核电站一次调频试验模拟

李海波

摘要：

为保证安全，核电机组在正式参与电网一次调频之前，需要经过充分的论证和试验；这些试验需要在对应的模拟机上进行，在不同工况下，设置不同的频率波动及死区区间，记录试验过程；这就要求模拟机具备相关场景的模拟能力，同时各系统（尤其是汽轮机调节相关系统）调节性能与实际机组一致或误差在可以接受的范围内，本文主要介绍核电站模拟机对一次调频这一过程的模拟。

关键词：核电站模拟机；一次调频

0 前言

根据电力系统安全稳定导则、电力系统调度规程、电网统调电厂运行管理办法、电网发电机组调速系统管理、发电机组并网安全条件及评价标准等条款的要求，各个电厂需要针对机组实际情况制定一次调频运行管理制度。一次调频功能是机组的必备功能之一，不应设计可由运行人员随意切除的功能，保证一次调频功能始终在投入状态，机组的一次调频负荷变化幅度应满足设计文件要求和有关规定，保障反应堆安全稳定运行。

为保证安全，核电机组在正式参与电网一次调频之前，需要经过充分的论证和试验；这些试验需要在参考机组与之对应的模拟机上进行，在不同工况下，设置不同的频率波动及死区区间，记录试验过程；这就要求模拟机具备相关场景的模拟机能力，同时各系统（尤其是汽轮机调节相关系统）调节性能与实际机组一致或误差在可以接受的范围内，本文主要介绍核电站模拟机对一次调频这一过程的模拟。

1 一次调频实验过程

1.1 汽轮机调节简介

汽轮机调节系统通过调节汽轮机进汽阀开度对机组实施转速控制、功率控制、频率控制和压力控制；根据汽轮机调速原理，汽轮机的蒸汽需求来源包含两部分：

（1）负荷需求：根据负荷定值（需要发出多少功率的电量）转化而来；

（2）转速需求：用于维持汽轮机每分钟1500转（半速机）的空载转速。

汽轮机从0rpm冲转至1500rpm的过程中，进汽阀开度由0逐渐开大至空载所需开度（国内某电站汽轮机空载转速蒸汽需求量约为4%），发电机同步并网之后，根据负荷需求进一步开大进汽阀，直至蒸汽需求量与负荷需求量匹配，汽轮机调节阀始终处于动态调节之中。

1.2死区

当电力系统出现有功负荷突变、三相短路、系统震荡以及异步运行等异常运行情况时，电网频率可能发生变化，参与一次调频的机组自动控制有功功率的增减，限值电网频率的变化，即一次调频过程；为了保障核电机组的安全，避免一次调频带来的一回路参数波动，核电机组一次调频可能设置了死区，即频率变化在某个范围（如-0.5%~2%）之内时，机组不参与一次调频；这部分逻辑的计算过程处于汽轮机转速需求的前端，即如果频率波动在死区范围之内，转速需求对应的蒸汽需求量不变，机组参与一次调频的试验论证工作之一，就是逐步放开死区，获取对于相关参数（主要指一回路参数，如温度、压力、棒位等）的影响。

1.3 一次调频试验过程

根据汽轮机调速原理，一次调频在模拟机上的详细实验过程如下：（1）设置汽轮机一次调频死区为±0.1Hz；（2）设置模拟机初始工况：800ＭＷ（温度控制棒处于调节带中部）、800MW（温度控制棒处于调节带顶部）、满功率（温度控制棒调节带中部）；（3）设置温度控制棒温差死区和功率控制棒棒位死区；（4）修改电网频率，阶跃引入频率偏差（t=t0）；（5）观察轴向功率偏差在梯形图上的走势、报警的触发和恢复情况、机组重要参数的变化趋势；（6）恢复电网频率，阶跃消除频率偏差（t=t0+1min）；（7）观察轴向功率偏差在梯形图上的走势、报警的触发和恢复情况、机组重要参数的变化趋势。

根据一次调频试验过程，需要在模拟机中配合完成以下动作：（1）汽轮机一次调频死区设置；（2）温度控制棒死区设置；功率控制棒死区设置；（3）电网频率变化的引入。

2 一次调频死区设置

汽轮机的转速需求生成过程：实际转速与额定转速比较，转速偏差经过死区判定后，再经过倾斜度修正，加上转速偏差积分，最终生成转速需求。其中转速偏差需在死区范围之外才会生成，若设置了调节死区且频差在死区范围内，则不生成转速偏差。死区在汽机包中通过逻辑实现，包含上限算法块、下限算法块；模拟机加载完初始工况后，需要首先设置汽轮机转差死区，搜索以上2个算法块，将其输入值改为需求值即可。

3 设置电网频率波动

同实际机组电气主接线一样，模拟机模拟的主外电网也包含电气主接线部分，发电机发出的电经出口断路器送出，少部分功率通过厂用变压器变压后供电厂使用，大部分功率则升压至外电网输送电压后送至主外电网。这里将主外电模拟成一个无穷大的源，频率为50HZ，当发电机冲转并网之后，电压频率和相位跟无穷大的外电网保持一致。由于外电网是无穷大电网，要实现频率的变化，可以通过两种方式来实现：（1）直接修改外电网频率：模拟机中通过两个转换器，可以对外电网模块频率和电压直接赋值，因为外电网为无穷大电网，处于并网状态的发电机会有相应的一次调频动作。（2）将无穷大电网更换为有限大的负荷：通过改变负载的电气参数（消耗的有功功率和无功功率），来实现整个电气系统频率的变化。

由于直接修改的外电网频率，电气系统跟随外电网频率变化，因此频率的变化几乎为阶跃响应，会使得一次调频动作，发电机功率变化，功率曲线为平滑的曲线，且有变缓的趋势。有限负载法可以通过故障插入的方式实现，在模拟机故障列表里找到相关故障，断开无穷大电网，并设置有限负载负荷；由于直接断开无穷大电网，接入有限负荷，因此功率的变化斜率较大，而频率的变化过程相对较是一个不断调节的过程。综上两种方法，直接修改外电网频率的方式才能满足一次调频试验需求（频率变化较为稳定，外电网的无穷大现象能够模拟出来）。

4 温度控制棒和功率控制棒的死区设置

为防止控制棒的频繁移动，温度控制棒设置了死区和回环，功率控制棒也设置了死区。死区的设置较为简单，对照模拟图，在相应的DCS控制机柜找到对应的逻辑，利用模拟机DCS工程师站参数修改功能即可直接更改，修改完成之后需要保存并下装至服务器。

5 结语

一次调频功能是机组的必备功能之一，但核电机组频繁进行一次调频可能降低核岛和常规岛的一些关键设备的可靠性：比如控制棒与其驱动机构及导向管之间的磨损，使控制棒的可靠性降低，可能导致控制棒落棒事故、弹棒事故等；再如一些阀门的频繁动作，会使设备可靠性降低。因此，核电机组参与一次调频是需要经过充分论证和试验的，模拟机对这一过程的精准模拟模拟，将为一次调频死区的设置提供的数据参考，为运行人员对于一次调频下机组的控制提供演练场景，为机组最终参与一次调频提供可靠的安全评价依据。