三门核电厂汽机转速控制特点分析

摘 要：汽轮机作为核电厂主要设备之一，其转速控制系统的可靠性和完备性直接关系到核电厂的安全启动和稳定运行。文章通过探讨三门核电厂汽轮机在冲转、并网前后及正常功率运行期间各种转速控制模式下的控制逻辑、执行机构和设计特点，分析总结其先进设计理念，以期对机组的调试和运行提供参考。

关键词：汽轮机；冲转；调速器；超速

1 概述

三门核电厂汽轮机及其控制系统采用日本三菱公司设计，该型汽轮机额定功率1251MWe，额定转速1500rpm，采用四缸六排汽双流对称布置（一高压缸，三低压缸），共设置4个主汽阀（MSV）、4个主调阀（GV）、6个再热主汽阀（RSV）和6个再热调阀（ICV）。汽机控制系统产生的控制信号驱动主汽阀、主调阀和再热调阀的伺服机构调节阀门开度，实现汽机不同运行阶段的转速或负荷控制。文章主要针对三门核电厂汽机在冲转启动、并网前后及正常功率运行期间各种转速控制模式的设计特点分别进行探讨。

2 汽机冲转控制（MSV控制）

与传统核电汽轮机组使用主调阀冲转启动的方式不同，三门核电厂汽轮机采用主汽阀作为汽机冲转的执行机构，为此，主汽阀的阀芯中央设置了独特的小流量先导小阀，只有当先导小阀在阀杆驱动下全开后，主汽阀阀芯才能开启。因此，在冲转控制模式下，汽机控制系统产生的控制信号通过调节汽机主汽阀先导小阀阀位，进而控制汽机进汽量，最终实现汽机从零转速向额定转速的升速启动。

为了实现这种独特的冲转方式，在冲转前，汽机控制系统会向汽机主调阀和再热主调阀提供全开偏置信号使其在冲转控制期间始终保持全开，此时，未配置电液伺服机构的再热主汽阀在调节油压的作用下也保持开启，仅有主汽阀处于全关状态。

汽机冲转程序启动后，主汽阀的先导小阀开始接受冲转控制模式下的控制信号，为实现冲转过程快速、平稳、可控，冲转控制采用比例控制加前馈补偿的控制方式，如图1所示。其中，参考转速由人工选定的目标转速和升速速率自动计算获取，实测转速由3个控制专用的转速计信号经中值选择获得。参考转速与实测转速的偏差（即转速偏差）乘以比例系数得到了比例控制信号，而以参考转速作为输入的函数发生器FX1输出前馈控制信号，二者求和得到MSV阀位需求信号。由于主汽阀先导小阀的开度与蒸汽流量并非为线性关系，因此阀位需求信号还需通过函数发生器FX2进行修正，最终形成的MSV阀门开度指令，伺服驱动机构随即对先导小阀开度进行调节，使汽机按照预定的升速率平稳启动，直至达到目标转速。

3 调速器控制（GOV控制）

汽机冲转至额定转速后，汽机控制系统需要从冲转控制模式切换到调速器控制模式，以便后续通过控制主调阀和再热调阀的开度进行转速和负荷的调节。为了实现控制执行机构的无扰切换，汽机控制系统专门设置了阀门切换功能。一旦启动阀门切换，冲转控制模式下赋予主调阀和再热调阀的全开偏置信号便会自动线性降低，使阀门逐渐关闭，最终1个主调阀保持约4%的无负荷空转设定开度，另外3个主调阀全关，而6个再热主调阀则保持约60%开度。当主调阀和再热调阀就位后，4个主汽阀同时接收线性增加的全开偏置信号，使之逐渐开启至全开状态。至此，汽机控制模式切换完成。

调速器控制模式既可在机组并网前或孤岛运行期间使汽机保持额定转速运行，也可在并网后根据电网频率自动调节汽机负荷输出，参与电网一次调频。调速器控制采用比例控制方式，如图2所示。其中，实测转速与冲转控制模式下的信号源相同，均为中选转速信号。参考转速则取决于机组的运行工况，机组并网前，参考转速为转速设定值，该定值既可在1500±90rpm的范围内手动调节，亦可由同期装置在并网前根据需要自动进行微量调节，以便机组并网。一旦机组并网成功，参考转速则强制为额定转速，不得改变。参考转速与实测转速的偏差与乘以比例系数，再与GOV负荷设定值（并网前初始值为0）相加计算得到阀位需求信号。由于主调阀和再热调阀的开度与蒸汽流量并非为线性关系，因此阀位需求信号还需经函数发生器FX3、FX4分别进行修正，最终计算获得主调阀和再热调阀的开度指令，使汽机在GOV负荷设定值对应的负荷输出下维持额定转速。

机组并网后，汽机可在调速器控制模式下根据电网频率自动调节负荷输出。当电网频率低于额定值时，GOV负荷设定值自动增加，开大主调阀和再热主调阀，以增加机组负荷输出，反之亦然，其负荷设定值与频率特性曲线如图3所示。

4 调速器自动跟踪

机组参与电网一次调频虽有利于电网系统稳定，但汽机若长时间保持这样的运行方式会增加核电厂反应堆功率控制系统的扰动，并使相关设备、管道受热应力频繁变化而产生不利影响，因此，核电汽轮发电机组一般采取带基本负荷的运行方式。与传统核电厂类似，三门核电厂汽机在并网后需要从调速器控制模式切换到负荷限制器控制（LL控制）模式，通过机组负荷输出与阀门开度的预设关系，将LL负荷设定值直接转化为主调阀和再热调阀的开度指令，实现正常运行期间负荷控制，而不再考虑电网频率的变化。

虽然此时机组处于负荷限制器控制模式，但调速器控制仍然自动跟踪当前汽机负荷，并始终保持GOV负荷设定值比LL负荷设定值高出10%额定功率的固定带宽。一旦因外电网或汽机控制系统出现故障，汽机转速随电网频率升高而增加，GOV负荷设定值将自动线性降低，当其降至小于与LL负荷设定值时（对应频率为

50.225Hz），汽机控制模式将自动从负荷控制器控制切换到调速器控制。由于GOV负荷设定值与频率成反比，随着频率的继续升高，主调阀和再热主调阀将在调速器控制模式下逐渐关小，降低机组负荷输出，使机组平稳地从瞬态过渡到稳态，避免进一步超速而导致超速保护动作，自动跟踪特性曲线如图4所示。

5 结束语

三门核电厂汽机的冲转控制模式、调速器控制模式和调速器自动跟踪功能作为相互衔接的有机整体，实现了汽机不同运行工况、不同运行阶段的转速控制功能，相比于传统核电厂，它拥有一系列独特的设计特点：（1）利用主汽阀先导小阀进行冲转启动可以有效

地实现转速精确控制，在低转速区控制性能更加优异；主汽阀作为汽机保护的执行机构，其严密性也要远好于主调阀，可以有效避免传统核电厂在冲转前因主调阀内漏而导致汽机意外升速、超速等异常情况的发生。（2）比例加前馈补偿的冲转控制方式不仅能尽量地消除控制偏差，提高系统响应速度，还能避免由于积分效应引起的控制振荡。（3）鉴于汽机不同转速控制模式下的执行机构不同，阀门自动切换功能结合阀位偏置信号的运用实现了冲转控制模式到调速器控制模式的全自动无扰切换。（4）调速器控制不仅使汽机具备在额定转速附近控制负荷输出和转速调节的能力，同时调速器自动跟踪功能也弥补了机组在并网后带基本负荷运行期间负荷限制器控制没有转速调节功能的弊端，形成防止汽机超速的第一道屏障。（5）汽机控制系统根据每类汽机阀门的特性分别设置修正函数，在

不同转速控制模式下，保证阀门的控制信号与蒸汽流量呈良好地线性关系，极大改善汽机转速和负荷输出的控制特性。

综上所述，三门核电厂的汽机转速控制功能全面、自动化程度高、融入了众多传统核电汽轮机组所不具备的先进设计理念，使汽轮发电机组不同运行阶段的转速控制功能有机结合，对保障机组安全启动、可靠运行具有重要意义。

参考文献

[1]SMG-TOS-J1-M0001.三门核电厂汽轮机控制系统说明书R5[Z].

[2]SMG-MTS-M3-M0001.三门核电厂主汽轮机系统说明书R3[Z].