揭其良，郭軼娜，劉國(guó)華，王 禮

(1.華電電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310030；2.國(guó)網(wǎng)沈陽(yáng)供電公司，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

1 119 MW核電機(jī)組一次調(diào)頻靜態(tài)試驗(yàn)分析

揭其良1，郭軼娜2，劉國(guó)華1，王 禮1

(1.華電電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310030；2.國(guó)網(wǎng)沈陽(yáng)供電公司，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

紅沿河核電站1號(hào)機(jī)是東北地區(qū)首臺(tái)百萬(wàn)千瓦級(jí)別核電機(jī)組，裝機(jī)容量大，其一次調(diào)頻性能對(duì)電網(wǎng)和機(jī)組安全影響較大。文中介紹了紅沿河核電1號(hào)1 119 MW汽輪機(jī)組一次調(diào)頻功能的實(shí)現(xiàn)方式，闡述了在首次并網(wǎng)前進(jìn)行的一次調(diào)頻功能靜態(tài)試驗(yàn)方法，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)該機(jī)組的一次調(diào)頻負(fù)荷響應(yīng)滯后時(shí)間、負(fù)荷響應(yīng)穩(wěn)態(tài)時(shí)間和一次調(diào)頻調(diào)整幅度的偏差等指標(biāo)進(jìn)行了計(jì)算分析。結(jié)果表明紅沿河1 119 MW核電機(jī)組一次調(diào)頻功能工作正常。

核電；一次調(diào)頻；靜態(tài)試驗(yàn)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，近年來(lái)電網(wǎng)容量不斷增大，大工廠大用戶不斷增多，在網(wǎng)發(fā)電機(jī)組類型也逐步增多。為了提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，減少電網(wǎng)頻率的波動(dòng)，增強(qiáng)電網(wǎng)抵抗事故風(fēng)險(xiǎn)能力，各發(fā)電機(jī)組必須具備一次調(diào)頻快速調(diào)整能力[1]。由于系統(tǒng)內(nèi)機(jī)組跳閘或大用戶發(fā)生跳閘時(shí)電網(wǎng)頻率發(fā)生瞬間變化，一般變化幅度較大，要求網(wǎng)上機(jī)組負(fù)荷能夠在允許范圍內(nèi)快速調(diào)整以彌補(bǔ)網(wǎng)上負(fù)荷缺口。保證電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的過程，稱為一次調(diào)頻[2]。一次調(diào)頻是汽輪發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行的基本特性之一，電網(wǎng)網(wǎng)頻越過一次調(diào)頻“死區(qū)”時(shí)，汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)頻率的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)汽門開度，改變汽輪機(jī)功率以適應(yīng)頻率變化。紅沿河核電廠1號(hào)機(jī)是東北地區(qū)首臺(tái)百萬(wàn)千瓦級(jí)別核電機(jī)組，單臺(tái)機(jī)組裝機(jī)容量達(dá)到1 119 MW，其一次調(diào)頻性能對(duì)電網(wǎng)和機(jī)組安全以及經(jīng)濟(jì)效益影響較大。一次調(diào)頻靜態(tài)試驗(yàn)可以提前分析機(jī)組一次調(diào)頻參數(shù)是否滿足《遼寧電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻管理規(guī)定》等有關(guān)要求，對(duì)機(jī)組獲得并網(wǎng)許可有著重要意義。因此對(duì)該機(jī)組進(jìn)行了一次調(diào)頻靜態(tài)試驗(yàn)。

核電機(jī)組一次調(diào)頻功能的實(shí)現(xiàn)是在汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中完成的。紅沿河核電站汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用由ALSTOM公司開發(fā)的P320 TGC V2+控制系統(tǒng)。P320為自動(dòng)控制系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)汽機(jī)調(diào)節(jié)和保護(hù)功能，具有汽機(jī)啟動(dòng)、速度控制、負(fù)荷控制、自動(dòng)限制、快速甩負(fù)荷、一次調(diào)頻、汽機(jī)自動(dòng)停機(jī)、定期試驗(yàn)等功能，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)為4組高壓進(jìn)汽閥組和4組中壓進(jìn)汽閥組。

1 一次調(diào)頻的實(shí)現(xiàn)過程

1.1 核電1 119 MW汽輪發(fā)電機(jī)一次調(diào)頻功能的 實(shí)現(xiàn)

汽輪機(jī)控制系統(tǒng)將頻差信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)速不等率設(shè)計(jì)函數(shù)直接疊加在汽輪機(jī)調(diào)速汽門綜合指令處，同時(shí)功率回路的功率指令亦根據(jù)轉(zhuǎn)速不等率設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)頻功率定值補(bǔ)償，且補(bǔ)償?shù)恼{(diào)頻功率定值不經(jīng)過速率限制。其實(shí)現(xiàn)過程如圖1所示。

圖1 1119MW汽輪發(fā)電機(jī)一次調(diào)頻功能示意圖

一次調(diào)頻閥門增量信號(hào)是通過電網(wǎng)頻差經(jīng)“頻差—閥門增量”函數(shù)運(yùn)算后產(chǎn)生。該校正指令不經(jīng)速率限制，通過閉環(huán)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)頻負(fù)荷增量的穩(wěn)定調(diào)控[3]。在此控制方式下，電網(wǎng)頻差所產(chǎn)生的閥門開度增量值，直接作用于汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥，與當(dāng)前閥門控制命令值疊加后，形成具有一次調(diào)頻作用的閥門控制總指令，控制汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的開關(guān)，完成具有一次調(diào)頻作用的閥門控制。

上述環(huán)節(jié)中的負(fù)荷指令、閥位總指令和一次調(diào)頻頻率貢獻(xiàn)均送到反應(yīng)堆控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)堆—機(jī)協(xié)調(diào)控制過程。

1.2 一次調(diào)頻負(fù)荷補(bǔ)償量的計(jì)算

機(jī)組一次調(diào)頻頻率死區(qū)是調(diào)節(jié)系統(tǒng)在額定轉(zhuǎn)速附近對(duì)轉(zhuǎn)速的不靈敏區(qū)，目的是在網(wǎng)頻變化較小的情況下保持機(jī)組穩(wěn)定性。紅沿河核電站一次調(diào)頻死區(qū)設(shè)置為-0.15～+1.25 Hz。

負(fù)荷補(bǔ)償量(ΔP)是由機(jī)組速度變動(dòng)率δ和頻率偏差Δn等相關(guān)參數(shù)計(jì)算得到的。電網(wǎng)中各機(jī)組通常按照容量相對(duì)值承擔(dān)一次調(diào)頻量，因此各機(jī)組的速度變動(dòng)率設(shè)置大致相同，一般設(shè)置為4%～6%[4]。計(jì)算公式如式(1)所示：

ΔP= (P×Δn)/(50×δ)

(1)

式中：P為機(jī)組額定容量，MW；Δn為扣除轉(zhuǎn)速死區(qū)后的實(shí)際頻率偏差，Hz；ΔP為實(shí)際負(fù)荷增量，MW；δ為紅沿河核電站1 119 MW機(jī)組一次調(diào)頻速度變動(dòng)率，設(shè)置為4%[5]。

按照《遼寧電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻管理規(guī)定》，一次調(diào)頻最大負(fù)荷變化幅度為額定負(fù)荷的±6%，即67.08 MW。結(jié)合式(1)的計(jì)算結(jié)果，該機(jī)組一次調(diào)頻負(fù)荷補(bǔ)償曲線如圖2所示。

圖2 一次調(diào)頻頻差-負(fù)荷曲線

2 試驗(yàn)過程

根據(jù)一次調(diào)頻負(fù)荷響應(yīng)范圍的要求，其負(fù)荷響應(yīng)必須在機(jī)組最低穩(wěn)定運(yùn)行負(fù)荷以上，結(jié)合CPR1000核電機(jī)組最小穩(wěn)定出力要求，該試驗(yàn)在900 MW以上的負(fù)荷工況下運(yùn)行。

試驗(yàn)中要求輸入的網(wǎng)頻偏差信號(hào)是通過手動(dòng)強(qiáng)制設(shè)置的方式完成的，強(qiáng)制使用的設(shè)備是汽輪機(jī)控制系統(tǒng)的仿真平臺(tái)。

閥門指令信號(hào)的變化作用在閥門的控制機(jī)構(gòu)上會(huì)引起閥位反饋的變化。同時(shí)汽機(jī)控制系統(tǒng)采集到的當(dāng)前發(fā)電功率也是實(shí)時(shí)變化的。

試驗(yàn)中使用到的工具儀器有汽輪機(jī)系統(tǒng)的仿真平臺(tái)、汽輪機(jī)模型、數(shù)據(jù)記錄儀。整體的試驗(yàn)步驟如下。

a.汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)復(fù)位，汽輪機(jī)模型準(zhǔn)備運(yùn)行。

b.汽輪機(jī)模型模擬沖轉(zhuǎn)過程，至額定1 500 r/min。具備模擬并網(wǎng)條件。

c.汽輪機(jī)模型模擬并網(wǎng)過程，檢查并網(wǎng)后的初始負(fù)荷，并開始升負(fù)荷，設(shè)定目標(biāo)負(fù)荷900 MW。

d.發(fā)電負(fù)荷達(dá)到900 MW時(shí)具備試驗(yàn)條件，完成試驗(yàn)結(jié)果采集的準(zhǔn)備工作。

e.在汽輪機(jī)仿真平臺(tái)上強(qiáng)制改變網(wǎng)頻信號(hào)，使得汽輪機(jī)模型的轉(zhuǎn)速也同時(shí)發(fā)生變化。該轉(zhuǎn)速的變化被汽輪機(jī)控制系統(tǒng)采集并用于一次調(diào)頻功能。保持該頻差信號(hào)，直到發(fā)電功率達(dá)到穩(wěn)定值。在這個(gè)過程中觀察汽輪機(jī)模型的閥門開度等參數(shù)值發(fā)生變化，同時(shí)汽輪機(jī)控制系統(tǒng)采集到的發(fā)電功率信號(hào)也會(huì)發(fā)生變化。

f.記錄網(wǎng)頻偏差信號(hào)和汽輪機(jī)的發(fā)電功率的變化過程并保存數(shù)據(jù)。

g.在汽輪機(jī)仿真平臺(tái)上恢復(fù)網(wǎng)頻信號(hào)到50 Hz，待汽輪機(jī)控制系統(tǒng)響應(yīng)穩(wěn)定后進(jìn)行下一工況試驗(yàn)。

h.在汽輪機(jī)仿真平臺(tái)上改變強(qiáng)制的網(wǎng)頻偏差，記錄網(wǎng)頻偏差和汽輪機(jī)發(fā)電功率的變化過程。

在試驗(yàn)過程中，要求汽輪機(jī)仿真平臺(tái)和汽輪機(jī)模型工作穩(wěn)定，并且能夠及時(shí)響應(yīng)。同時(shí)檢查并確認(rèn)汽輪機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)沒有異常報(bào)警或異常工況出現(xiàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

按照上述試驗(yàn)步驟，考慮到頻率死區(qū)較大(網(wǎng)頻高于50.15 Hz或網(wǎng)頻低于48.75 Hz)，分別施加頻差為0.185 Hz和0.225 Hz的階躍脈沖。圖3為頻差為0.225 Hz時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果。

圖3 頻差為0.225 Hz時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果

表1中記錄了4次試驗(yàn)的詳細(xì)結(jié)果。其中有效頻差指的是在頻差中扣除死區(qū)后的實(shí)際產(chǎn)生控制作用的頻差，理論負(fù)荷增量是依據(jù)式(1)的計(jì)算結(jié)果。

表1 一次調(diào)頻靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

4 試驗(yàn)分析

4.1 分析標(biāo)準(zhǔn)

一次調(diào)頻負(fù)荷響應(yīng)滯后時(shí)間(β1)是指運(yùn)行機(jī)組從電網(wǎng)頻率越過該機(jī)組一次調(diào)頻的死區(qū)開始，到該機(jī)組的負(fù)荷開始變化時(shí)為止所需的時(shí)間。

一次調(diào)頻負(fù)荷調(diào)整幅度(β2)是指從電網(wǎng)頻率越過該機(jī)組一次調(diào)頻的死區(qū)開始，在15 s內(nèi)達(dá)到的最大負(fù)荷調(diào)整幅度。

一次調(diào)頻調(diào)整幅度的偏差(β3)是指在電網(wǎng)頻率變化超過機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)時(shí)的60 s內(nèi)，機(jī)組實(shí)際調(diào)整與理論調(diào)整負(fù)荷之差絕對(duì)值的平均值占理論調(diào)整最大幅度的百分比。

調(diào)頻響應(yīng)指數(shù)(βu)是指在電網(wǎng)頻率變化超過機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)開始3～60 s或至網(wǎng)頻回到正常死區(qū)范圍內(nèi)時(shí)止，機(jī)組一次調(diào)頻實(shí)際加權(quán)積分負(fù)荷要達(dá)到期望積分負(fù)荷的比例。計(jì)算過程如式(2)所示。

(2)

按照《遼寧電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻管理規(guī)定》[2]和《東北區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》，要求一次調(diào)頻負(fù)荷響應(yīng)滯后時(shí)間β1<3 s，負(fù)荷調(diào)整幅度指標(biāo)β2>90%，一次調(diào)頻響應(yīng)幅度偏差β3<±25%。調(diào)頻響應(yīng)指數(shù)βu>90%。為了方便試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)，將負(fù)荷響應(yīng)滯后時(shí)間的判定修改為第3 s時(shí)實(shí)際負(fù)荷的變化量β1，要求β1的變化方向是正確的。

4.2 分析結(jié)論

結(jié)合上述4個(gè)常規(guī)電廠驗(yàn)收準(zhǔn)則，對(duì)該機(jī)組的分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表2所示。

負(fù)荷響應(yīng)滯后時(shí)間β1：如表2所示，β1在網(wǎng)頻增加的情況下是負(fù)值。所以機(jī)組一次調(diào)頻負(fù)荷響應(yīng)滯后時(shí)間均小于3 s，滿足4.1對(duì)符合響應(yīng)滯后時(shí)間的要求。

表2 一次調(diào)頻靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果分析

負(fù)荷調(diào)整幅度β2：在第15 s時(shí)負(fù)荷調(diào)整達(dá)到該頻差下所對(duì)應(yīng)的理論負(fù)荷調(diào)整值的百分比均大于90%，滿足4.1節(jié)中對(duì)負(fù)荷調(diào)整幅度的要求。

一次調(diào)頻響應(yīng)幅度偏差β3：機(jī)組進(jìn)行一次調(diào)頻死區(qū)的60 s內(nèi)，機(jī)組實(shí)際調(diào)整與理論調(diào)整負(fù)荷之差絕對(duì)值的平均值占理論調(diào)整最大幅度的百分比均小于25%，滿足4.1節(jié)中對(duì)一次調(diào)頻響應(yīng)幅度偏差的要求。

調(diào)頻響應(yīng)指數(shù)βu：機(jī)組一次調(diào)頻實(shí)際加權(quán)積分負(fù)荷要達(dá)到期望積分負(fù)荷的比例均大于90%，滿足4.1節(jié)中對(duì)調(diào)頻響應(yīng)指數(shù)的要求。

試驗(yàn)結(jié)果表明，紅沿河核電站1 119 MW核電機(jī)組一次調(diào)頻功能能夠正常發(fā)揮作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以紅沿河核電廠1號(hào)機(jī)一次調(diào)頻靜態(tài)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，探索了一套適用于核電項(xiàng)目的一次調(diào)頻靜態(tài)試驗(yàn)方案，對(duì)于同類工程具有一定的借鑒意義。通過靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果分析表明，紅沿河1 119 MW核電機(jī)組的一次調(diào)頻功能正常，一次調(diào)頻性能指標(biāo)良好。

值得一提的是，《遼寧電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻管理規(guī)定》和《東北區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》中要求的指標(biāo)均是針對(duì)火力發(fā)電機(jī)組，國(guó)內(nèi)尚沒有針對(duì)核電機(jī)組一次調(diào)頻功能性能指標(biāo)的規(guī)定文件。

[1] 金 豐，陳建國(guó). 火電機(jī)組一次調(diào)頻和AGC性能優(yōu)化分析[J]. 東北電力技術(shù)，2014，35(5)：7-10.

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Static Test Analysis on Primary Frequency Modulation in 1 119 MW Nuclear Power Unit

JIE Qiliang1,GUO Yina2,LIU Guohua1,WANG Li1

(1.Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou，Zhejiang 310030，China;2.State Grid Shenyang Power Supply Company，Shenyang，Liaoning 110003，China)

The primary frequency regulation of Dalian Hongyanhe nuclear power station has significant effect on the safety of the power station，mode for implementation of the grid as the first 1 119 MW nuclear power station of north-east China is presented. This paper introduces the principle of primary frequency regulation function and the static test procedure. Performance like load delay time, load response setting time and the difference of adjusting range are analyzed according to the test result. The results show that the primary frequency regulation function works normally.

nuclear power; primary frequency regulation; static test

TM623

A

1004-7913(2017)02-0049-03

揭其良(1979)，男，碩士，高級(jí)工程師，從事發(fā)電廠熱工自動(dòng)化應(yīng)用與研究。

2016-11-30)