核电ALSTOM半速汽轮发电机组并网最小负荷及其衍生问题研究及解决方案

核电ALSTOM半速汽轮发电机组并网最小负荷及其衍生问题研究及解决方案

陈云梁,崔凯

福建宁德核电有限公司   福建福鼎   355200

摘要

针对某核电汽轮发电机组差频并网后遇到的系列问题，包括最小负荷存在不确定的问题，以及电功率表瞬时波动及显示不一致等衍生问题，本文阐述了最小负荷的生成逻辑，分析了并网后最小负荷不确定的后果，电功率瞬时变化等问题的故障原因，结合汽轮机控制原理、发电机并网原理及实际并网最小负荷情况提出了解决方案。

关键词：并网，最小负荷，汽轮机控制

1.引言

某核电机组采用额定功率为1089MW、1500r/min、单轴一次中间再热三缸四排汽凝汽式冲动式汽轮机组。自调试运行以来，汽轮发电机组历次并网最小负荷一直存在几个问题。

1.1 并网最小负荷与设计值额定功率5%存在偏差。因核电机组采用堆跟机的控制模式，当并网最小负荷过高时，可能导致一回路过冷，当并网最小负荷过低时，又可能导致汽轮机逆功率跳闸。

1.2并网瞬间机组电功率瞬时变化，比如某次发电机同期并网后最小负荷瞬时显示95MW之后马上跌至24MW。

并网最小负荷不确定及其衍生问题给机组安全运行带来的危害需仔细研究，并提出相应的解决措施。

2.分析

2.1 并网最小负荷与设计值额定功率5%存在偏差分析

最小负荷的生成逻辑如下：

图一：最小负荷生成逻辑简图

并网最小负荷由总蒸汽需求量换算而来，其中转速控制回路中维持空载1500r/min所需的蒸汽流量约为4%，目标转速与实测转速偏差产生的蒸汽需求量由于并网后一次调频死区投入，该偏差产生的蒸汽需求量为0，即转速回路产生的总蒸汽需求量为4%。由于并网瞬间，功率控制回路尚未投入，功率控制回路为0，同时最小负荷由5%固定蒸汽需求量+目标转速与实测转速偏差产生的蒸汽需求量产生。即并网瞬间，总蒸汽需求=空载蒸汽需求量4%+固定蒸汽需求量5%+目标转速与实测转速偏差产生的蒸汽需求量。从最小负荷的生成逻辑看，并网最小负荷与额定功率存在偏差的原因为生成逻辑中存在“目标转速与实测转速偏差产生的蒸汽需求量”，而该偏差的大小与方向在每次同期并网时不确定。若并网瞬间实际转速大于目标转速，形成负向蒸汽需求量，并网最小负荷将小于5%FP；若并网实际转速小于目标转速，形成正向蒸汽需求量，最小负荷将大于5%FP。

2.1.1 并网最小负荷不定的危害及解决办法

当并网最小负荷过高时，可能导致一回路过冷。从几次并网情况看电功率在40 MW时，旁路排气阀门依然有 50%开度，初步分析并网最小负荷大于80MW以上可能发生过冷。

同时运行技术规范规定“15%Pn以上，核功率提升速率须小于3% Pn/h”，而并网时核功率为14%，若并网时最小负荷过大，一回路过冷，核功率上升后将违反该技术规范。某电厂曾发生并网时最小负荷达到103MW，导致核功率上升，距离技术规范限值非常近。

针对并网最小负荷可能过高问题，目前已投入“开环并网负荷达到40MW，则自动投入闭环”，即当并网负荷达到40MW以后，即控制升功率，该改造能解决并网最小负荷过大，一回路过冷，导致核功率上升，违反技术规范的问题。

当并网最小负荷过低时，可能导致汽轮发电机组逆功率跳闸。逆功率保护定值为0.7%(-8.05MW)，延时60s跳机，若并网负荷过低操纵员将立即手动升功率，时间远小于60s，所以目前由于并网最小负荷过低，发生汽轮发电机组逆功率跳闸的风险极低。

2.2并网瞬间机组存在电功率瞬时波动分析

发电机通过同期装置判断并网条件满足后，选择最理想的时间发出合闸控制脉冲，闭合负荷开关实现并网。同期装置能实时采集发电机侧和电网侧电压的幅值、频率和相位，同期装置和汽轮机控制系统之间设有增、减转速指令和同期允许等接口信号，从而自动调节发电机侧的电压、频率以满足上述并网条件。目前设定每一个增、减转速指令的脉冲对汽轮机转速设定值产生0. 6 r /min（0.04%）的调节量，此调节量在1500rpm基础上进行加减运算，同期装置的调节转速即为前述分析最小负荷计算时的目标转速。

2.2.1并网瞬间功率波动原因分析    

由于采用差频并网模式，即发电机出口电压Ug频率fg大于电网电压Us频率fs才可并网，这将导致并网瞬间Ug超前于Us，发电机立即向电网输出有功功率，而此时由于调门无法瞬间动作响应，使得发电机原动转矩小于电网制动转矩，发电机转子减速，直至fg＜fs，此时又会使得Ug滞后于Us，发电机向系统吸收有功功率，使得发电机受到加速力矩，发电机转子增速，直至fg＞fs后Ug又超前于Us。如此往复几次，发电机转子经过几次摆动之后进入同步，所以并网瞬间功率波动属于两个系统同步并联震荡响应正常现象。

例如某次发电机同期并网后最小负荷瞬时显示95MW之后马上跌回至24MW并稳定，检查发现并网时刻发电机冲击电流为1.5KA，而发电机额定电流30739A，冲击电流远小于额定电流，对发电机本体无影响。

3.解决方案

针对前文所述的汽轮发电机组并网最小负荷及其衍生问题，某电厂已采取了很多措施和尝试，现列举如下：

3.1针对并网最小负荷不定问题，为防止并网最小负荷过高可能导致一回路过冷：已实施了“开环并网后，在40MW自动投入闭环”的改进，该改进能有效控制电功率过快上升，避免一回路过冷；

3.2调整同期装置调速脉冲的时间间隔。

减小调速需求发出的频率可以减小转速整定值的变化范围，达到减小最小负荷变化范围的要求。某电厂已将同期装置调速脉冲的间隔从1s设置为了5s。

3.3优化最小负荷生成逻辑

从最小负荷的设计思路来看，最小负荷是为了在并网瞬间机组带上的最小电功率，该

电功率即要保证安全稳定的发电响应，又要避免一回路过冷，由于目前核电机组采取14%核功率平台并网，该电功率要与14%核功率所匹配，经过计算，设计的最小负荷为额定电功率的5%，同时由于并网瞬间存在转速偏差所以要加入转速偏差量调节。根据其设计思路并网以后最小负荷的实际值不应该参考并网瞬间的转速偏差，而因采用实时转速偏差更为精准。而由于并网后，同期装置发出的目标转速将自动变为1500rpm，同时由于一次调频死区的投入（并网后投入），该部分转速偏差所对应的蒸汽需求量将变为0，机组将以5%的固定最小负荷并网，这是一种工程上简单可行、经济的并网方式。

4.结速语

并网最小负荷不定及其衍生问题是设计时未充分考虑并网瞬间转速偏差不定，

并网瞬间电流冲击等因素引起的，某电厂采取了一系列措施，目前再未发生过由于最小负荷及其衍生问题导致的并网失败。