唐平

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江省 嘉興市 314300）

0 引言

伴隨電力工業(yè)的蓬勃發(fā)展，特別是在特高壓和大容量直流輸電技術(shù)廣泛應(yīng)用后，華東電網(wǎng)對(duì)其直代管機(jī)組的一次調(diào)頻能力的要求更加嚴(yán)格。電網(wǎng)頻率的異常將嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-4]。華東電網(wǎng)基于其“三交七直”的特殊構(gòu)成和影響頻率的主要因素，要求其管轄的核電機(jī)組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻。目前，全球核電機(jī)組一般保持基本負(fù)荷運(yùn)行，極少參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻運(yùn)行。近年來(lái)，風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源迅速發(fā)展，其隨機(jī)性和難以預(yù)測(cè)的功率波動(dòng)特征導(dǎo)致電網(wǎng)頻率偏差增大[5-9]，電力系統(tǒng)原有的一次調(diào)頻能力不足，迫切需要原來(lái)承擔(dān)基本負(fù)荷的大型機(jī)組參與一次調(diào)頻。目前，全球范圍內(nèi)的核電機(jī)組由于技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等因素，均保持基本負(fù)荷運(yùn)行方式，極少參與電力系統(tǒng)一次調(diào)頻。同時(shí)，核電機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作期間，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)頻繁動(dòng)作，對(duì)機(jī)組的核安全帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于核電機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究較少，多數(shù)集中在核電機(jī)組的仿真分析和核電機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)分析方面[10-16]，核電機(jī)組一次調(diào)頻實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為缺乏。

本文以國(guó)內(nèi)某660 MW核電機(jī)組為研究對(duì)象，針對(duì)不同功率平臺(tái)進(jìn)行不同功率擾動(dòng)試驗(yàn)，分別得到不同擾動(dòng)下機(jī)組響應(yīng)的具體數(shù)據(jù)。同時(shí)，結(jié)合機(jī)組實(shí)際工況，利用MATLAB/Simulink建立數(shù)學(xué)模型，提出優(yōu)化方案。

1 機(jī)組配置簡(jiǎn)介

壓水堆核電機(jī)組一回路平均溫度控制系統(tǒng)采用A 模式，即一回路平均溫度漂移的折中方案。A 模式主要特點(diǎn)是：要求反應(yīng)堆在額定功率或接近額定功率水平下穩(wěn)定運(yùn)行，反應(yīng)堆核功率調(diào)節(jié)主要是通過(guò)改變一回路硼濃度的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。考慮可能出現(xiàn)的引起反應(yīng)堆功率瞬態(tài)的運(yùn)行方式，A 模式同時(shí)要求反應(yīng)堆具有快速調(diào)節(jié)核功率的能力，這種調(diào)節(jié)方法主要依靠控制棒完成。從國(guó)際上在運(yùn)壓水堆核電機(jī)組的運(yùn)行統(tǒng)計(jì)情況來(lái)看，A模式的核電機(jī)組為了滿足功率變化機(jī)動(dòng)性的要求，壓水堆核電機(jī)組應(yīng)具有一定的負(fù)荷快速跟蹤能力。根據(jù)技術(shù)規(guī)格書要求，機(jī)組80%循環(huán)壽期內(nèi)能進(jìn)行12-3-6-3 的負(fù)荷跟蹤能力[17]，以滿足電網(wǎng)的日負(fù)荷變化要求。同時(shí)，反應(yīng)堆在設(shè)計(jì)上具有跟蹤電功率負(fù)荷10%PF(PF表示滿功率)階躍功率變化及電功率負(fù)荷5%PF/min線性變化的調(diào)節(jié)能力。

正常運(yùn)行過(guò)程中，反應(yīng)堆核功率跟隨汽輪發(fā)電機(jī)電功率。當(dāng)電網(wǎng)頻率變化時(shí)，一次調(diào)頻動(dòng)作產(chǎn)生的功率補(bǔ)償信號(hào)疊加到汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的負(fù)荷整定值上，指令信號(hào)改變主蒸汽調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的進(jìn)汽量，響應(yīng)電網(wǎng)的一次調(diào)頻動(dòng)作。同時(shí)，另一路信號(hào)通過(guò)反應(yīng)堆平均溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制控制棒，以達(dá)到快速響應(yīng)溫度變化的目的。機(jī)組一次調(diào)頻控制原理如圖1所示。

圖1 機(jī)組一次調(diào)頻控制原理Fig.1 Primary frequency control principle of the unit

2 仿真模型搭建

CNP600型汽輪發(fā)電機(jī)組是由哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的凝汽式、單軸、帶有中間再熱的高壓調(diào)節(jié)汽輪機(jī)。

壓水堆核電機(jī)組汽輪機(jī)數(shù)字電液(digital electro-hydraulic，DEH)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型主要由以下環(huán)節(jié)構(gòu)成：一次調(diào)頻控制環(huán)節(jié)、汽輪發(fā)電機(jī)功率控制環(huán)節(jié)、電液轉(zhuǎn)換器環(huán)節(jié)、高壓調(diào)閥油動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié)、管道及容器的容積時(shí)間常數(shù)環(huán)節(jié)[18]。DEH 系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型[19-20]采用理論推導(dǎo)的方式建立，在MATLAB/Simulink環(huán)境建立的仿真函數(shù)方框圖如圖2 所示，其中相關(guān)參數(shù)初次取值為設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖2 汽輪發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)后的負(fù)荷控制仿真函數(shù)方框圖Fig.2 Block diagram of load control simulation function after grid connection of turbine generator set

3 算例分析

為深入分析核電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)頻率的響應(yīng)特性，在國(guó)內(nèi)某核電機(jī)組分別進(jìn)行了電功率為528、594、660 MW 3 個(gè)平臺(tái)的±1%Pe(Pe表示額定電功率)、±2%Pe、±3%Pe階躍試驗(yàn)。

3.1 528 MW電功率平臺(tái)擾動(dòng)試驗(yàn)期間參數(shù)變化

汽輪發(fā)電機(jī)組在528 MW 平臺(tái)運(yùn)行，分別進(jìn)行±1%Pe、±2%Pe、±3%Pe階躍試驗(yàn)，試驗(yàn)期間一次調(diào)頻的動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)符合指標(biāo)要求，機(jī)組參數(shù)變化符合機(jī)組設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)期間動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)、機(jī)組參數(shù)變化分別如表1、2所示，試驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)變化如圖3所示。

表1 528 MW平臺(tái)擾動(dòng)試驗(yàn)期間動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)Tab.1 Dynamic response indices of 528 MW platform during disturbance test

表2 528 MW平臺(tái)擾動(dòng)試驗(yàn)期間機(jī)組參數(shù)變化Tab.2 Changes of unit parameters during disturbance test of 528 MW platform

圖3 528 MW平臺(tái)擾動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)變化Fig.3 Data changes in the process of 528 MW platform disturbance test

在528 MW 平臺(tái)試驗(yàn)期間，高壓調(diào)門動(dòng)作正常，反應(yīng)堆功率跟隨正常，功率變化主要依靠控制棒的快速動(dòng)作來(lái)控制反應(yīng)性?？刂瓢鬌 棒的快速提升和下插在一定程度上會(huì)影響反應(yīng)堆內(nèi)部的功率分布，特別是反應(yīng)堆軸向功率分布。控制棒組的頻繁動(dòng)作導(dǎo)致堆芯內(nèi)部氙振蕩，燃料元件容易出現(xiàn)熱點(diǎn)。燃料棒內(nèi)部的芯塊也會(huì)由于快速的功率變化而產(chǎn)生密實(shí)現(xiàn)象，存在導(dǎo)致燃料包殼破損的風(fēng)險(xiǎn)?？刂瓢舻念l繁動(dòng)作還會(huì)帶來(lái)控制機(jī)構(gòu)的磨損，給反應(yīng)堆壓力邊界的完整性帶來(lái)一定的風(fēng)險(xiǎn)。

從圖3可以看出，在528 MW平臺(tái)進(jìn)行±3%Pe階躍試驗(yàn)時(shí)，主給水溫度變化±1.5 ℃，主汽壓力變化±0.15 MPa。

圖4 為528 MW 平臺(tái)高壓缸調(diào)節(jié)閥開(kāi)度變化，可以看出，進(jìn)行-3%Pe階躍試驗(yàn)時(shí)，高壓缸調(diào)節(jié)閥在2.03 s內(nèi)關(guān)閉到要求開(kāi)度，如圖4(a)所示；進(jìn)行3%Pe階躍試驗(yàn)時(shí)，高壓缸調(diào)節(jié)閥在1.99 s 內(nèi)開(kāi)啟到要求開(kāi)度，如圖4(b)所示。

圖4 528 MW平臺(tái)高壓缸調(diào)節(jié)閥開(kāi)度變化Fig.4 Opening changes of high pressure cylinder regulating valves of 528 MW platform

3.2 594 MW電功率平臺(tái)擾動(dòng)試驗(yàn)期間參數(shù)變化

汽輪發(fā)電機(jī)組在594 MW 平臺(tái)運(yùn)行，分別進(jìn)行±1%Pe、±2%Pe、±3%Pe階躍試驗(yàn)，試驗(yàn)期間動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)、機(jī)組參數(shù)變化分別如表3、4 所示，試驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)變化如圖5 所示。從表3、4 可以看出：汽輪機(jī)在594 MW 平臺(tái)運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)頻率出現(xiàn)波動(dòng)，機(jī)組出力和調(diào)差系數(shù)均能滿足電網(wǎng)一次調(diào)頻要求；機(jī)組對(duì)正向功率響應(yīng)的時(shí)間短于其對(duì)負(fù)向功率響應(yīng)的時(shí)間，調(diào)差系數(shù)相應(yīng)也要小一些，機(jī)組對(duì)于電網(wǎng)低頻故障能夠快速響應(yīng)。

表3 594 MW平臺(tái)擾動(dòng)試驗(yàn)期間動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)Tab.3 Dynamic response indices of 594 MW platform during disturbance test

表4 594 MW平臺(tái)擾動(dòng)試驗(yàn)期間機(jī)組參數(shù)變化Tab.4 Changes of unit parameters during disturbance test of 594 MW platform

圖5 594 MW平臺(tái)擾動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)變化Fig.5 Data changes in the process of 594 MW platform disturbance test

3.3 660 MW電功率平臺(tái)擾動(dòng)試驗(yàn)期間參數(shù)變化

汽輪發(fā)電機(jī)組在660 MW 平臺(tái)運(yùn)行，分別進(jìn)行±1%Pe、±2%Pe、±3%Pe階躍試驗(yàn)，試驗(yàn)期間動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)、機(jī)組參數(shù)變化分別如表5、6 所示，試驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)變化如圖6 所示。從表5、6 可以看出：汽輪機(jī)在660 MW 平臺(tái)運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)出現(xiàn)頻率波動(dòng)，機(jī)組出力和調(diào)差系數(shù)均可以滿足電網(wǎng)一次調(diào)頻要求，僅在電網(wǎng)頻率較高、汽輪發(fā)電機(jī)減負(fù)荷時(shí)，調(diào)差系數(shù)裕度偏??；機(jī)組對(duì)正向功率響應(yīng)的時(shí)間短于其對(duì)負(fù)向功率響應(yīng)的時(shí)間，調(diào)差系數(shù)相應(yīng)也要小一些，機(jī)組對(duì)于電網(wǎng)低頻故障能夠快速響應(yīng)。

表5 660 MW平臺(tái)擾動(dòng)試驗(yàn)期間動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)Tab.5 Dynamic response indexes of 660 MW platform during disturbance test

圖6 660 MW平臺(tái)擾動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)變化Fig.6 Data changes in the process of 660 MW platform disturbance test

從表6可以得出，汽輪機(jī)在660 MW平臺(tái)運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)出現(xiàn)頻率波動(dòng)，機(jī)組出力要求增加3%Pe時(shí)，機(jī)組實(shí)際出力為683 MW，折合反應(yīng)堆回路功率103.48%PF，超過(guò)反應(yīng)堆保護(hù)103%PF閾值，閉鎖控制棒的提升和一次調(diào)頻正向功率動(dòng)作。若此時(shí)沒(méi)有及時(shí)地控制功率，反應(yīng)堆也將因負(fù)溫度效應(yīng)而釋放一定的正反應(yīng)性，反應(yīng)堆有超功率的風(fēng)險(xiǎn)(技術(shù)規(guī)格書中要求堆芯熱功率不得超過(guò)102%PF)，同時(shí)因?yàn)橐欢芈窚囟绕钸^(guò)大，容易增加機(jī)組快速降功率的風(fēng)險(xiǎn)，這樣會(huì)加重電網(wǎng)在故障期間的負(fù)擔(dān)。機(jī)組出力要求增加3%Pe時(shí)，控制棒動(dòng)作幅度加大，反應(yīng)堆運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)加大。夏季由于海水溫度升高，凝汽器真空度降低，汽機(jī)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度較大，多數(shù)時(shí)間運(yùn)行在50%以上開(kāi)度(技術(shù)控制要求小于56%)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的蒸汽流量需求在96%左右。一旦出現(xiàn)一次調(diào)頻動(dòng)作要求增加負(fù)荷，特別是出力3%Pe需求，汽機(jī)的蒸汽流量需求超過(guò)98%的限值，導(dǎo)致汽輪機(jī)功率反饋兆瓦回路退出，汽輪發(fā)電機(jī)組控制變?yōu)殚_(kāi)環(huán)運(yùn)行，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)增大。

表6 660 MW平臺(tái)擾動(dòng)試驗(yàn)期間機(jī)組參數(shù)變化Tab.6 Changes of unit parameters during disturbance test of 660 MW platform

4 仿真及結(jié)果分析

核電機(jī)組的大型試驗(yàn)采用機(jī)組設(shè)計(jì)的參數(shù)值，同時(shí)結(jié)合調(diào)試過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)反饋，根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中的參數(shù)變化適當(dāng)調(diào)整參數(shù)的設(shè)置，以達(dá)到預(yù)期結(jié)果。修正后的仿真參數(shù)如表7所示。

表7 修正后的仿真參數(shù)Tab.7 Modified simulation parameters

根據(jù)修正后的模塊進(jìn)行模型仿真：假定機(jī)組以額定功率穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電力系統(tǒng)突發(fā)故障，產(chǎn)生電力負(fù)荷的動(dòng)態(tài)不平衡。此時(shí)，電力系統(tǒng)綜合有功功率需求增加，相應(yīng)汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速下降，觸發(fā)機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作，機(jī)組按照設(shè)定的要求向電網(wǎng)提供一定的功率需求。仿真過(guò)程中，在150 s 內(nèi)機(jī)組以5 MW/s 速率增加到額定功率660 MW 保持穩(wěn)定運(yùn)行，在150 s 時(shí)電力系統(tǒng)突發(fā)故障，發(fā)電機(jī)組負(fù)荷控制系統(tǒng)頻率偏差產(chǎn)生，觸發(fā)機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作。圖7 為功率輸出仿真曲線。

圖7 功率輸出仿真曲線Fig.7 Power output simulation curve

其中，150 s處動(dòng)作仿真曲線與機(jī)組實(shí)際試驗(yàn)動(dòng)作曲線對(duì)比如圖8 所示。修正后的仿真結(jié)果與機(jī)組試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表8所示。

表8 滿功率情況下修正后的一次調(diào)頻響應(yīng)指標(biāo)對(duì)比Tab.8 Comparison of modified primary frequency modulation response indices under full power condition

圖8 一次調(diào)頻功率輸出曲線比較Fig.8 Comparison of curves of primary frequency modulation power output

從表8 可以看出，仿真輸出和機(jī)組試驗(yàn)輸出結(jié)果均符合一次調(diào)頻技術(shù)要求。機(jī)組試驗(yàn)一次調(diào)頻穩(wěn)定輸出值約23 MW，與要求值19.8 MW偏差3.2 MW，一次調(diào)頻峰值輸出值約27 MW；模型仿真一次調(diào)頻穩(wěn)定輸出值約19.8 MW，與要求值無(wú)偏差，模型仿真一次調(diào)頻峰值輸出值約26.5 MW。機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)功率變送器量程為0～866 MW，測(cè)量精度為0.2%?？紤]機(jī)組功率變送器測(cè)量誤差后，機(jī)組穩(wěn)定輸出誤差僅為0.27%；機(jī)組試驗(yàn)輸出穩(wěn)定的時(shí)間實(shí)測(cè)值為29.0 s，仿真輸出穩(wěn)定的時(shí)間實(shí)測(cè)值為28.5 s，滿足DL/T 1235—2013 規(guī)定時(shí)間偏差小于2 s、功率偏差小于±30% 功率階躍量的要求[21-22]。由此可見(jiàn)，仿真模型能夠充分反映機(jī)組的一次調(diào)頻動(dòng)作，可以用于同類型核電機(jī)組的一次調(diào)頻模擬。

5 結(jié)論

1）通過(guò)660 MW核電機(jī)組一次調(diào)頻實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了機(jī)組在不同功率平臺(tái)能夠?qū)﹄娋W(wǎng)擾動(dòng)做出正確響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)積累的大量數(shù)據(jù)可以為核電機(jī)組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻提供數(shù)據(jù)支撐。

2）對(duì)仿真模型參數(shù)進(jìn)行修正，可以使機(jī)組的一次調(diào)頻能力更優(yōu)，該仿真模型可以用于同類型核電機(jī)組的一次調(diào)頻模擬。

3）汽輪機(jī)在660 MW平臺(tái)運(yùn)行時(shí)，夏季由于海水溫度較高，機(jī)組效率下降，被迫降低出力，此時(shí)若出現(xiàn)一次調(diào)頻動(dòng)作增加功率的情況，反應(yīng)堆出現(xiàn)超功率的風(fēng)險(xiǎn)非常高。建議華東電網(wǎng)在研究所轄區(qū)域機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)頻策略時(shí)采用梯隊(duì)方式，首先是水電和火電機(jī)組，其次是核電機(jī)組，同時(shí)優(yōu)化核電機(jī)組一次調(diào)頻投入退出條件。