某核电厂汽轮机甩负荷转速飞升过高问题分析与处理--中国期刊网

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某核电厂汽轮机甩负荷转速飞升过高问题分析与处理

发表时间：2020/3/3 来源：《电力设备》2019年第20期作者：滕玉祥吕凯牛茂龙张镨郑浩河

[导读] 摘要：某核电站1号机组在首次执行50%Pn功率平台甩负荷至空载试验过程中，转速飞升最大值达1583rpm，超出行业标准1575rpm（105%）的验收准则。

        （中广核工程有限公司广东深圳 518108）
        摘要：某核电站1号机组在首次执行50%Pn功率平台甩负荷至空载试验过程中，转速飞升最大值达1583rpm，超出行业标准1575rpm（105%）的验收准则。本文介绍了该核电站半速汽轮机首次执行甩负荷至空载试验过程中转速飞升过高问题，对试验过程和结果进行深入分析，探讨了解决该问题的思路，通过仿真装置进行了仿真试验并给出了最终解决方案，描述了后续机组的应用情况及试验结果。这些实践能够为同类机组提供参考经验。
        关键词：汽轮机；甩负荷；转速飞升
        0．背景概述
        2014年1月某核电厂1号机组在首次执行50%Pn功率平台甩空载试验过程中，汽轮机转速飞升最大值达1583rpm，超出行业标准1575rpm（105%额定转速）的验收准则，试验结果不合格。试验过程中当断开发电机出口开关后，汽机转速从1500rpm迅速飞升，同时GRE控制器OPC功能启动，迅速发出1秒钟的阀门快关脉冲，快关高、低压调阀，汽轮机转速达到1542rpm左右后升速明显趋缓；1秒钟快关脉冲消失时低压阀门再次打开约至25%，汽轮机转速从1545rpm又较快飞升，最高至1583rpm经过160s左右转速稳定在1500rpm。
        50%Pn功率平台甩空载试验汽机转速飞升过高可能会有以下危害：1、导致汽轮机振动加大，危及汽轮发电机组的安全；2、导致甩负荷至厂用电（孤岛）运行时厂用电频率过高，从而导致转动设备转速升高，造成泵或风机等设备出力、发热增加，影响设备寿命。3、导致100%Pn功率平台甩空载试验失败，汽轮机有超速跳机风险。

        图1 某核电厂1号机首次执行50%Pn甩空载试验曲线
        1．原因分析

        图2 甩负荷试验中调阀开度曲线
        汽轮机进行甩负荷试验时，断开发电机出口开关，GRE控制器随即发出1s钟阀门快关脉冲信号，使高、低压调节阀的电磁阀失电，导致所有调节阀快速关闭。甩负荷试验前高压3号调节阀开度为14%，1\2\4号调节阀开度为10%左右，在快关指令信号消失前，高压调阀全部关闭。在阀门快关脉冲动作前后，GRE控制器输出（即蒸汽需求指令）一直保持为-30%，由调阀开度与蒸汽需求关系曲线可知，高压调阀开度设定值为-9%，其在快关指令消失后仍保持关闭状态，无蒸汽进入高压缸。
        低压调阀在快关脉冲出现后从100%开度开始快速关闭，其正常快关时间为1.6s左右，因此快关指令信号（持续1s）消失时，低压调阀未能全部关闭。此后，低压调阀受GRE控制器控制（输出值为-30%），根据调阀开度与蒸汽需求关系曲线，此时低压调阀开度设定值为+25%，导致低压调节阀在快关脉冲消失后迅速开启。阀门控制模块为PI结构，其比例增益很大，在快关脉冲消失时，实际阀位与阀位设定值偏差较大，在比例环节的作用下低压调阀迅速开启。
        由于第一阶段的转速飞升主要影响因素为调阀的快关速度，而高低压调阀在电磁阀失电后迅速关闭，汽轮机转速上升势头明显得到抑制，可认为第一阶段的转速飞升量正常。由于高压调阀全关后，汽水分离再热器较强的蓄热能力，低压调节阀的开度将对汽轮机转速的变化起到主导作用。所以当快关脉冲消失后，低压调阀再次开大，导致第二阶段的转速飞升量过大，是导致本次试验不合格的主要原因。因此处理该问题应从降低低压阀门再次打开的开度着手进行优化。
        2．处理方法
        2.1 控制原理分析及优化方向
        根据GRE控制逻辑，在转速控制模式下（甩空载后，控制系统由负荷模式切换至转速模式），转速偏差与蒸汽需求（SD）值及阀门开度指令的关系如图3。当转速偏差产生，将分别通过KDN控制器和PI主控制器并联输出SD信号，SD信号通过阀门特性曲线作用在阀门开度指令上，最终使低压调阀开度发生变化。因此可以考虑从两方面进行优化：

        图3 西门子汽机转速控制模式逻辑简图

        图4 调阀开度与蒸汽需求（SD）关系曲线
        一、调整PI参数及KDN参数，以减小SD值从而较小阀门开度。
        其控制算法为：SD=（额定转速－当前转速）/额定转速×（KDN+PI）。因此造成转速飞升的控制系统的因素为KDN参数和PI参数，这两个参数值越大，对SD输出控制越强，阀门开度越小。
        二、调整低压调阀曲线，以减小低压调阀再次打开的开度指令。
        根据试验数据，在首次飞升转速台阶1544rpm时，SD约－35％（可以认为该值基本不变），根据图4调阀开度与蒸汽需求关系曲线，对应为低压调阀开度指令为约27％，快关脉冲消失后，其再次开启的开度指令较大导致了转速二次飞升较大。SD在-40%至-20%区间的曲线高度越减小，低压调阀开度越小。
        2.2 仿真测试及结果分析
        根据甩空载的控制回路特性，对控制器的相关参数进行调整，以定性分析寻找合适的优化参数。由于GRE控制器PI、KDN及阀门特性曲线参数关系到汽轮机各个工况的控制，为最大程度的减小因调整参数对其他的工况控制特性的影响，采用单一变量法对参数进行调整并对各个工况进行仿真测试，即只修改某一个参数而保持其他参数不变。
        三、修改比例、积分和前馈的仿真测试及影响分析
        表1 修改比例积分及前馈参数的仿真结果及影响分析

        四、调整低压调阀与蒸汽需求（SD）关系曲线
        由仿真测试结果可知，增大OE参数值或适当拉低蒸汽需求在（-50%—-20%）区间的低压阀位开度曲线可以减少甩空载后的转速飞升量。但此种方式修改将对汽机所有工况控制产生影响。
        表2 修改低压调阀的仿真测试结果

        2.3 最终处理方案与试验结果
        通过如上分析与仿真测试，决定采用修改KDN参数来进行优化，原因如下：
        1、比例系数和积分时间的修改可能对各种工况的控制回路都产生影响，并且其为西门子控制系统的经验参数，未进行完整的验证前不能修改。
        2、拉低蒸汽需求（SD）在-20%至-40%区间低压阀门曲线高度，可降低甩负荷后转速飞升量，但修改较复杂，对其他工况控制影响较大。
        3、修改KDN参数有利于转速控制的稳定性，有利于甩厂用电后厂用电频率迅速下降，且适中的KDN参数有利于一次调频快速响应。
        根据相关仿真测试结果分析，最终决定将KDN参数修改为18，P、I参数保持不变。在后续机组的试验中，甩负荷试验过程的转速飞升量明显低于1号机组，该问题得到根本解决。
        表3 各机组试验结果比较