福建福清核電有限公司 蔡紅偉

本文研究方向?yàn)榘偃f千瓦級(jí)壓水堆核電機(jī)組，采用ArabelleTM 1000MW 級(jí)大型汽輪機(jī)，汽輪機(jī)控制系統(tǒng)采用ALSTOM公司的P320 V2+控制系統(tǒng)，汽輪機(jī)主調(diào)閥的比例閥為KHDG5V、伺服卡為EEAPaM581D32。機(jī)組運(yùn)行以來經(jīng)歷多次調(diào)峰、調(diào)停及大修工作，在相同海水溫度情況下，機(jī)組在夏季工況下出現(xiàn)機(jī)組出力能力不足且成下降趨勢(shì)。

根據(jù)機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)分析：同等調(diào)閥開度下主蒸汽體積流量基本不變，蒸發(fā)器出口壓力降低，調(diào)閥前壓力降低，比容降低，導(dǎo)致流量降低。同等熱負(fù)荷下對(duì)應(yīng)的調(diào)閥開度要增加；熱效率分析，機(jī)組熱功率支持增大調(diào)閥開度而提高電功率；發(fā)電機(jī)的功率受制于調(diào)閥的開度限制，機(jī)組功率無法進(jìn)一步提升（機(jī)組調(diào)節(jié)閥的開度限值為64%。根據(jù)閥門流量曲線，蒸汽流量限制值為105%、對(duì)應(yīng)閥門開度為64%）。提高機(jī)組出力從以下兩方面來進(jìn)行研究：高壓調(diào)閥流量曲線優(yōu)化；增大調(diào)閥開度限值。

1 閥門流量曲線優(yōu)化

在汽輪機(jī)控制系統(tǒng)中，閥門流量特性曲線是指蒸汽流量需求指令與閥門開度的特定函數(shù)曲線。閥門設(shè)計(jì)流量曲線是由汽輪機(jī)制造廠在通過理論計(jì)算及仿真而獲得。但在實(shí)際運(yùn)行中，由于閥門的裝配、閥門的冷熱膨脹及長時(shí)間運(yùn)行對(duì)閥體的沖刷等都會(huì)對(duì)閥門的實(shí)際流量與開度的對(duì)應(yīng)關(guān)系造成影響。通過現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試將閥門流量曲線與實(shí)際流量特性盡可能做成一致。在機(jī)組運(yùn)行過程中如出現(xiàn)曲線偏離實(shí)際情況，可以根據(jù)機(jī)組運(yùn)行情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，從而改善汽輪機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的穩(wěn)定、安全運(yùn)行。

為使閥門流量特性曲線與閥門實(shí)際特性相符，在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，功率穩(wěn)定在不同功率平臺(tái)，建立閥門開度與功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，依次來調(diào)整閥門流量曲線，以使在不同功率平臺(tái)蒸汽需求值與功率設(shè)定值盡可能保持一致，功率控制原理見圖1。

圖1 功率控制原理圖

初始條件：機(jī)組并網(wǎng)帶負(fù)荷，負(fù)荷回路閉環(huán)投入，二回路及其輔助系統(tǒng)正常疏水投入。閥門原始流量曲線見圖2所示。實(shí)施方法：在機(jī)組帶負(fù)荷的過程中，觀察蒸汽流量需求值與功率設(shè)定值變化，在機(jī)組穩(wěn)態(tài)時(shí)，調(diào)整高壓閥門流量曲線使GRE414KM和GRE416KM 相近，不大于2%。

圖2 優(yōu)化前閥門流量曲線

圖3 優(yōu)化后閥門流量曲線

優(yōu)化前，閥門開度在72%（蒸汽流量指令104）以后即開始進(jìn)入陡增區(qū)域（斜率28），此時(shí)指令每變化1%閥門動(dòng)作28%，控制上極易出現(xiàn)振蕩，特別是在夏季工況，由于機(jī)組效率下降，主調(diào)節(jié)閥開度將開啟到陡變區(qū)域；優(yōu)化后，閥門開度流量曲線與實(shí)際曲線一致性較好，不同季節(jié)偏差均小于2%，改善了汽輪機(jī)調(diào)機(jī)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，增加了對(duì)一次調(diào)頻和機(jī)組其他瞬態(tài)工況的應(yīng)對(duì)能力。

2 增大主調(diào)閥限值

在一回路熱功率允許情況下，調(diào)閥開度限值調(diào)整后有其優(yōu)點(diǎn)。在夏季工況下，調(diào)閥開度較大，例如63%左右，如果機(jī)組出現(xiàn)一個(gè)調(diào)門或者截止閥故障關(guān)閉情況下，根據(jù)邏輯關(guān)系其他三組調(diào)閥快速開啟來補(bǔ)償。但是受制于限值作用則不能響應(yīng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)無法快速消除偏差。

2.1 限幅修改實(shí)施方法

根據(jù)圖1，汽機(jī)蒸汽需求量經(jīng)調(diào)閥流量-開度函數(shù)曲線F(x)整定，最終生成調(diào)閥開度控制信號(hào)，其中UL 為即為流量指令上限閾值，對(duì)應(yīng)的調(diào)閥開度即為開度限值。修改流量指令上限后，需注意以下方面對(duì)機(jī)組運(yùn)行的影響：閥門可能進(jìn)入開度-流量曲線的陡變區(qū)，振動(dòng)增大；反應(yīng)堆一回路熱功率、核功率超功率風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 閥門流量曲線優(yōu)化后問題

通過基于機(jī)組運(yùn)行工況進(jìn)行的調(diào)門流量曲線優(yōu)化，改善了調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制，但由于原修改邏輯中蒸汽流量指令上限的閾值105%（圖1中UL 值），而根據(jù)原來的曲線，105%對(duì)應(yīng)調(diào)閥開度100%，優(yōu)化修改后的105%則對(duì)應(yīng)于調(diào)閥開度的64%（而100%開度對(duì)應(yīng)的蒸汽流量上限閾值為107%）。根據(jù)原有設(shè)計(jì)流量曲線，設(shè)置105%閾值相當(dāng)于未對(duì)閥門開度進(jìn)行限制，此種設(shè)計(jì)從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)看是不合理的，因?yàn)樵陂_度進(jìn)入陡變區(qū)則會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)高或者壓力脈沖等效應(yīng)，且閥門在大于70%開度后對(duì)流量的貢獻(xiàn)很小，不利于機(jī)組的安全，設(shè)置合理的蒸汽流量指令閾值是有必要的。

電廠優(yōu)化后主調(diào)閥的流量曲線在70%以下斜率較為平滑未出現(xiàn)陡變，70%開度以上隨著蒸汽流量增加，則開度突然增加較大幅度進(jìn)入陡變區(qū)。在夏季機(jī)組的發(fā)電機(jī)主要受制于調(diào)閥開度64%的限制無法提升電功率，而此時(shí)一回路熱功率仍有較大裕量，這給增大主調(diào)閥限值提供了可支持性。

調(diào)節(jié)閥油壓脈沖風(fēng)險(xiǎn)。若蒸汽流量限值由105%修改為106%后，調(diào)節(jié)閥的開度限值由64%變?yōu)榱?0%，在64～70%開度之間閥門曲線將從1：4的斜率區(qū)間進(jìn)入1：8的斜率區(qū)間。蒸汽流量單位變化引起的開度變化相比于64%開度之前增加一倍。若產(chǎn)生閥門的頻繁波動(dòng)超調(diào)現(xiàn)象，則油壓脈沖將會(huì)增大，GFR 供油回路上的軟管可能因油壓脈沖波動(dòng)頻繁導(dǎo)致油管疲勞破損或者脈沖超過油管設(shè)計(jì)壓力。因此可根據(jù)油動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，加裝壓力測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)油壓脈沖波動(dòng)幅值，匹配對(duì)應(yīng)的金屬軟管。

一回路超功率風(fēng)險(xiǎn)。蒸汽需求量SD 是動(dòng)態(tài)值，根據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行參數(shù)等與目標(biāo)負(fù)荷參數(shù)進(jìn)行偏差計(jì)算，用于調(diào)節(jié)主調(diào)節(jié)閥開度，可有效防止堆芯超功率。

3 調(diào)閥限幅調(diào)整后驗(yàn)證

主調(diào)閥限值提升后閥門開度變化情況。機(jī)組實(shí)施汽機(jī)調(diào)閥開度限值變更后，在5月份的同參數(shù)相比（海水溫度為25～26℃左右）時(shí)閥門開度變化正常，且已超過64%的歷史開度限值，機(jī)組出力至少提高約4MW，隨著海水溫度升高，調(diào)閥開度逐步達(dá)到70%開度，提升電功率10MW，閥門開度變化滿足預(yù)期。

主調(diào)閥開度大于64%后油腔壓力變化情況。對(duì)比“已完成主調(diào)閥開度限值修改的機(jī)組油動(dòng)機(jī)油壓狀態(tài)”和“尚未完成修改的機(jī)組”可發(fā)現(xiàn)，在已完成修改機(jī)組1088MW、主調(diào)閥開度67%狀態(tài)下，油壓波動(dòng)周期約8s，上下峰值持續(xù)時(shí)間均約3s，波動(dòng)幅度各油動(dòng)機(jī)略有不同，均約在0.3MPa 左右；尚未修改機(jī)組在1087MW、63%～64%主調(diào)閥開度下，油壓波動(dòng)周期也為8s，上下峰值持續(xù)時(shí)間均約3s，波動(dòng)幅度均約在0.3MPa 左右；兩臺(tái)機(jī)組油壓波動(dòng)從周期、峰值、峰值持續(xù)時(shí)間基本一致，無明顯的差異，主調(diào)閥開度限值提升對(duì)油壓穩(wěn)定的周期性波動(dòng)無影響。

主調(diào)閥開度限值提升后，二回路水、汽參數(shù)變化情況。機(jī)組出力情況較上一年相同工況下已有較大程度改變，相同24.53℃海水下最高提升約8MWe出力。主給水溫度、調(diào)閥前壓力基本保持不變，綜合調(diào)閥開度限值變更及大修期間的蒸汽發(fā)生器性能提升相關(guān)工作的實(shí)施，主給水流量較去年相同工況明顯提升，整體流量在設(shè)計(jì)及設(shè)備允許范圍內(nèi)。機(jī)組主調(diào)閥開度限值變更后機(jī)組二回路主要汽水參數(shù)均處于正常狀態(tài)，機(jī)組出力提升效果明顯。

綜上，在核電汽輪發(fā)電機(jī)組在一回路效率有裕度的情況下，通過分析與驗(yàn)證，對(duì)汽輪機(jī)調(diào)閥開度與蒸汽流量曲線進(jìn)行優(yōu)化和修改蒸汽流量限值，可有效增加調(diào)節(jié)閥進(jìn)氣流量，提高電廠的發(fā)電能力。