個(gè)MSV、4個(gè)GV、6個(gè)ICV和6個(gè)RSV。所有的MSV、GV和ICV可在全關(guān)位和全開位之間比例調(diào)節(jié)開度。此外,該系統(tǒng)還提供主汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)測和控制以及負(fù)荷控制的信號。最后,當(dāng)汽機(jī)發(fā)生超速時(shí),OPC動(dòng)作抑制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速升高,保護(hù)汽輪機(jī)。
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