用于控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的核電汽輪機(jī)仿真模型研究

李江寬，楊里平，林　萌,*，景興天

用于控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的核電汽輪機(jī)仿真模型研究

李江寬1，楊里平2，林萌1,*，景興天1

（1. 上海交通大學(xué)核科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240；2. 中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518026）

為實(shí)現(xiàn)對(duì)CPR1000核電汽輪機(jī)控制系統(tǒng)快速且安全的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，建立了基于RELAP5程序的汽輪機(jī)仿真模型以替代實(shí)際汽輪機(jī)設(shè)備。計(jì)算結(jié)果表明，汽輪機(jī)模型在滿功率穩(wěn)態(tài)工況下的主要參數(shù)計(jì)算值與實(shí)際機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)之間的誤差滿足要求；在線性升降功率、負(fù)荷階躍變化、甩負(fù)荷等動(dòng)態(tài)工況下的主要參數(shù)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)一致，說(shuō)明所建立的汽輪機(jī)仿真模型可以替代實(shí)際CPR1000核電汽輪機(jī)與控制系統(tǒng)連接，完成對(duì)汽輪機(jī)控制系統(tǒng)控制邏輯正確性的定性調(diào)試。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試；汽輪機(jī)仿真；RELAP5；CPR1000

汽輪機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系到核電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性，汽輪機(jī)控制系統(tǒng)是汽輪機(jī)安全可靠運(yùn)行的重要保障，因此確保汽輪機(jī)控制系統(tǒng)可以有效地對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)是重要的。為對(duì)汽輪機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，需要在控制系統(tǒng)和汽輪機(jī)設(shè)備間進(jìn)行多種工況的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，這需要機(jī)組多次啟停，耗時(shí)且增加成本，此外在進(jìn)行一些極限工況試驗(yàn)如汽輪機(jī)甩負(fù)荷及超速工況時(shí)，核電機(jī)組可能會(huì)因汽輪機(jī)控制系統(tǒng)的缺陷而發(fā)生危險(xiǎn)事故。為解決上述問(wèn)題，在進(jìn)行汽輪機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)可以使用虛擬的汽輪機(jī)仿真模型代替實(shí)際的汽輪機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽輪機(jī)控制系統(tǒng)快速且安全的調(diào)試，這要求所使用的汽輪機(jī)模型具有一定的準(zhǔn)確度，能夠較好地模擬實(shí)際汽輪機(jī)的各種運(yùn)行工況。在汽輪機(jī)仿真模型研究方面，張靜濤以STAR-90仿真系統(tǒng)作為支撐建立了有一定通用性的汽輪機(jī)本體動(dòng)態(tài)仿真模型[1]；蘇耿對(duì)嶺澳二期核電廠核島和常規(guī)島的熱工水力系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)建模，實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽輪機(jī)穩(wěn)態(tài)和甩負(fù)荷等工況的仿真分析[2]；龔湛構(gòu)建了包含熱工模型、控制系統(tǒng)模型以及人機(jī)界面的AP1000核電廠仿真分析平臺(tái)，對(duì)汽輪機(jī)線性降負(fù)荷和負(fù)荷階躍工況進(jìn)行了較好的仿真模擬[3]。CPR1000型核電是我國(guó)典型的改進(jìn)型百萬(wàn)千瓦級(jí)“二代加”壓水堆核電機(jī)組[4]，以某核電機(jī)組為例，汽輪機(jī)為由1個(gè)高壓缸及2個(gè)低壓缸組成的半速凝汽式單軸汽輪機(jī)，機(jī)組的額定功率為1 086.9 MW，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r·min-1。

本文以CPR1000核電汽輪機(jī)為研究對(duì)象，建立CPR1000核電汽輪機(jī)的熱工仿真模型并整合至核電廠全范圍熱力系統(tǒng)模型，在相關(guān)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用下進(jìn)行了汽輪機(jī)線性升降功率、負(fù)荷階躍變化和甩負(fù)荷等工況的動(dòng)態(tài)仿真，并將模型數(shù)據(jù)與實(shí)際汽輪機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證所建立的汽輪機(jī)模型正確模擬實(shí)際汽輪機(jī)在動(dòng)態(tài)工況下參數(shù)變化趨勢(shì)的能力。本研究所建立的汽輪機(jī)仿真模型在通過(guò)IO模塊進(jìn)行模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換后可與實(shí)際核電廠汽輪機(jī)控制系統(tǒng)相連接，替代實(shí)際汽輪機(jī)完成對(duì)汽輪機(jī)控制系統(tǒng)控制邏輯正確性的現(xiàn)場(chǎng)定性調(diào)試，在此基礎(chǔ)上也可以對(duì)汽輪機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行一定的定量調(diào)試。

1　汽輪機(jī)模型

1.1　熱工模型

核電汽輪機(jī)為多級(jí)汽輪機(jī)，每級(jí)由一列周向布置的靜葉柵及對(duì)應(yīng)的動(dòng)葉柵組成，飽和蒸汽在每級(jí)的靜葉柵內(nèi)膨脹后壓力降低、流速增大，然后進(jìn)入動(dòng)葉柵做功，蒸汽在動(dòng)葉柵內(nèi)不膨脹，因此可將動(dòng)葉柵后的壓力視為該級(jí)出口壓力。汽輪機(jī)的熱工數(shù)值模擬采用輕水堆核電廠熱工水力最佳估算程序RELAP5，它對(duì)于水介質(zhì)采用了汽液兩流體非力平衡非熱平衡的六方程模型[5]。為模擬汽輪機(jī)的多級(jí)抽汽，在建立汽輪機(jī)高壓缸和低壓缸熱工模型時(shí)使用了RELAP5中的多個(gè)TURBINE部件。TURBINE部件忽略汽輪機(jī)內(nèi)部復(fù)雜的級(jí)間流動(dòng)特性而使用修正的質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程，并且引入一個(gè)有效因子來(lái)表征汽輪機(jī)內(nèi)部的非等熵過(guò)程。蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子獲得一定的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩，其大小滿足如下關(guān)系式[6]：

式中：τ——轉(zhuǎn)子扭矩，N·m；

——蒸汽平均密度，kg·m-3；

——蒸汽速度，m·s-1；

——蒸汽流通面積，m2；

——汽輪機(jī)效率因子；

1和2——入口壓力和出口壓力，Pa；

——汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，rad·s-1。

汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩用來(lái)克服汽輪機(jī)自身的摩擦扭矩以及發(fā)電機(jī)的阻力矩進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電并決定汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，滿足以下關(guān)系式：

式中：I——汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；

——汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，rad·s-1；

f——汽輪機(jī)摩擦因子；

τ——控制部件附加扭矩，N·m，其作用是模擬發(fā)電機(jī)克服阻力需要的扭矩。

理想流動(dòng)下汽輪機(jī)內(nèi)部為等熵過(guò)程，所以有：

式中：1，2——汽輪機(jī)入口和出口流體焓值，kJ·kg-1；

1，2——汽輪機(jī)入口和出口流體壓力，kPa。

對(duì)于恒定的汽輪機(jī)效率因子，汽輪機(jī)實(shí)際有效做功可以用總的蒸汽熱能損失與的乘積來(lái)表示：

當(dāng)發(fā)電機(jī)處于并網(wǎng)狀態(tài)時(shí)，汽輪發(fā)電機(jī)組電功率的計(jì)算公式如下：

式中：η——汽輪機(jī)功率和電功率間的轉(zhuǎn)換因子。

當(dāng)發(fā)電機(jī)處于不并網(wǎng)狀態(tài)時(shí)，汽輪發(fā)電機(jī)組電功率的計(jì)算公式如下：

式中：——發(fā)電機(jī)功率，W；

——不并網(wǎng)狀態(tài)下發(fā)電機(jī)的扭矩，N·m；

——發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，rad·s-1。

表1　汽輪機(jī)熱工模型的主要參數(shù)

本文建立的汽輪機(jī)熱工模型主要參數(shù)如表1所示，主要節(jié)點(diǎn)劃分如圖1所示，其中，805～808、835～838分別模擬高壓缸和低壓缸截止閥，采用REALP5程序中只有全開(kāi)和全關(guān)兩種狀態(tài)的TRPVLV閥門部件；801～804、831～834分別模擬高壓缸和低壓缸調(diào)節(jié)閥，采用RELAP5程序中的SRVVLV閥門部件并計(jì)算填寫了各閥門的流量特性曲線；使用301～303三個(gè)TURBINE部件模擬高壓缸，701～703模擬高壓缸抽汽；使用304～308五個(gè)TURBINE部件模擬低壓缸，704～707模擬低壓缸抽汽；901～904模擬汽水分離再熱器，其中902采用RELAP5程序中的SEPARATR部件模擬汽水分離器，903～904采用與其它管道存在換熱的PIPE部件模擬兩級(jí)再熱器。

圖1　汽輪機(jī)熱工模型節(jié)點(diǎn)圖

本研究所構(gòu)建的汽輪機(jī)仿真模型主要用于在核電廠汽輪機(jī)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中替代實(shí)際汽輪機(jī)，對(duì)汽輪機(jī)控制系統(tǒng)控制邏輯的正確性進(jìn)行定性測(cè)試。在參考美國(guó)和中國(guó)在操作人員培訓(xùn)和考試用核電廠模擬機(jī)上的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[7,8]以及國(guó)內(nèi)某模擬機(jī)用戶需求和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)汽輪機(jī)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，本文提出了對(duì)可用于控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的汽輪機(jī)仿真模型的相關(guān)要求：

（1）穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，對(duì)于電功率、主蒸汽壓力、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速等作為汽輪機(jī)控制系統(tǒng)輸入的參數(shù)，其計(jì)算值與實(shí)際機(jī)組參考值之間的相對(duì)誤差小于1%；對(duì)于其他參數(shù)，其計(jì)算值與實(shí)際機(jī)組參考值之間的相對(duì)誤差小于2%。

（2）動(dòng)態(tài)工況下，仿真模型計(jì)算值的變化趨勢(shì)應(yīng)與實(shí)際機(jī)組對(duì)應(yīng)參考值的變化趨勢(shì)相一致，且模型的參數(shù)計(jì)算值和實(shí)際機(jī)組參考值之間的絕對(duì)誤差不超過(guò)變工況前穩(wěn)態(tài)工況下實(shí)際機(jī)組參考值的10%。其中參數(shù)變化趨勢(shì)一致是對(duì)汽輪機(jī)模型能夠用于對(duì)控制系統(tǒng)控制邏輯的正確性進(jìn)行定性調(diào)試的要求，誤差不超過(guò)10%是對(duì)汽輪機(jī)模型能夠用于控制系統(tǒng)定量調(diào)試的要求。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)汽輪機(jī)熱工模式的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況的測(cè)試，本文建立了基于SIMULINK程序的汽輪機(jī)控制系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)了汽輪機(jī)控制系統(tǒng)的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制功能、汽輪機(jī)負(fù)荷控制功能和蒸汽流量與蒸汽壓力限制功能。汽輪機(jī)控制原理如圖2所示，其中汽輪機(jī)負(fù)荷和汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速是汽輪機(jī)控制系統(tǒng)的主要控制目標(biāo)，汽輪機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)汽輪機(jī)負(fù)荷和汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的控制能力是現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象，也是本文的重點(diǎn)分析對(duì)象。汽輪機(jī)控制系統(tǒng)主要控制功能如下[9]。

圖2　汽輪機(jī)控制原理

1.2　控制系統(tǒng)模型

（1）汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制功能。通過(guò)轉(zhuǎn)速控制功能控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速升降，包括給定汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速、限制轉(zhuǎn)速升速率等。

（2）汽輪機(jī)負(fù)荷控制功能。此功能包含負(fù)荷設(shè)定值、負(fù)荷正常調(diào)節(jié)和升負(fù)荷速率等。根據(jù)負(fù)荷設(shè)定值與負(fù)荷實(shí)測(cè)值之間的差值得到負(fù)荷偏差，計(jì)算蒸汽需求增量，再考慮到頻率貢獻(xiàn)信號(hào)后可得到總蒸汽需求量；在主蒸汽壓力和蒸汽流量的限制下可得到有效蒸汽需求量，有效蒸汽需求量可用于計(jì)算閥門開(kāi)度、調(diào)整負(fù)荷至目標(biāo)負(fù)荷等。

（3）蒸汽流量與蒸汽壓力限制。當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)組工作在負(fù)荷模式下時(shí)，機(jī)組的最大蒸汽流量取決于可人為改變的限制值，蒸汽壓力控制的作用是通過(guò)限制汽輪機(jī)的進(jìn)汽壓力來(lái)控制汽輪機(jī)負(fù)荷。蒸汽流量限制值和蒸汽壓力限制值中的最小值確定機(jī)組負(fù)荷的上限。

2　汽輪機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

本節(jié)對(duì)汽輪機(jī)仿真模型在滿功率穩(wěn)態(tài)工況、線性升降功率工況、負(fù)荷階躍工況和甩負(fù)荷工況下的模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析，并以某CPR1000核電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)為參考數(shù)據(jù)，對(duì)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

2.1　滿功率工況下模型驗(yàn)證

將本文建立的汽輪機(jī)熱工與控制系統(tǒng)模型整合至核電廠全范圍熱力系統(tǒng)模型中，首先對(duì)汽輪機(jī)滿功率穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況進(jìn)行計(jì)算，汽輪機(jī)模型主要參數(shù)的計(jì)算值與設(shè)計(jì)值的對(duì)比如表2所示，電功率、主蒸汽壓力、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的相對(duì)誤差在1.0%以內(nèi)，主蒸汽流量的相對(duì)誤差在2.0%以內(nèi)，滿足用于汽輪機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的汽輪機(jī)仿真模型的精度要求。

表2　滿功率下汽輪機(jī)主要參數(shù)對(duì)比

2.2　線性升降功率

為與參考數(shù)據(jù)對(duì)比，5%FP·min-1線性升降功率的數(shù)值模擬方案為：機(jī)組在1 054 MW電功率水平下運(yùn)行306 s，隨后電功率以5%FP·min-1的速度降低至165 MW并運(yùn)行640 s，之后電功率以5%FP·min-1的速度上升至979 MW，最后電功率降低并維持在960 MW。汽輪機(jī)在線性升降功率工況下各主要參數(shù)的變化趨勢(shì)如圖3所示，可知在線性升降功率工況下仿真模型計(jì)算得到的各主要參數(shù)與實(shí)際數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)一致。主要參數(shù)的誤差值如表3所示，可知汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力與汽輪機(jī)蒸汽需求的模型計(jì)算值誤差大于10%。汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力和蒸汽需求量的計(jì)算存在一定的誤差，分析原因如下：

（1）根據(jù)圖2可知，在負(fù)荷控制模式下控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)測(cè)負(fù)荷和目標(biāo)負(fù)荷之間差異和汽機(jī)開(kāi)度計(jì)算得到總蒸汽需求，進(jìn)而得到汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度決定汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力，從而達(dá)到調(diào)節(jié)汽輪機(jī)負(fù)荷的目的。本研究所建立的汽輪機(jī)熱工模型采用了常效率模型，如式（4）所示，汽輪機(jī)做功取決于汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力與出口壓力之差且汽輪機(jī)效率因子恒定，而實(shí)際汽輪機(jī)做功效率因子隨工況變化，這就導(dǎo)致了計(jì)算得到的汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力和蒸汽需求與實(shí)際運(yùn)行值之間存在一定的誤差。

（2）所建立的汽輪機(jī)控制系統(tǒng)具體參數(shù)設(shè)置以及熱工模型中汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的流量特性曲線與實(shí)際可能存在差異，這也是導(dǎo)致汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力和蒸汽需求計(jì)算值與實(shí)際運(yùn)行值之間存在誤差的可能原因。

所建立模型在動(dòng)態(tài)工況下汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力存在一定誤差對(duì)使用模型進(jìn)行控制系統(tǒng)控制邏輯正確性現(xiàn)場(chǎng)定性調(diào)試的影響較小，原因如下：

（1）汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力在汽輪機(jī)控制系統(tǒng)控制邏輯中主要用于壓力限值計(jì)算過(guò)程而并不直接參與蒸汽需求和汽機(jī)調(diào)節(jié)閥門開(kāi)度的計(jì)算，因此汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力誤差存在一定誤差對(duì)控制系統(tǒng)的整體運(yùn)行影響較小。

（2）在汽輪機(jī)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中，若實(shí)際控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)汽輪機(jī)仿真模型負(fù)荷的正確控制即汽輪機(jī)電功率、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算值與實(shí)際運(yùn)行值間的誤差滿足要求，則可以證明控制系統(tǒng)控制邏輯的正確性，而汽輪機(jī)熱工模型采取常效率模型或變效率模型不影響控制系統(tǒng)的運(yùn)行，因此并不影響使用本仿真模型對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行定性調(diào)試。

圖3　線性升降功率時(shí)主要參數(shù)變化趨勢(shì)

汽輪機(jī)維持1 054 MW電功率運(yùn)行時(shí)，其蒸汽需求、閥門開(kāi)度和進(jìn)汽壓力均保持不變；汽輪機(jī)組以5%FP·min-1的速度降功率時(shí)，汽輪機(jī)蒸汽需求降低，高壓調(diào)閥開(kāi)度減小，低壓調(diào)閥開(kāi)度保持不變，汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力降低，機(jī)組電功率降低；汽輪機(jī)組以5%FP·min-1的速度升功率時(shí)，汽輪機(jī)蒸汽需求變大，高壓調(diào)閥開(kāi)度增大，低壓調(diào)閥開(kāi)度保持不變，汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力增大，機(jī)組電功率升高。模型在5%FP·min-1線性負(fù)荷變化工況下的主要參數(shù)與參考數(shù)據(jù)吻合較好。

表3　線性升降功率時(shí)主要參數(shù)誤差

2.3　負(fù)荷階躍變化

為與參考數(shù)據(jù)對(duì)比，10%FP負(fù)荷階躍變化的運(yùn)行方案為：機(jī)組在1 017 MW功率水平下運(yùn)行117 s，設(shè)定電功率變化速度為200%FP·min-1，使電功率階躍到908 MW并運(yùn)行830 s，之后電功率以相同變化速度階躍到997 MW。汽輪機(jī)在負(fù)荷階躍變化工況下各主要參數(shù)變化趨勢(shì)如圖4所示，可知在負(fù)荷階躍變化工況下仿真模型計(jì)算得到的各主要參數(shù)與實(shí)際數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)一致。主要參數(shù)的誤差值如表4所示，可知汽輪機(jī)蒸汽需求的模型計(jì)算值誤差大于10%，其可能原因與線性升降工況下一致。

表4　負(fù)荷階躍變化時(shí)主要參數(shù)誤差

10%FP負(fù)荷階躍變化工況下，各主要參數(shù)的變化規(guī)律與5%FP·min-1線性升降功率工況下相近。模型數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)在汽輪機(jī)蒸汽需求和進(jìn)汽壓力上有較大差異，分析誤差產(chǎn)生的原因與5%FP·min-1線性升降功率工況下相同。

圖4　負(fù)荷階躍變化時(shí)主要參數(shù)變化趨勢(shì)

2.4　汽輪機(jī)甩負(fù)荷至廠用電

核電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)通過(guò)主變壓器及超高壓母線斷路器與外電網(wǎng)連接，向外電網(wǎng)輸送電力。當(dāng)超高壓母線斷路器斷開(kāi)時(shí)，汽輪發(fā)電機(jī)組失去與外電網(wǎng)的連接，此時(shí)發(fā)電機(jī)通過(guò)廠用電變壓器對(duì)廠用設(shè)備供電，核電機(jī)組的電功率降為滿功率的5%左右，反應(yīng)堆的核功率降為滿功率的30%，這種運(yùn)行狀態(tài)稱為汽輪機(jī)甩負(fù)荷至廠用電[10]。汽輪機(jī)在甩負(fù)荷工況下各主要參數(shù)變化趨勢(shì)如圖5所示，可知在甩負(fù)荷至廠用電工況下仿真模型計(jì)算得到的各主要參數(shù)與實(shí)際數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)一致。主要參數(shù)的誤差值如表5所示，可知汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力的模型計(jì)算值誤差大于10%，其可能原因與線性升降工況下一致。

圖5　汽輪機(jī)甩負(fù)荷至廠用電時(shí)主要參數(shù)變化趨勢(shì)

汽輪機(jī)發(fā)生甩負(fù)荷的瞬間，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速飛升至1 583 r·min-1，在汽輪機(jī)控制系統(tǒng)作用下汽輪機(jī)閥門和旁路排放閥動(dòng)作使得轉(zhuǎn)速很快下降并維持穩(wěn)定，參考數(shù)據(jù)維持在1 495 r·min-1左右，模型數(shù)據(jù)維持在1 497 r·min-1左右。甩負(fù)荷發(fā)生后，汽輪機(jī)失去外負(fù)荷，高壓調(diào)閥和低壓調(diào)閥開(kāi)度迅速降低，汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力降低，電功率降為滿功率的5%左右并保持穩(wěn)定，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)維持在約64 MW，模型數(shù)據(jù)維持在約65 MW。

表5　汽輪機(jī)甩負(fù)荷至廠用電時(shí)主要參數(shù)誤差

3　結(jié)論

本文以CPR1000核電汽輪機(jī)為研究對(duì)象，建立了基于RELAP5程序的汽輪機(jī)熱工模型，進(jìn)行了汽輪機(jī)模型滿功率穩(wěn)態(tài)工況的仿真。計(jì)算結(jié)果表明，在滿功率穩(wěn)態(tài)工況下，對(duì)于電功率、主蒸汽壓力、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速等作為汽輪機(jī)控制系統(tǒng)輸入的參數(shù)，汽輪機(jī)仿真模型的計(jì)算值與實(shí)際機(jī)組參考值之間的相對(duì)誤差小于1.0%，對(duì)于其他參數(shù)如主蒸汽流量的相對(duì)誤差小于2.0%，滿足用于汽輪機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的汽輪機(jī)仿真模型滿功率穩(wěn)態(tài)工況下的精度要求；在汽輪機(jī)線性升降功率、負(fù)荷階躍變化和甩負(fù)荷至廠用電等動(dòng)態(tài)工況下，仿真模型主要參數(shù)計(jì)算值的變化趨勢(shì)與實(shí)際機(jī)組對(duì)應(yīng)參考值的變化趨勢(shì)相一致，說(shuō)明本研究所建立的汽輪機(jī)仿真模型可以替代實(shí)際汽輪機(jī)對(duì)核電廠汽輪機(jī)控制系統(tǒng)控制邏輯的正確性進(jìn)行定性測(cè)試，從而提高汽輪機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的速度和安全性。本文所建立的汽輪機(jī)仿真模型在動(dòng)態(tài)工況下部分參數(shù)計(jì)算誤差稍大，因此對(duì)汽輪機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行定量調(diào)試的能力存在一定的不足。本研究的下一步研究計(jì)劃包括提高汽輪機(jī)仿真模型在動(dòng)態(tài)工況下的計(jì)算精度和對(duì)汽輪機(jī)模型在更多工況下的模擬能力進(jìn)行測(cè)試。

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Study on the Simulation Model of the Steam Turbine of Nuclear Power Plant for Field Commissioning of the Control System

LI Jiangkuan1，YANG Liping2，LIN Meng1,*，JING Xingtian1

（1. School of nuclear science and engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai，200240，China；2. China nuclear power engineering Co.，Ltd，Shenzhen of Guangdong Prov. 518026，China）

In order to realize rapid and safe field commissioning of the CPR1000 steam turbine control system, a simulation model of the steam turbine based on the RELAP5 code is established to replace the actual steam turbine equipment. The calculation results show that the errors between the calculated values of main parameters of the established steam turbine model and the actual operation data meet the requirements. The calculation results of main parameters under dynamic conditions such as linear load change, step load change and load rejection are consistent with the change trend of actual operation data, which indicates the established steam turbine simulation model can replace the actual CPR1000 steam turbine to connect with the control system and complete the qualitative field commissioning of the correctness of the control logic of the steam turbine control system.

Field commissioning; Simulation of steam turbine; RELAP5; CPR1000

TL333

A

0258-0918（2021）06-1175-08

2020-09-22

十三五核能開(kāi)發(fā)科研項(xiàng)目“基于深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工智能的船用核動(dòng)力裝置故障診斷技術(shù)研究”

李江寬（1993—），河北滄州人，博士研究生，現(xiàn)從事反應(yīng)堆熱工水力及核電廠故障診斷研究

林萌，E-mail：linmeng@sjtu.edu.cn