鄭軍偉，趙東陽(yáng)，劉東亮

（中廣核工程有限公司，深圳 518124）

某壓水堆核電機(jī)組（TU1）額定功率為1755 MW，常規(guī)島使用HN1755-7.55/291/275.8-H型汽輪機(jī)，該汽輪機(jī)為飽和蒸汽、單軸、中間再熱、沖動(dòng)凝汽式汽輪機(jī)，汽輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速（n0）為1500 r·min-1。汽輪機(jī)超速保護(hù)控制（OPC）由超加速度保護(hù)（OAP）和預(yù)超速保護(hù)組成，OAP的觸發(fā)條件為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速不低于額定轉(zhuǎn)速的98%（98%n0）且轉(zhuǎn)子加速度不低于4356 r·min-2，預(yù)超速保護(hù)閾值為額定轉(zhuǎn)速的107%（107%n0）。

2019年9月17日，TU1處于額定負(fù)荷（額定負(fù)荷的100%，100%FP）平臺(tái)穩(wěn)定運(yùn)行。20時(shí)08分，廣東省珠海至中山的500 kV香國(guó)乙線發(fā)生單相接地故障，電網(wǎng)排除故障后自動(dòng)1次重合閘成功。電網(wǎng)故障后TU1的負(fù)荷從1730 MW瞬時(shí)降低了307 MW，機(jī)組負(fù)荷繼續(xù)下降到842 MW后快速回升，負(fù)荷回升過程中因蒸汽發(fā)生器出口蒸汽壓強(qiáng)下降速率超過停堆閾值，反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)停堆保護(hù)信號(hào)，停堆信號(hào)連鎖觸發(fā)汽輪機(jī)跳閘信號(hào)，最終造成汽輪發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)解列，電力系統(tǒng)頻率從50.003 Hz下降到49.913 Hz。從電網(wǎng)故障到汽輪機(jī)跳閘前，在約1 s時(shí)長(zhǎng)內(nèi)TU1的汽輪機(jī)控制系統(tǒng)共采集到3次OPC動(dòng)作記錄，OPC報(bào)警信號(hào)顯示這3次OPC動(dòng)作均由OAP觸發(fā)所致。

2004年2月，昆明發(fā)電廠受220 kV普吉變電站變壓器故障影響，1、2號(hào)機(jī)組、普吉變110 kV系統(tǒng)及所供近郊負(fù)荷與系統(tǒng)解列成為孤立系統(tǒng)，機(jī)組發(fā)生OPC反復(fù)動(dòng)作［1］。2005年2月，嶺澳核電廠1號(hào)機(jī)組受外部500 kV電網(wǎng)A相接地故障影響發(fā)生OPC反復(fù)動(dòng)作并導(dǎo)致汽輪機(jī)打閘。2006年7月，貴陽(yáng)南部電網(wǎng)故障后成為孤網(wǎng)，清鎮(zhèn)電廠7、8號(hào)機(jī)組發(fā)生OPC反復(fù)動(dòng)作，最終8號(hào)機(jī)組跳閘［2，3］。2009年2月，大亞灣核電廠1號(hào)機(jī)組受外部400 kV電網(wǎng)三相接地故障影響發(fā)生OPC反復(fù)動(dòng)作并導(dǎo)致汽輪機(jī)打閘［4］。上述發(fā)電機(jī)組OPC反復(fù)動(dòng)作事件表明機(jī)組涉網(wǎng)保護(hù)與電網(wǎng)安全自動(dòng)裝置之間的協(xié)調(diào)配合是保證機(jī)組、電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一，源網(wǎng)不協(xié)調(diào)可能會(huì)誘發(fā)電力系統(tǒng)或機(jī)組運(yùn)行事故，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致事故規(guī)模擴(kuò)大化。

《大型發(fā)電機(jī)組涉網(wǎng)保護(hù)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定應(yīng)考慮OPC動(dòng)作特性與電網(wǎng)特性的配合，防止OPC反復(fù)動(dòng)作對(duì)電網(wǎng)的擾動(dòng)［5］。核電機(jī)組OPC設(shè)計(jì)方案由汽輪機(jī)設(shè)計(jì)供貨方提供，不同技術(shù)路線核電機(jī)組的OPC控制策略和控制參數(shù)存在差異［6］；核電機(jī)組OPC設(shè)計(jì)普遍側(cè)重考慮機(jī)組安全，不同廠址、相同技術(shù)路線核電機(jī)組的OPC設(shè)計(jì)方案基本相同，但對(duì)源網(wǎng)協(xié)調(diào)分析不足，機(jī)組調(diào)試啟動(dòng)階段受試驗(yàn)條件限制一般難以充分驗(yàn)證機(jī)組OPC與電網(wǎng)的互相影響。機(jī)組遠(yuǎn)端電網(wǎng)發(fā)生單相接地并自動(dòng)1次重合閘成功屬于常見的短時(shí)電網(wǎng)故障，受這種較小規(guī)模電網(wǎng)故障擾動(dòng)影響造成停機(jī)、停堆與電網(wǎng)安全、核安全管理期望不符。因此有必要對(duì)TU1受電網(wǎng)短時(shí)故障影響發(fā)生OPC反復(fù)動(dòng)作的原因進(jìn)行分析，研究并給出避免問題重發(fā)的處理方案。

1 汽輪機(jī)加速度影響因素分析

汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，作用在轉(zhuǎn)子上的力矩包括：蒸汽作用在轉(zhuǎn)子上的主力矩、發(fā)電機(jī)的電磁阻力矩、摩擦力矩，由于摩擦力矩遠(yuǎn)小于主力矩和電磁阻力矩，因此轉(zhuǎn)子上的力矩平衡方程為［7-9］：

式中：J——轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；

ω——轉(zhuǎn)子的角速度，rad·s-1；

Mt——蒸汽作用在轉(zhuǎn)子上的主力矩，N·m；

Me——發(fā)電機(jī)的電磁阻力矩，N·m。

已知轉(zhuǎn)子角速度的計(jì)算式為：

式中：n——汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，r·min-1。

主力矩和電磁阻力矩計(jì)算式為：

式中：Pt——汽輪機(jī)內(nèi)功率，MW；

Pe——機(jī)組電功率，MW；

ω——轉(zhuǎn)子的角速度，rad·s-1。

機(jī)組從穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生甩負(fù)荷后的初始階段，由式（1）、式（2）和式（3）推導(dǎo)可得汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速變化率的計(jì)算式：

式中：Ji——機(jī)組在一定負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；

ni——機(jī)組在一定負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，r·min-1。

TU1汽輪機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集周期為0.02 s，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的汽輪機(jī)加速度計(jì)算式為：

式中：a——汽輪機(jī)加速度，r·min-2；

nt——當(dāng)前采集周期測(cè)得的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，r·min-1；

nt-1——上一個(gè)采集周期測(cè)得的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，r·min-1；

Δt——采樣周期間隔，0.02 s。

由式（4）可知汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速變化率與機(jī)組甩掉的負(fù)荷值成線性正比關(guān)系。因此，機(jī)組在某一負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行工況下發(fā)生瞬間甩負(fù)荷后，對(duì)汽輪機(jī)加速度起主要影響作用的是甩掉的負(fù)荷值；在甩負(fù)荷瞬態(tài)的初始階段（從汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速開始變化到汽機(jī)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥門的開度發(fā)生明顯變化前），汽輪機(jī)加速度的初始值與機(jī)組甩掉的負(fù)荷值成正比。

2 OPC反復(fù)動(dòng)作原因分析

2.1 OPC邏輯分析

TU1的OPC觸發(fā)后，汽輪機(jī)控制系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生-150%額定蒸汽需求量，觸發(fā)汽輪機(jī)高壓和中壓進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥門（以下簡(jiǎn)稱汽機(jī)調(diào)閥）快速關(guān)閉指令，通過快速關(guān)閉汽機(jī)調(diào)閥實(shí)現(xiàn)平衡轉(zhuǎn)子力矩、快速穩(wěn)定汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的目標(biāo)。OPC邏輯優(yōu)先于正常的轉(zhuǎn)速控制邏輯，OPC觸發(fā)汽機(jī)調(diào)閥快速關(guān)閉指令可以避免汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速上升到跳閘閾值造成汽輪機(jī)停機(jī)，使得機(jī)組能夠帶廠用電或部分負(fù)荷繼續(xù)運(yùn)行。TU1的OPC邏輯圖如圖1所示。

圖1 OPC邏輯圖Fig.1 The logic diagram of OPC

2.2 OPC觸發(fā)原因分析

TU1在額定負(fù)荷平臺(tái)甩空載開始前，機(jī)組實(shí)際負(fù)荷為1716 MW（約97.78%FP），甩空載過程中最高轉(zhuǎn)速為1617.50 r·min-1（約107.83%n0），甩空載開始后的前0.5 s內(nèi)的試驗(yàn)曲線如圖2所示。本文根據(jù)試驗(yàn)開始后1.0 s內(nèi)的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速值繪制甩空載試驗(yàn)初期的轉(zhuǎn)速變化曲線，如圖3所示。

圖2 額定負(fù)荷平臺(tái)甩空載試驗(yàn)曲線Fig.2 Curve of load rejection to no-load test on rated power platform

圖3 額定負(fù)荷平臺(tái)甩空載試驗(yàn)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速曲線Fig.3 Turbine speed curve of load rejection to no-load test on rated power platform

我們由圖3可知甩空載試驗(yàn)開始后不同時(shí)間段的汽輪機(jī)加速度存在差異，使用式（5）計(jì)算得出機(jī)組從97.78%FP甩空載試驗(yàn)開始后1.0 s內(nèi)轉(zhuǎn)子加速度大于OAP超加速度保護(hù)閾值且持續(xù)時(shí)間不小于0.02 s的數(shù)據(jù)見表1。

表1 額定負(fù)荷平臺(tái)甩空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Data of load rejection to no-load test on rated power platform

取表1中額定負(fù)荷平臺(tái)甩空載試驗(yàn)初始階段汽輪機(jī)平均加速度最大值（第0.10～0.14 s的加速度平均值，計(jì)算結(jié)果為28388.5 r·min-2）為加速度基準(zhǔn)值（a0），假設(shè)TU1從額定負(fù)荷平臺(tái)穩(wěn)定運(yùn)行工況下發(fā)生瞬間甩負(fù)荷，可用下式計(jì)算甩負(fù)荷初始階段的汽輪機(jī)加速度：

式中：ai——機(jī)組從額定負(fù)荷平臺(tái)瞬間甩負(fù)荷初始階段的汽輪機(jī)加速度，r·min-2；

a0——28388.5 r·min-2；

ΔPi——機(jī)組從額定負(fù)荷平臺(tái)瞬間甩掉的負(fù)荷值，%；

ΔP0——97.78%。

TU1在此次事件過程中汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速最高值為1501.86 r·min-1（100.12%n0），轉(zhuǎn) 速 最 低 值 為1485.93 r·min-1（99.06%n0），二者均高于OAP轉(zhuǎn)速判斷閾值。使用式（6）計(jì)算TU1從1730 MW（約98.58%FP）瞬時(shí)甩掉307 MW（17.49%FP）負(fù)荷所產(chǎn)生的汽輪機(jī)加速度為5078.8 r·min-2，該值大于TU1的OAP超加速度保護(hù)閾值（4356 r·min-2），所以TU1在此次事件過程中瞬間甩掉307 MW負(fù)荷足以造成OAP觸發(fā)，進(jìn)而觸發(fā)OPC動(dòng)作。事件過程中第1次OPC動(dòng)作是由汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速高于OAP轉(zhuǎn)速判斷閾值且機(jī)組瞬間甩掉307 MW負(fù)荷所產(chǎn)生的汽輪機(jī)加速度超過OAP超加速度保護(hù)閾值所致。

2.3 OPC反復(fù)動(dòng)作原因分析

根據(jù)TU1的OPC設(shè)計(jì)方案，當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子加速度恢復(fù)到OAP的加速度保護(hù)閾值以下時(shí)，OAP延時(shí)0.04 s自動(dòng)復(fù)位，在汽輪機(jī)負(fù)荷控制回路處于自動(dòng)控制模式前提下，因機(jī)組目標(biāo)負(fù)荷仍為OPC動(dòng)作前的數(shù)值，機(jī)組蒸汽需求量會(huì)自動(dòng)恢復(fù)到OPC動(dòng)作前的值，汽機(jī)調(diào)閥響應(yīng)機(jī)組蒸汽需求量后自動(dòng)快速開啟，直至汽機(jī)調(diào)閥開度恢復(fù)到與機(jī)組蒸汽需求量相匹配的值。此次電網(wǎng)故障消除后，TU1的目標(biāo)負(fù)荷依然是故障發(fā)生前的1730 MW，汽機(jī)調(diào)閥響應(yīng)機(jī)組蒸汽需求量自動(dòng)快速開啟。汽機(jī)調(diào)閥快速開啟前，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的主力矩和電磁阻力矩尚未達(dá)到平衡，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速尚未調(diào)整到穩(wěn)定值，汽機(jī)調(diào)閥快速開啟后主力矩瞬時(shí)增大，轉(zhuǎn)子加速度隨之增加，導(dǎo)致0.18 s內(nèi)（圖4中的0.828～1.008 s）連續(xù)兩次觸發(fā)OAP，從而造成機(jī)組發(fā)生OPC反復(fù)動(dòng)作。因此，OPC反復(fù)動(dòng)作的直接原因是OAP反復(fù)觸發(fā)。電網(wǎng)擾動(dòng)期間TU1的OAP觸發(fā)記錄如圖4（圖4中的時(shí)間用于指示OAP觸發(fā)后的持續(xù)時(shí)間及OAP觸發(fā)的間隔時(shí)間）所示。

圖4 OAP觸發(fā)記錄Fig.4 Trigger record of the OAP

3 處理方案制訂與實(shí)施

3.1 OPC設(shè)計(jì)合理性分析

當(dāng)前壓水堆核電機(jī)組OPC動(dòng)作定值普遍由汽輪機(jī)設(shè)計(jì)單位給出，而汽輪機(jī)設(shè)計(jì)方在OPC定值選擇過程中通常側(cè)重考慮對(duì)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的保護(hù)，缺少與機(jī)組的核島控制保護(hù)系統(tǒng)和外部電網(wǎng)的協(xié)調(diào)［10-12］。OAP的非預(yù)期觸發(fā)對(duì)處于穩(wěn)態(tài)工況運(yùn)行的核電機(jī)組而言是一種干擾，從有利于機(jī)組運(yùn)行安全和經(jīng)濟(jì)性角度考慮，我們應(yīng)提高OAP的抗干擾性能，避免OPC的不必要觸發(fā)。

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子飛升時(shí)間常數(shù)的計(jì)算式為：

式中：Ta——轉(zhuǎn)子飛升時(shí)間常數(shù)，s；

n0——額定轉(zhuǎn)速，r·min-1；

a——轉(zhuǎn)子加速度，r·min-2。

TU1汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子飛升時(shí)間常數(shù)的設(shè)計(jì)分析值為10.33 s，據(jù)此使用式（7）計(jì)算機(jī)組從額定負(fù)荷甩空載的轉(zhuǎn)子加速度為8712.49 r·min-2。OAP的加速度保護(hù)閾值為4356 r·min-2，使用式（6）計(jì)算可知該保護(hù)閾值對(duì)應(yīng)的工況是機(jī)組從額定負(fù)荷甩掉50%FP所對(duì)應(yīng)的加速度，即設(shè)計(jì)期望的OAP動(dòng)作工況應(yīng)為機(jī)組從額定負(fù)荷瞬間甩負(fù)荷不少于50%FP所對(duì)應(yīng)的瞬態(tài)。由此可知TU1在此次事件過程中甩掉17.49%FP造成OAP觸發(fā)，進(jìn)而導(dǎo)致OPC動(dòng)作是超出設(shè)計(jì)預(yù)期的。OAP的加速度保護(hù)閾值是由汽輪機(jī)設(shè)計(jì)單位根據(jù)具體機(jī)型的參數(shù)計(jì)算后給出的，出于安全考慮，在工程應(yīng)用環(huán)節(jié)一般不予修改。

此次事件過程中汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速最高值僅為額定轉(zhuǎn)速的100.12%，距離預(yù)超速保護(hù)閾值（107%n0）、轉(zhuǎn)速跳閘閾值（110%n0）還有較大的安全裕量。因此，TU1的OAP轉(zhuǎn)速判斷閾值設(shè)計(jì)不合理，OAP轉(zhuǎn)速判斷閾值偏小。

3.2 OAP轉(zhuǎn)速判斷閾值調(diào)整可行性分析

按照TU1的汽輪機(jī)控制邏輯，甩廠用電信號(hào)觸發(fā)后汽輪機(jī)的蒸汽需求量立即被強(qiáng)制為10%，甩空載信號(hào)觸發(fā)后汽輪機(jī)的蒸汽需求量立即被強(qiáng)制為3%，額定負(fù)荷對(duì)應(yīng)的高壓調(diào)節(jié)閥門開度為80.9%，由蒸汽需求量偏差（負(fù)荷偏差）產(chǎn)生的高壓調(diào)節(jié)閥門關(guān)閉指令將導(dǎo)致高壓調(diào)節(jié)閥門的快速關(guān)閉動(dòng)作。根據(jù)TU1在額定負(fù)荷平臺(tái)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，OAP在甩廠用電開始后第0.10 s觸發(fā)，OAP在甩空載開始后第0.12 s觸發(fā)。甩廠用電、甩空載信號(hào)先于OPC觸發(fā)汽機(jī)調(diào)閥快速關(guān)閉指令，從而抑制轉(zhuǎn)速過度飛升。

TU1在額定負(fù)荷平臺(tái)甩廠用電、甩空載試驗(yàn)開始后第0.12 s汽機(jī)調(diào)閥開度發(fā)生實(shí)質(zhì)關(guān)閉，第0.14 s出現(xiàn)第1個(gè)轉(zhuǎn)速峰；結(jié)合試驗(yàn)期間OAP觸發(fā)時(shí)間可知，甩廠用電、甩空載發(fā)生后汽輪機(jī)第1個(gè)轉(zhuǎn)速峰與OAP觸發(fā)時(shí)間無(wú)直接關(guān)系。OPC觸發(fā)后產(chǎn)生汽機(jī)調(diào)閥快速關(guān)閉指令，有助于進(jìn)一步抑制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速飛升；因此，OAP在瞬態(tài)過程中的第1個(gè)轉(zhuǎn)速峰到達(dá)之前觸發(fā)便可以實(shí)現(xiàn)在額定負(fù)荷甩空載等瞬態(tài)下預(yù)先控制轉(zhuǎn)速飛升速率和幅值的設(shè)計(jì)目標(biāo)。由此可知，我們可以提高TU1的OAP轉(zhuǎn)速判斷閾值。

3.3 處理方案

假設(shè)在某一時(shí)間段內(nèi)汽輪機(jī)加速度恒定并已知的前提下，可使用下式計(jì)算在加速度作用一段時(shí)間后的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速：

式中：na——加速度作用一段時(shí)間后的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，r·min-1；

n0——額定轉(zhuǎn)速，r·min-1；

a——轉(zhuǎn)子加速度，r·min-2；

ta——汽輪機(jī)受加速度作用的持續(xù)時(shí)間，s。

假設(shè)TU1從額定負(fù)荷瞬間甩掉50%FP，瞬態(tài)發(fā)生前汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速，基于TU1從97.78%FP的甩空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文使用式（6）計(jì)算得出機(jī)組從額定負(fù)荷甩掉50%FP所產(chǎn)生的初始加速度為14516.52 r·min-2；由汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥門特性曲線可知：在此瞬態(tài)過程中汽輪機(jī)控制系統(tǒng)將根據(jù)負(fù)荷偏差產(chǎn)生一個(gè)-56.6%的高壓調(diào)節(jié)閥門關(guān)閉指令，高壓調(diào)節(jié)閥門開度將快速關(guān)小。本文取瞬態(tài)發(fā)生后的第0.14 s計(jì)算瞬態(tài)過程中的第1個(gè)轉(zhuǎn)速峰值，使用式（8）計(jì)算得出第1個(gè)轉(zhuǎn)速峰對(duì)應(yīng)的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速為1533.87 r·min-1，即額定轉(zhuǎn)速的102.26%。TU1的汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥門特性曲線見圖5。

圖5 高壓調(diào)節(jié)閥門特性曲線Fig.5 High pressure control valve characteristic curve

為了滿足OAP能夠應(yīng)對(duì)機(jī)組從額定負(fù)荷瞬間甩掉不少于50%FP所產(chǎn)生的瞬態(tài)，TU1的OAP轉(zhuǎn)速判斷閾值應(yīng)小于額定轉(zhuǎn)速的102.26%?！逗穗姀S汽輪機(jī)儀表和控制技術(shù)條件》規(guī)定汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到DL/T996的性能和指標(biāo)要求［13］，DL/T996—2019《火力發(fā)電廠汽輪機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)條件》規(guī)定機(jī)組并網(wǎng)后，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速超過限值時(shí)（按當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)要求）OPC能動(dòng)作［14］。參考上述行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和機(jī)組所在電網(wǎng)要求，保守原則下將TU1的OAP轉(zhuǎn)速判斷閾值最終修改為額定轉(zhuǎn)速的102%。

4 結(jié)語(yǔ)

部分在建的華龍一號(hào)（HPR1000）核電機(jī)組、國(guó)和一號(hào)（CAP1400）核電機(jī)組使用的汽輪機(jī)與TU1的汽輪機(jī)屬于相同技術(shù)路線，OPC的保護(hù)控制邏輯基本相同（參數(shù)略有差異），在機(jī)組設(shè)計(jì)、調(diào)試啟動(dòng)階段可參考本文給出的分析方法和處理方案對(duì)OAP的控制保護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，防止因OAP控制保護(hù)參數(shù)設(shè)置不合理造成OPC非預(yù)期反復(fù)動(dòng)作，降低機(jī)組受外部電網(wǎng)短時(shí)故障干擾發(fā)生非計(jì)劃停機(jī)、停堆事件的風(fēng)險(xiǎn)。