核电厂汽机主调节阀阀位波动问题研究

董 威 黄美华 曾 彬

(中广核工程有限公司设计院，广东 深圳 518172)

0 引言

某项目一期工程一号机组商运期间，在满功率时，发生汽机主调节阀频繁动作的问题。主调节阀频繁波动不满足法规DL/T996 -2006 要求(系统动态过程应能迅速稳定，振荡次数不应超过2 ～3 次)。其他核电项目也有类似问题。

目前的临时修改策略是:①对主调节阀阀位控制环节中的Vickers 卡死区补偿进行重新调整;②对主调节阀组态曲线进行局部优化，即对55%区域斜率进行修改。但是，随着核岛蒸发器出口蒸汽压力VVP 持续下降，主调节阀在功率满功率下开度将持续增大，阀门调节还是有可能进入频繁波动区，使阀门油动机供油软管可能发生压力脉冲，极易发生应力疲劳损坏。因此，需要对主调节阀频繁波动问题进行深入研究，提出更好的解决办法。

1 问题原因分析

导致问题的直接原因是满功率运行时汽轮机工作在调节阀组态陡峭区域。核电汽机主调节阀机械特性曲线和组态特性曲线如图1 所示。

图1 汽机主调节阀机械特性曲线、组态特性曲线图Fig.1 Mechanical characteristic curve and configuration curve of main regulator valve of turbine

阀门特点是:为满足汽轮发电机组暖机、冲转转速控制、升负荷速率控制要求，汽轮机主调节阀门具备小开度下良好调节性能;同时，与汽轮机设计通流容量相匹配，通流能力裕量不需要过大。从运行记录可知，2014 年1 月20 日，某项目1 号机运行功率平台2 900 MW(核功率)，发电功率1 125 MW，4 个主调节阀阀位开度为56% ～61%，处于调节振荡区域。

1.1 汽轮机主调节阀工作原理

主汽调节阀控制示意图如图2 所示。汽轮发电机组在自动控制模式下，设置目标负荷后，将转速信号和实测功率与之相比较，经比例积分(proportion and integration，PI)控制器运算，转换为蒸汽需求量(SD)信号。SD 信号经汽轮机控制系统主汽阀组态特性函数(曲线)，转换为控制阀阀位信号。阀位信号经过P(比例)控制器运算，并与比例阀阀位信号进行运算，将阀位控制信号转换为电信号，再通过电液放大器(electro hydraulic amplifier，EHA)模块转换为液压信号;利用GFR 高压油压力，驱动主汽调节阀和中压调节阀油动机，调节进入汽轮机的蒸汽量，使实际负荷和目标负荷一致，同时，跟踪机组转速(电网调频)变化，进行频率调节。

图2 汽轮机进汽调节阀调节示意图Fig 2 Schematic diagram of turbine steam inlet regulating valve

在图2 所示阀位控制环路3 中，由于EHA 模块电液转化比例阀在机械构造上都存在机械交迭，形成机械零位死区。为了补偿这种机械偏差，Vickers 卡设置补偿功能，即在P 控制器后设置一个死区补偿(dead band compensation，DBC)(在Vickers 卡中)，用于调整系统的动态稳定性能。

1.2 堆-机功率调节原理

堆-机功率调节控制简图如图3 所示。

图3 堆-机功率调节控制简图Fig3 Simplified diagram of reactor-turbine power control

正常运行情况下，操作员在汽轮机调节系统设置目标负荷和升负荷速率。当汽轮机控制模式(80 信号置“1”)为“自动”时，目标负荷变为“负荷参考值”72信号送往核岛棒控系统，作为G 棒功率调节信号，使反应堆输出热功率与目标负荷对应的核岛热功率相同。同时，目标负荷经与实测功率偏差、转速偏差、加速度偏差进行PI 运算后，经汽机主调节阀组态运算变为阀位信号，调节汽轮机进汽量，使发动机输出功率与目标负荷一致。当汽轮机控制模式(80 信号置“0”)为“手动”时，汽轮发电机组采用开环控制模式，发电机实测功率不参与偏差运算。目标负荷经组态特性曲线变换后，调整汽机主调节阀在相应位置，发电机输出功率有可能与目标负荷不一致。而此时，汽轮机调节系统(GRE)送往反应堆棒控的目标负荷信号变为“开度参考值”74 信号，反应堆输出热功率与目标负荷对应的核岛热功率相同。由于反应堆采用开环控制模式，为了防止堆芯功率超过运行限值，汽轮机调节系统(GRE)设置了两个参数用于限制二回路功率(汽轮机进汽量)，即“进汽压力整定值”76 信号和“操纵员SD限值”82 信号，可由操作员在控制界面中设置，用于限制汽轮机调节阀最大开度。

2 主汽阀组态特性曲线优化必要性

根据商运以来的运行反馈，在夏季工况下，电网负荷需求量大，需要核电厂尽可能满发。而此工况时，海水温度高，凝汽器背压相对高，在尽可能高的发电功率要求下，在全年运行过程中，汽机进汽调节阀开度最大。根据调节系统(GRE)定期试验要求，每月要进行一次主汽阀活动试验，验证主汽阀是否可正常启闭。在尽可能高的功率平台进行试验(确保机组运行安全为前提)，不做试验的3 个主调节阀开度均比较高(除非降低发电机输出功率，即降低定期活动试验功率平台)。

同时，根据各项目在运机组情况，核岛蒸发器过来的主蒸汽压力有逐年下降趋势，意味着主汽调节阀开度在同功率平台会增大。

从东方机型在建项目主调节阀组态来看，某项目调节阀开度在54% ～58%时，斜率(阀位开度变化/蒸汽需求量变化)为4∶1;当调节阀开度为58% ～70%时，斜率为24 ∶1。另外一个项目当调节阀开度为55.5% ～58%时，斜率(阀位开度变化/蒸汽需求量变化)为2.5∶1;当调节阀开度为58% ～64%时，斜率为4∶1;当调节阀开度为64% ～70%时，斜率为12∶1。根据法国ALSTOM 经验，最大斜率为3∶1，在法国N4 电站中，有采用斜率2.5∶1 的运行经验。由某项目实际运行参数来看，在夏季满负荷运行时，当调节阀阀位开度为56% ～58%，多运行在斜率超过4∶1 区间;当运行在阀位开度58%以上时，调节阀存在显著高频率动作，工作不稳定。另外一个项目1 号机相对好一些，主调节阀开度多运行在58%以下，开度超58%的时间短、次数少。若机组在主调节阀斜率3∶1 以上长时间运行，会对机组运行带来安全隐患和风险。也就是在高斜率下，当电网频率变化、二回路设备、主要阀门动作异常时，调节阀动作频繁，调节性能不稳定，并可能影响调阀油动机调节油压稳定，严重时会影响主调节阀合理使用寿命。

3 优化方案

由上述分析可知，为了防止阀门波动，需要主调节阀特性曲线尽可能平缓，因此对主调节阀大开度(高斜率)区的特性曲线(图2 阀位控制环路2 中)进行优化。对阀位开度在52% ～100%区间的组态曲线进行调整，此区间组态曲线按3∶1(阀位变化量:蒸汽需求量SD 变化量)斜率对原组态曲线进行修正，在小于52%开度区间维持调试最终曲线。主调节阀优化曲线和原曲线对比如图4 所示。

图4 主调节阀组态特性优化曲线图Fig 4 Optimized characteristic curve of main regulator valve

从图4 可看出，在ALSTOM 优化方案中，使原来SD=105%(对应阀位100%)变为SD =120%时，SD量程放宽，汽轮机调节系统中的SD 信号会送往棒控系统(RGL)。因此，RGL 系统定值需要作适应性修改。

4 优化方案仿真

汽轮机效率下降的仿真曲线如图5 所示。图5中，在130 s 之前是修改前的仿真，两次修改了汽轮机效率，阀门有比较大的波动，由此带来了电功率、核功率的波动。在130 s 后，修改曲线和相关函数后再进行仿真，两次同样修改汽轮机效率，从图5 可见，阀门波动很小，电功率和核功率的稳定。二回路功率波动会导致一回路功率波动;采用优化方案后，提高了满功率下主调节阀抗干扰能力，一回路波动变小。

图5 汽轮机效率下降时的二回路仿真图Fig 5 Simulation of the second loop when the efficiency of turbine decreases

考虑到核电厂在某些情况下产生短时间超功率运行工况，超功率工况下的抗干扰仿真试验结果如图6所示。在470 s 之前是修改前的仿真。在380 s 时触发一个扰动，阀门产生比较大的波动。在470 s 之后，修改曲线和相关函数后再进行仿真。当810 s 时触发一个扰动，阀门的波动较小。由仿真结果可以看出，采用优化方案后，在超功率工况下提高了主调节阀抗干扰能力，对核岛控制性能影响不大。

图6 超功率运行情况下的二回路仿真Fig 6 Simulation of the second loop under surpass power operation

综上，如果修改主调节阀组态特性优化曲线，在满功率或超功率运行时，主调节阀波动减小，机组稳定运行。

5 结束语

本文针对ALSTOM 汽机主调节阀存在阀位频繁波动导致高压调节油泄漏的问题，提出修改主调节阀组态特性曲线的方案，通过在全范围模拟机上的仿真，得到了较好的结果，证实了该方案的可行性。当然，本方案还需要在实际在运机组上得到进一步检验。本文提出的修改主调节阀组态特性曲线的方案为完全解决主调节阀波动问题提供了详实可靠的设计方案，同时也为堆机协调控制提供了重要参考。

［1］ 濮继龙. 大亚湾核电厂运行教程［M］北京:原子能出版社，1999:555 -633.

［2］ 广东核电培训中心. 900MW 压水堆核电厂系统与设备(下册)［M］.北京:原子能出版社，2007:319 -339.

［3］中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T 996 -2006 火力发电厂汽轮机电液控制系统技术条件［S］. 2006:13 -15.