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某型核电汽轮发电机组一次调频功能试验

2019-01-17
来源: 礼德动力
  电网频率变动范围是衡量电力质量重要指标。以华东电网为例,要求网内火电机组具备调频能力,详细规定了频率控制死区、转速不等率和最大调节负荷限幅等,以提高电网负荷变化引起频率波动时的控制水平,确保电网安全、稳定和经济运行。目前,国内对不同类型火电机组的一次调频性能进行了较多研究,总结了许多有益经验。
  
  近年来一批百万千瓦级压水堆核电机组陆续投产,在电网中的比重逐步增加。核电机组作为清洁能源一般以带基本负荷运行为主,且从核安全角度考虑,核电机组参与一次调频存在一定风险。
  
  随着我国能源、电网结构的调整和优化,越来越多直流电从西南和西北接入华东电网,这对电网维持频率稳定带来了较大挑战。核电机组如何参与一次调频特别是电网事故期间如何正确响应,尤其值得关注。以 2015 年 9 月 19 日发生的“锦苏直流双极闭锁事故”为例,事故期间某核电基地一期 2 台百万千瓦级机组一次调频功能正常动作,增加出力,但因事故前其已达到出力上限,调频功能仅持续约 10 s 后退出;某核电基地 2 台百万千瓦级机组因闭锁了正向调频功能,未参与一次调频;另两处核电基地的 4 台百万千瓦级机组因一次调频死区设置值为–1.25~0.15 Hz,在事故中未动作。
  
  本文以当前在运数量最多的改进型百万千瓦级压水堆核电技术(CRP1000)的 Arabelle 型汽轮发电机组为研究对象,结合华东区域电网对并网机组的调频要求,在初步分析该型机组一次调频能力的基础上,研究核电机组设置不同调频参数时一次调频功能的差异,讨论如何优化设置核电机组一次调频参数以更好维护电网稳定。
  
  机组一次调频原理及能力分析截至 2019 年初,基于 CPR1000 的在运在建机组数累计已达26台。为了提高电厂的灵活性,该型机组采用反应堆功率跟踪汽轮机功率的模式,通过设置温度调节棒、功率补偿棒等,使机组具备一定的快速跟踪负荷变化的能力。
  
  目前,CPR1000 机组的汽轮机均为半转速饱和蒸汽汽轮机(1500 r/min)。相较于火电机组,核电汽轮机参数低;由于体积及质量增加,热惯性也相应增加,运行灵活性相对下降。以国内在运数量最多的国产引进阿尔斯通 Arabelle 型汽水分离中间再热三缸四排气凝汽冲动式汽轮机为例,其主要技术参数见表 1。
  
  机组正常运行时,反应堆的功率完全由汽轮机控制。当电网频率发生变化时,频率控制的蒸汽补偿量信号一路加到汽轮机调节系统的负荷定值上,通过调节阀动作迅速改变进入汽轮机的主蒸汽流量,以响应电网调频需求,同时通过温度调节棒控制一回路温度;另一路信号送到反应堆功率调节棒控制系统,调节反应堆功率。即 CPR1000 机组的一次调频最终是通过改变反应堆运行参数来实现的,因此 CPR1000 机组一次调频死区、一次调频负荷限幅值等参数都受反应堆控制的制约。CPR1000 机组一次调频原理示意如图 1 所示。
  某型核电汽轮发电机组一次调频功能试验
  基于 CPR1000 机组的固有特性,其参与一次调频并设置一次调频死区、一次调频负荷限幅值等参数时应首先确保反应堆安全,同时兼顾对电网的响应,特别应防止电网事故情况下机组异常降负荷甚至停闭导致的电网事故进一步恶化。理论计算和仿真研究认为:CPR1000 机组在寿期初具备一定的一次调频能力,但会随燃耗的增加而逐步减小;机组对一次负向调频的调节能力同比正向的要强;从核安全角度分析,核电机组参与一次调频时,应合理设置功率调节范围、手动投入/切除模式、一次调频的频率控制死区、最大负荷调节限值等参数。
  
  机组一次调频功能试验
2.1 机组 A 的一次调频功能试验机组 A 一次调频技术参数机组 A 的汽轮机为 Arabelle 型汽轮机,额定功率 P n 为 1089 MW。汽轮机调节系统采用阿尔斯通公司开发的 P320 TGC V2+控制系统,用于实现汽轮机调节和保护功能,具有汽轮机启动、速度控制、负荷控制、自动限制、快速甩负荷、一次调频、汽轮机自动停机和定期试验等功能。其执行机构为4组高压进汽阀组和 4 组中压进汽阀组。机组 A 在一次调频功能试验期间,主要技术参数设置为:转速不等率 4%;一次调频控制死区±0.067 Hz(±2 r/min);一次调频负荷限幅值±6%P n (±65.34 MW)。
  
  机组 A 试验内容试验内容主要包括:1)在 90%P n (980 MW)功率平台,电网频率阶跃变化(除死区外)(±3.9 r/min)和±0.16 Hz(±4.8 r/min)时,进行机组A 的一次调频动作试验,验证机组 A 在较低功率平台时的一次调频响应性能;2)在 94%P n (1 024 MW)功率平台,电网频率阶跃变化(除死区外)(±3.9 r/min)和±0.16 Hz(±4.8 r/min)时,进行机组 A 的一次调频动作试验,验证在接近满功率平台时的一次调频响应性能。
  
  机组 A 试验过程试验在机组功率闭环模式下进行。试验前,将机组 A 各重要参数控制在正常值范围,通过强制一次调频回路中的转速标准差(在频差校正回路中加入不同的转速阶跃变化),模拟电网实际频率变化(除死区外)±0.13 Hz 和±0.16 Hz 时机组负荷参数响应情况,直至机组稳定。当转速不等率为 4%时,机组 A 参与一次调频的负荷变化量分别对应和±49 MW。以 90%P n (980 MW)功率平台,电网频率阶跃变化+0.13 Hz(负荷变化–33 MW)时为例,机组 A 电功率、出力变化量和高压调节阀开度变化曲线如图 2 所示。
  某型核电汽轮发电机组一次调频功能试验
  图 2 机组 A 对+0.13 Hz 频差的一次调频响应曲线(90%P n )
  
  由于机组 A 试验期间处于寿期中后期(燃耗深度约 75%Pn ),根据理论计算和对+0.13 Hz 的负向负荷阶跃响应试验数据,机组对–0.16 Hz 的正向负荷阶跃响应试验会触发反应堆保护信号,因此取消对–0.16 Hz 的调频响应试验。
  
  机组 A 一次调频动态响应指标数据见表 2。
  
  机组 A 试验数据分析机组 A 在一次调频功能试验过程中,调频回路动作正常,对系统的频率变化响应及时,一次调频响应时间、一次调频稳定时间和一次调频负荷响应速度均满足指标要求 [1-2] 。结合图 2 和表 2 分析可知:机组 A 的响应时间约 1 s;调频开始 15 s 内,基本完成对正向频差的幅值响应,对负向频差的响应超过 80%;调频 30 s 时,均基本达到新目标值;机组 A 对正向频差响应的稳定时间大多短于对负向频差的;但机组 A 在寿期中后期时,对负向频差的一次调频响应能力将受限,因为此时机组功率如果快速上升将导致反应堆参数报警而甩负荷,对电网安全将更不利。
  
  2.2 机组 B 的一次调频功能试验机组 B 一次调频技术参数机组 B 也是 Arabelle 型汽轮机,额定功率为,汽轮机调节系统也采用阿尔斯通公司的控制系统。机组 B 一次调频功能试验期间主要技术参数设置为:转速不等率 6%;一次调频控制死区±0.067 Hz(±2 r/min);一次调频负荷限幅值±3%P n (±32.67 MW)。
  
  机组 B 试验内容机组 B 试验时正处于寿期初(燃耗深度约),从机组控制角度分析其试验条件更优越,试验内容更丰富。
  
  分别在 100%P n 、90%P n 和 80%P n 等 3 个工况点开展±0.1 Hz(±3 r/min)、±0.13 Hz(±3.9 r/min)
  
  和±0.16 Hz(±4.8 r/min)的一次调频动态扰动性能测试试验,检测机组 B 的一次调频能力。
  
  机组 B 试验过程试验过程同前 2.1.3 节所述。当转速不等率为6%时,机组 B 参与一次调频的负荷变化量分别对应±12 MW、±22.9 MW 和±33.8 MW。试验数据分别见表 3、表 4。
  
  机组 B 在一次调频功能试验过程中,机组主要参数基本稳定,一次调频响应时间、一次调频稳定时间和一次调频负荷响应速度均满足指标要求 。
  某型核电汽轮发电机组一次调频功能试验
某型核电汽轮发电机组一次调频功能试验
  机组 B 还满足电网对一次调频 60 s 电量贡献指数的要求。从表 3、表 4 可以看出:机组 B 对正向频差响应的稳定时间大多短于对负向频差的响应稳定时间;但在 100%P n 工况下,机组 B 对负向频差响应时,因触发了高压调节阀 64%的开度限值而无法继续升负荷,该工况下的一次调频动态性能与电网要求略有偏差。
  
  综合分析表 2、表 3 和表 4 可见:基于的 Arabelle 型汽轮发电机组设置不同的转速不等率和一次调频负荷限幅值等参数时,一次调频特性存在一定差异;转速不等率低的机组,其一次调频响应速度相对更快,响应稳定时间更短,且响应幅度更大,对电网频率稳定的贡献度更大;一次调频负荷限幅值取决于汽轮发电机组的自身性能和反应堆能够满足的最大功率变化速率,限幅值大的机组更有利于参与电网事故情况下的一次调频。
  
  3 核电机组一次调频指标建议部分参考了从法国引进技术建设的大亚湾核电机组,根据欧洲输电协调联盟(UCTE)
  
  的资料,法国电力(EDF)下属核电机组都参与电网一次调频,一次调频经验丰富。其一次调频策略考虑了核电机组的特殊性,细化了一次调频负荷限幅和一次调频功能投运功率区间等参数。主要的性能指标为:转速不等率一般为 4%;一次调频控制死区±0.02 Hz;一次调频频率限幅值±0.2 Hz;一次调频负荷限幅值最低为 2%P n ~2.5%P n ,最高为 7%P n ;一次调频功能投运功率区间 20%P n ~90%P n 。
  
  目前,我国对核电机组一次调频的研究主要集中在理论仿真领域 [15-18] ,工程实践经验不足。综合核电机组 A、B 的一次调频功能试验数据及经验,在制定我国核电机组一次调频策略时,应综合考虑核电机组的核安全和电网安全,差别化制定一次调频控制死区、一次调频限幅值等指标。建议如下:一次调频控制死区±0.1 Hz;一次调频负荷限幅值–6%P n ~2%P n (满功率时上限限值为 1%P n );核电机组燃耗深度约 80%P n 以上时不参与一次调频。
  某型核电汽轮发电机组一次调频功能试验
  4 结论及建议
    1)基于 CPR1000 的 Arabelle 型核电汽轮发电机组具备一定的一次调频能力,一次调频功能试验结果与理论分析基本一致。
  
  2)该型机组对正向频差响应的稳定时间大多短于对负向频差的响应稳定时间;机组设置的一次调频参数不同时,其调频能力存在差异;转速不等率低的和一次调频负荷限幅值大的机组,其一次调频综合性能更优。
  
  3)在制定核电机组的一次调频指标时,应兼顾核电机组的核安全和电网安全,有区别地设置一次调频参数。
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