三門核電廠汽機(jī)轉(zhuǎn)速控制特點(diǎn)分析

摘 要：汽輪機(jī)作為核電廠主要設(shè)備之一，其轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的可靠性和完備性直接關(guān)系到核電廠的安全啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行。文章通過探討三門核電廠汽輪機(jī)在沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)前后及正常功率運(yùn)行期間各種轉(zhuǎn)速控制模式下的控制邏輯、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和設(shè)計(jì)特點(diǎn)，分析總結(jié)其先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，以期對機(jī)組的調(diào)試和運(yùn)行提供參考。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；沖轉(zhuǎn)；調(diào)速器；超速

1 概述

三門核電廠汽輪機(jī)及其控制系統(tǒng)采用日本三菱公司設(shè)計(jì)，該型汽輪機(jī)額定功率1251MWe，額定轉(zhuǎn)速1500rpm，采用四缸六排汽雙流對稱布置（一高壓缸，三低壓缸），共設(shè)置4個(gè)主汽閥（MSV）、4個(gè)主調(diào)閥（GV）、6個(gè)再熱主汽閥（RSV）和6個(gè)再熱調(diào)閥（ICV）。汽機(jī)控制系統(tǒng)產(chǎn)生的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)主汽閥、主調(diào)閥和再熱調(diào)閥的伺服機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)閥門開度，實(shí)現(xiàn)汽機(jī)不同運(yùn)行階段的轉(zhuǎn)速或負(fù)荷控制。文章主要針對三門核電廠汽機(jī)在沖轉(zhuǎn)啟動(dòng)、并網(wǎng)前后及正常功率運(yùn)行期間各種轉(zhuǎn)速控制模式的設(shè)計(jì)特點(diǎn)分別進(jìn)行探討。

2 汽機(jī)沖轉(zhuǎn)控制（MSV控制）

與傳統(tǒng)核電汽輪機(jī)組使用主調(diào)閥沖轉(zhuǎn)啟動(dòng)的方式不同，三門核電廠汽輪機(jī)采用主汽閥作為汽機(jī)沖轉(zhuǎn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為此，主汽閥的閥芯中央設(shè)置了獨(dú)特的小流量先導(dǎo)小閥，只有當(dāng)先導(dǎo)小閥在閥桿驅(qū)動(dòng)下全開后，主汽閥閥芯才能開啟。因此，在沖轉(zhuǎn)控制模式下，汽機(jī)控制系統(tǒng)產(chǎn)生的控制信號(hào)通過調(diào)節(jié)汽機(jī)主汽閥先導(dǎo)小閥閥位，進(jìn)而控制汽機(jī)進(jìn)汽量，最終實(shí)現(xiàn)汽機(jī)從零轉(zhuǎn)速向額定轉(zhuǎn)速的升速啟動(dòng)。

為了實(shí)現(xiàn)這種獨(dú)特的沖轉(zhuǎn)方式，在沖轉(zhuǎn)前，汽機(jī)控制系統(tǒng)會(huì)向汽機(jī)主調(diào)閥和再熱主調(diào)閥提供全開偏置信號(hào)使其在沖轉(zhuǎn)控制期間始終保持全開，此時(shí)，未配置電液伺服機(jī)構(gòu)的再熱主汽閥在調(diào)節(jié)油壓的作用下也保持開啟，僅有主汽閥處于全關(guān)狀態(tài)。

汽機(jī)沖轉(zhuǎn)程序啟動(dòng)后，主汽閥的先導(dǎo)小閥開始接受沖轉(zhuǎn)控制模式下的控制信號(hào)，為實(shí)現(xiàn)沖轉(zhuǎn)過程快速、平穩(wěn)、可控，沖轉(zhuǎn)控制采用比例控制加前饋補(bǔ)償?shù)目刂品绞?，如圖1所示。其中，參考轉(zhuǎn)速由人工選定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速和升速速率自動(dòng)計(jì)算獲取，實(shí)測轉(zhuǎn)速由3個(gè)控制專用的轉(zhuǎn)速計(jì)信號(hào)經(jīng)中值選擇獲得。參考轉(zhuǎn)速與實(shí)測轉(zhuǎn)速的偏差（即轉(zhuǎn)速偏差）乘以比例系數(shù)得到了比例控制信號(hào)，而以參考轉(zhuǎn)速作為輸入的函數(shù)發(fā)生器FX1輸出前饋控制信號(hào)，二者求和得到MSV閥位需求信號(hào)。由于主汽閥先導(dǎo)小閥的開度與蒸汽流量并非為線性關(guān)系，因此閥位需求信號(hào)還需通過函數(shù)發(fā)生器FX2進(jìn)行修正，最終形成的MSV閥門開度指令，伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)隨即對先導(dǎo)小閥開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使汽機(jī)按照預(yù)定的升速率平穩(wěn)啟動(dòng)，直至達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

3 調(diào)速器控制（GOV控制）

汽機(jī)沖轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速后，汽機(jī)控制系統(tǒng)需要從沖轉(zhuǎn)控制模式切換到調(diào)速器控制模式，以便后續(xù)通過控制主調(diào)閥和再熱調(diào)閥的開度進(jìn)行轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的調(diào)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的無擾切換，汽機(jī)控制系統(tǒng)專門設(shè)置了閥門切換功能。一旦啟動(dòng)閥門切換，沖轉(zhuǎn)控制模式下賦予主調(diào)閥和再熱調(diào)閥的全開偏置信號(hào)便會(huì)自動(dòng)線性降低，使閥門逐漸關(guān)閉，最終1個(gè)主調(diào)閥保持約4%的無負(fù)荷空轉(zhuǎn)設(shè)定開度，另外3個(gè)主調(diào)閥全關(guān)，而6個(gè)再熱主調(diào)閥則保持約60%開度。當(dāng)主調(diào)閥和再熱調(diào)閥就位后，4個(gè)主汽閥同時(shí)接收線性增加的全開偏置信號(hào)，使之逐漸開啟至全開狀態(tài)。至此，汽機(jī)控制模式切換完成。

調(diào)速器控制模式既可在機(jī)組并網(wǎng)前或孤島運(yùn)行期間使汽機(jī)保持額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，也可在并網(wǎng)后根據(jù)電網(wǎng)頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)汽機(jī)負(fù)荷輸出，參與電網(wǎng)一次調(diào)頻。調(diào)速器控制采用比例控制方式，如圖2所示。其中，實(shí)測轉(zhuǎn)速與沖轉(zhuǎn)控制模式下的信號(hào)源相同，均為中選轉(zhuǎn)速信號(hào)。參考轉(zhuǎn)速則取決于機(jī)組的運(yùn)行工況，機(jī)組并網(wǎng)前，參考轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)速設(shè)定值，該定值既可在1500±90rpm的范圍內(nèi)手動(dòng)調(diào)節(jié)，亦可由同期裝置在并網(wǎng)前根據(jù)需要自動(dòng)進(jìn)行微量調(diào)節(jié)，以便機(jī)組并網(wǎng)。一旦機(jī)組并網(wǎng)成功，參考轉(zhuǎn)速則強(qiáng)制為額定轉(zhuǎn)速，不得改變。參考轉(zhuǎn)速與實(shí)測轉(zhuǎn)速的偏差與乘以比例系數(shù)，再與GOV負(fù)荷設(shè)定值（并網(wǎng)前初始值為0）相加計(jì)算得到閥位需求信號(hào)。由于主調(diào)閥和再熱調(diào)閥的開度與蒸汽流量并非為線性關(guān)系，因此閥位需求信號(hào)還需經(jīng)函數(shù)發(fā)生器FX3、FX4分別進(jìn)行修正，最終計(jì)算獲得主調(diào)閥和再熱調(diào)閥的開度指令，使汽機(jī)在GOV負(fù)荷設(shè)定值對應(yīng)的負(fù)荷輸出下維持額定轉(zhuǎn)速。

機(jī)組并網(wǎng)后，汽機(jī)可在調(diào)速器控制模式下根據(jù)電網(wǎng)頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)荷輸出。當(dāng)電網(wǎng)頻率低于額定值時(shí)，GOV負(fù)荷設(shè)定值自動(dòng)增加，開大主調(diào)閥和再熱主調(diào)閥，以增加機(jī)組負(fù)荷輸出，反之亦然，其負(fù)荷設(shè)定值與頻率特性曲線如圖3所示。

4 調(diào)速器自動(dòng)跟蹤

機(jī)組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻雖有利于電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定，但汽機(jī)若長時(shí)間保持這樣的運(yùn)行方式會(huì)增加核電廠反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)的擾動(dòng)，并使相關(guān)設(shè)備、管道受熱應(yīng)力頻繁變化而產(chǎn)生不利影響，因此，核電汽輪發(fā)電機(jī)組一般采取帶基本負(fù)荷的運(yùn)行方式。與傳統(tǒng)核電廠類似，三門核電廠汽機(jī)在并網(wǎng)后需要從調(diào)速器控制模式切換到負(fù)荷限制器控制（LL控制）模式，通過機(jī)組負(fù)荷輸出與閥門開度的預(yù)設(shè)關(guān)系，將LL負(fù)荷設(shè)定值直接轉(zhuǎn)化為主調(diào)閥和再熱調(diào)閥的開度指令，實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行期間負(fù)荷控制，而不再考慮電網(wǎng)頻率的變化。

雖然此時(shí)機(jī)組處于負(fù)荷限制器控制模式，但調(diào)速器控制仍然自動(dòng)跟蹤當(dāng)前汽機(jī)負(fù)荷，并始終保持GOV負(fù)荷設(shè)定值比LL負(fù)荷設(shè)定值高出10%額定功率的固定帶寬。一旦因外電網(wǎng)或汽機(jī)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，汽機(jī)轉(zhuǎn)速隨電網(wǎng)頻率升高而增加，GOV負(fù)荷設(shè)定值將自動(dòng)線性降低，當(dāng)其降至小于與LL負(fù)荷設(shè)定值時(shí)（對應(yīng)頻率為

50.225Hz），汽機(jī)控制模式將自動(dòng)從負(fù)荷控制器控制切換到調(diào)速器控制。由于GOV負(fù)荷設(shè)定值與頻率成反比，隨著頻率的繼續(xù)升高，主調(diào)閥和再熱主調(diào)閥將在調(diào)速器控制模式下逐漸關(guān)小，降低機(jī)組負(fù)荷輸出，使機(jī)組平穩(wěn)地從瞬態(tài)過渡到穩(wěn)態(tài)，避免進(jìn)一步超速而導(dǎo)致超速保護(hù)動(dòng)作，自動(dòng)跟蹤特性曲線如圖4所示。

5 結(jié)束語

三門核電廠汽機(jī)的沖轉(zhuǎn)控制模式、調(diào)速器控制模式和調(diào)速器自動(dòng)跟蹤功能作為相互銜接的有機(jī)整體，實(shí)現(xiàn)了汽機(jī)不同運(yùn)行工況、不同運(yùn)行階段的轉(zhuǎn)速控制功能，相比于傳統(tǒng)核電廠，它擁有一系列獨(dú)特的設(shè)計(jì)特點(diǎn)：（1）利用主汽閥先導(dǎo)小閥進(jìn)行沖轉(zhuǎn)啟動(dòng)可以有效

地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速精確控制，在低轉(zhuǎn)速區(qū)控制性能更加優(yōu)異；主汽閥作為汽機(jī)保護(hù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其嚴(yán)密性也要遠(yuǎn)好于主調(diào)閥，可以有效避免傳統(tǒng)核電廠在沖轉(zhuǎn)前因主調(diào)閥內(nèi)漏而導(dǎo)致汽機(jī)意外升速、超速等異常情況的發(fā)生。（2）比例加前饋補(bǔ)償?shù)臎_轉(zhuǎn)控制方式不僅能盡量地消除控制偏差，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，還能避免由于積分效應(yīng)引起的控制振蕩。（3）鑒于汽機(jī)不同轉(zhuǎn)速控制模式下的執(zhí)行機(jī)構(gòu)不同，閥門自動(dòng)切換功能結(jié)合閥位偏置信號(hào)的運(yùn)用實(shí)現(xiàn)了沖轉(zhuǎn)控制模式到調(diào)速器控制模式的全自動(dòng)無擾切換。（4）調(diào)速器控制不僅使汽機(jī)具備在額定轉(zhuǎn)速附近控制負(fù)荷輸出和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的能力，同時(shí)調(diào)速器自動(dòng)跟蹤功能也彌補(bǔ)了機(jī)組在并網(wǎng)后帶基本負(fù)荷運(yùn)行期間負(fù)荷限制器控制沒有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)功能的弊端，形成防止汽機(jī)超速的第一道屏障。（5）汽機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)每類汽機(jī)閥門的特性分別設(shè)置修正函數(shù)，在

不同轉(zhuǎn)速控制模式下，保證閥門的控制信號(hào)與蒸汽流量呈良好地線性關(guān)系，極大改善汽機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷輸出的控制特性。

綜上所述，三門核電廠的汽機(jī)轉(zhuǎn)速控制功能全面、自動(dòng)化程度高、融入了眾多傳統(tǒng)核電汽輪機(jī)組所不具備的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，使汽輪發(fā)電機(jī)組不同運(yùn)行階段的轉(zhuǎn)速控制功能有機(jī)結(jié)合，對保障機(jī)組安全啟動(dòng)、可靠運(yùn)行具有重要意義。

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