某核电厂汽轮发电机组逆功率分析与处理

刘东亮　赵东阳　赵书宇

【摘 要】介绍了某核电厂汽轮机发电机组逆功率问题，对试验控制逻辑及过程进行了分析。调节系统设置的用于表决back to nominal speed信号触发的延时时间过短，机组在转速调节尚未达到稳定状态时重新并网是导致逆功率问题发生的根本原因，给出了可以解决该问题的处理方案。

【关键词】核电厂；汽轮发电机组；逆功率；并网

中图分类号： TU375.4；TU476.1 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）12-0027-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.011

Analysis and Handling of Reverse Power for a Nuclear Power Turbine Generator Unit

LIU Dong-liang ZHAO Dong-yang ZHAO Shu-yu

（China Nuclear Power Engineering Co.， LTD.， Shenzhen， Guangdong Pro. 518124， China）

【Abstract】The paper introduces a problem of reverse power for some nuclear power turbine generator unit and analyzes the control logic and test process. The root cause for reverse power is the time delay used to trigger the back to nominal speed signal too short and re-connecting to grid when the turbine speed has not reached the stability state. A solution to solve the problem is given in this paper.

【Key words】Nuclear power plant； Turbine generator； Reverse power； On grid

0 引言

某核电厂使用HN1119-6.43/280/269-H型汽轮机，该汽轮机为饱和蒸汽、单轴、四缸、六排汽、中间再热、冲动、凝气式半速机。汽轮发电机组在调试启动阶段执行从100%负荷甩至空载试验（以下简称甩空载试验），试验结束后机组再次并网瞬间发电机进入逆功率工况，现场记录曲线显示逆功率时间持续不足1s，因持续时间短于逆功率保护动作时间，未实际触发发电机逆功率保护。逆功率工况下，并网运行的发电机将变成从电网吸收有功功率的同步电动机运行，若发电机变为电动機长时间运行，则易造成汽轮机排汽温度上升、末级叶片过热导致叶片损伤等事故[1-2]。

1 试验控制逻辑及过程分析

1.1 甩空载及转速控制分析

该核电厂汽轮机发电机组并网运行后总蒸汽需求量由负荷回路蒸汽需求量与转速回路蒸汽需求量构成，总体蒸汽需求量用于生成阀门开度指令，控制阀门开度。甩空载试验开始后机组从电网解列，负荷回路蒸汽需求量按照设计方案设定为8%，此后汽轮机依靠转速控制回路将转速迅速稳定至额定值附近[3]。经分析转速控制回路的总蒸汽需求量由三部分组成：空载部分对应的蒸汽需求量，由汽轮机目标转速经过函数折算生成，是汽轮机在不同转速下的理论蒸汽需求量；比例部分对应的蒸汽需求量，是对目标转速和实际转速的偏差引入的比例修正；积分部分对应的蒸汽需求量，是对目标转速和实际转速的偏差引入的积分修正。甩空载试验开始后转速从额定转速迅速上升，此时目标转速与实际转速产生转速偏差（XD），该转速偏差通过比例、积分环节的作用来稳定转速。控制原理见图1。

1.2 并网带初始负荷控制分析

汽轮发电机组并网后控制系统将产生一个周期为1s的脉冲信号，该脉冲信号经过一个0.5s的后延时用于并网初始负荷大小的选择判断。根据控制逻辑，在并网后1.5s系统将选择并网所带初始负荷，并网初始负荷=（转速控制回路总蒸汽需求量-转速回路空载蒸汽需求量）+5%。其中“转速控制回路总蒸汽需求量-转速回路空载蒸汽需求量”的值为并网前控制器最后一个扫描周期内的值，该值在并网后第一个扫描周期内被记忆并加上5%作为并网初始负荷。控制原理见图2。

1.3 试验过程分析

正常甩空载试验时，转速回路总蒸汽需求量小于3.9%并且转速大于1497rpm时会触发back to nominal speed信号，将目标负荷设定值以5%/min的速度向下调整，直到转速回路蒸汽需求量大于4%或汽机转速小于1497rpm停止，此时机组转速调节才达到稳定状态。但是该电厂甩空载转速稳定后，转速回路的蒸汽需求量为-2%，并未大于4%，也即甩空载后转速调整并未达到稳定状态，此时应该触发back to nominal speed信号将负荷回路的蒸汽需求量从8%开始降低，直至转速回路的蒸汽需求量回调至4%。检查试验记录发现此次甩空载试验过程中back to nominal speed信号全程未触发。100%负荷甩空载试验主要参数趋势见图3。

甩空载试验后转速稳定时，转速回路的蒸汽需求量约为-2.25%。根据该电厂汽机调节系统控制逻辑，机组并网后转速回路频率死区自动投入，由于该电厂不参与一次调频，频率死区设置很大，所以并网后转速回路频差信号为0，比例部分的输出也为0。并网瞬间，总的蒸汽需求量为负荷回路蒸汽需求量与转速回路蒸汽需求量之和约为3%，而汽轮机维持1500rpm运行需要的蒸汽需求量理论值为4%，实际进汽量尚不足以维持汽轮机发电机组空转，导致发电机进入逆功率工况。分析现场试验记录曲线发现并网瞬间高压调节阀门的处于关闭状态，此种情况下电功率测量显示为48.5MW，该功率为逆功率工况下测得的有功功率值。并网1s后负荷回路的蒸汽需求量为并网初始负荷与负荷设定生效值之间取大，而此时负荷设定生效值仍为8%，此处的8%为甩孤岛/甩空载信号触发后目标负荷自动切换为8%时保留。此时，转速回路的蒸汽需求量4%与负荷回路的蒸汽需求量8%共同作用使总蒸汽需求量变为12%，高压调门开度变大，发电机功率也从逆功率状态转变为正向输出，机组恢复正常运行。该核电厂汽轮发电机组甩空载后重新并网有关参数变化趋势见图4。

2 逆功率根本原因分析

甩空载30s后转速回路蒸汽需求量小于3.9%并且转速大于1497rpm时会触发back to nominal speed信号。甩空载信号触发后30s时，由于转速回路积分部分的蒸汽需求量贡献值仍然为3%，转速回路中空载部分对蒸汽需求量的贡献为4%，这两项对转速回路总蒸汽需求量的贡献值为固定的7%，所以此时通过转速回路蒸汽需求量来判断back to nominal speed是否触发取决于比例部分的值。分析该核电厂甩空载时的趋势数据可知在甩空载信号触发30s之后，转速回路中比例部分的调节仍未稳定，转速仍处于振荡调节的过程中，所以此时转速回路的蒸汽需求量值也处于振荡变化之中。如图3所示，30s时转速回路中比例部分处于振荡过程中的峰值约为-0.05%，转速回路蒸汽需求量的值为6.46%，已经大于3.9%，导致back to nominal speed信号没有触发。甩孤岛/甩空载信号触发后30s时，转速回路中的比例部分仍然在波动导致转速回路总蒸汽需求量随之波动，因此，在这种工况下back to nominal speed能否准确触发存在不确定性。

结合以上分析，该核电厂出现甩空载后再次并网导致逆功率的直接原因已经明确，即，甩空载后用于将转速回路调节至稳定状态的信号back to nominal speed没有触发，导致转速回路的蒸汽需求量稳定在一个较小的值上，再次并网时该值参与并网最小负荷计算时导致最小负荷偏低，总蒸汽需求量无法向电网输出一个正向的电功率并导致发电机逆功率。该核电厂甩空载试验后重新并网过程中出现短暂逆功率的根本原因是调节系统设置的用于表决back to nominal speed信号触发的30s延时时间过短，机组在转速调节尚未达到稳定状态的情况下重新并网进而导致了逆功率问题的发生。

3 问题处理

根据逆功率根本原因分析结果，并基于机组试验过程分析，制定了把甩空载后触发back to nominal speed信號延时时间由30s改为45s的处理方案。该方案已在后续3台同型号汽轮发电机组进行了实施和验证，后续机组未重发本文所介绍的发电机逆功率问题。

4 结束语

通过分析该核电厂汽轮机发电机组转速及并网控制逻辑，并对试验过程进行了全面分析，得出了发电机逆功率的根本原因分析是由调节系统设置的用于表决back to nominal speed信号触发的30s延时时间过短，机组在转速调节尚未达到稳定状态的情况下重新并网所致。文中给出了经过验证的有效处理方案，对使用同型号汽轮机发电机组的核电厂调试工作有较大借鉴意义。

【参考文献】

[1]王友明.逆功率保护的运行问题及其对策[J].电力安全技术，2006，8（1），30-31.

[2]邹海林.汽轮发电机组并列瞬间产生逆功率原因分析[J].中国井矿盐，2014，45（1），33-34.

[3]汽轮机调节系统设计手册[R].东方汽轮机有限公司，2013-08.