阅读说明：本技术 核电站汽轮机组一次调频系统及方法 (Primary frequency modulation system and method for steam turbine set of nuclear power station ) 是由 于明 任子华 米红松 史政林 刘闯 张春彪 于 2019-09-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种核电站汽轮机组一次调频系统及方法,温度传感器将核电站一回路温度信息转化为第一模拟电信号；第一采集模块采集第一模拟电信号进行模数转换得到第一数字电信号；第一计算模块计算热功率值；信号传输模块将热功率值进行传输；第一输出模块将热功率值转化为第二模拟电信号输出；第二采集模块采集第二模拟电信号并进行模数转换得到第二数字电信号；第二计算模块结合第二数字电信号计算一次调频容量上限值；第二输出模块将一次调频容量上限值转化为第三模拟电信号；主汽门电磁阀在第三模拟电信号的控制下调节汽轮机的主汽门的开度。该一次调频系统及方法能够避免热功率超限情况下机组仍然响应电网一次调频而造成的核安全风险。(The invention discloses a primary frequency modulation system and a primary frequency modulation method for a steam turbine set of a nuclear power station.A temperature sensor converts temperature information of a loop of the nuclear power station into a first analog electric signal; the first acquisition module acquires the first analog electric signal and performs analog-to-digital conversion to obtain a first digital electric signal; the first calculation module calculates a thermal power value; the signal transmission module transmits the thermal power value; the first output module converts the thermal power value into a second analog electric signal to be output; the second acquisition module acquires a second analog electric signal and performs analog-to-digital conversion to obtain a second digital electric signal; the second calculation module is combined with the second digital electric signal to calculate the upper limit value of the primary frequency modulation capacity; the second output module converts the primary frequency modulation capacity upper limit value into a third analog electric signal; and the main valve electromagnetic valve adjusts the opening degree of a main valve of the steam turbine under the control of the third analog electric signal. The primary frequency modulation system and the method can avoid the nuclear safety risk caused by the fact that the unit still responds to the primary frequency modulation of the power grid under the condition that the thermal power is over-limit.)

核电站汽轮机组一次调频系统及方法

技术领域

本发明是关于核电机组一次调频技术领域，特别是关于一种核电站汽轮机组一次调频系统及方法。

背景技术

CPR1000是中国广核集团推出的中国改进型百万千瓦级压水堆核电技术方案。CPR1000核电机组设计额定电功率为1086MWe(兆瓦电力)，对应的一回路热功率为2905MWe。为了保证电网的供电质量，所有联网发电机组均需要参与电网的一次调频相应，以应对电网不期产生的电网负荷变化。但对电网一次调频的响应不能超出机组的额定功率，故在设计上，CPR1000核电机组响应电网一次调频最大电功率为54.3WMe，最高电功率为1086MWe，若超出机组调节范围，则保持固定电功率输出。

发明人发现，在夏季时海水温度上涨，超过30℃，汽轮机发电机的效率明显下降，导致在相同的一回路热功率2905MWe的情况下，机组所发出的电功率在1060～1070MWe之间，低于设计值1086MWe，在此情况下，机组尚未达到电网一次调频的响应上限，仍有15～20MWe的响应空间，若此时机组响应电网一次调频，则汽轮机功率自动提升，将直接导致一回路热功率超过2905MWe设计值，对堆芯核燃料及一回路压力边界都将造成严重威胁，存在较大核安全风险。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种核电站汽轮机组一次调频系统及方法，有效避免热功率超限情况下机组仍然响应电网一次调频而造成的潜在核安全风险。

为实现上述目的，本发明提供了一种核电站汽轮机组一次调频系统，其包括：温度传感器、第一采集模块、第一计算模块、信号传输模块、第一输出模块、第二采集模块、第二计算模块、第二输出模块以及主汽门电磁阀。温度传感器连接在核电站一回路中，用于将所述核电站一回路的温度信息转化为第一模拟电信号；第一采集模块与所述温度传感器相连，用于采集所述第一模拟电信号，并进行模数转换从而得到第一数字电信号；第一计算模块与所述第一采集模块相连，用于根据所述第一数字电信号计算所述核电站一回路的热功率值；信号传输模块与所述第一计算模块相连，用于将所述热功率值进行传输；第一输出模块与所述信号传输模块相连，用于将所述热功率值转化为第二模拟电信号进行输出；第二采集模块与所述第一输出模块相连，用于采集所述第二模拟电信号，并进行模数转换从而得到第二数字电信号；第二计算模块与所述第二采集模块相连，用于结合所述第二数字电信号计算一次调频容量上限值；第二输出模块与所述第二计算模块相连，用于将所述一次调频容量上限值转化为第三模拟电信号；主汽门电磁阀与所述第二输出模块相连，用于在所述第三模拟电信号的控制下调节汽轮机的主汽门的开度。

在本发明的一实施方式中，所述第二计算模块包括：第一比较模块、第二比较模块、第三比较模块、第四比较模块。第一比较模块与所述第二采集模块相连，用于比较一回路热功率上限值与所述第二数字电信号的差值与0的大小，取其中较大的值作为第一比较结果进行输出；第二比较模块用于比较汽轮机额定功率与汽轮机负荷设定值的差值与0的大小，取其中较大的值作为第二比较结果进行输出；第三比较模块与所述第一比较模块以及所述第二比较模块均相连，用于比较所述第一比较结果、所述第二比较结果以及一次调频容量最大值的大小，取其中较小的值作为第三比较结果进行输出；第四比较模块与所述第三比较模块相连，用于比较所述第三比较结果与0的大小，取其中较小的值作为所述一次调频容量上限值进行输出。

在本发明的一实施方式中，所述一次调频容量最大值为所述汽轮机组额定功率的5％。

在本发明的一实施方式中，所述第一采集模块、所述第一计算模块、所述信号传输模块、所述第一输出模块均设置于核电站的非安全级全厂数字化仪控系统中，其中，所述第一采集模块为模拟量输入采集卡，所述第一计算模块为CPU，所述信号传输模块为两个现场控制站之间的信号传输通道，所述第一输出模块为模拟量输出卡件。

在本发明的一实施方式中，所述第二采集模块、所述第二计算模块以及所述第二输出模块均设置于核电站的汽轮机控制系统中，其中，所述第二采集模块为模拟量输入采集卡，所述第二计算模块为CPU，所述第一输出模块为模拟量输出卡件。

在本发明的一实施方式中，所述第一模拟电信号和所述第二模拟电信号为数值范围在4～20mA的电流。

本发明还提供了一种核电站汽轮机组一次调频方法，其包括：将所述核电站一回路的温度信息转化为第一模拟电信号；采集所述第一模拟电信号，并进行模数转换从而得到第一数字电信号；根据所述第一数字电信号计算所述核电站一回路的热功率值；将所述热功率值转化为第二模拟电信号进行输出；采集所述第二模拟电信号，并进行模数转换从而得到第二数字电信号；结合所述第二数字电信号计算一次调频容量上限值；将所述一次调频容量上限值转化为第三模拟电信号；在所述第三模拟电信号的控制下调节汽轮机的主汽门的开度。

在本发明的一实施方式中，所述结合所述第二数字电信号计算一次调频容量上限值包括：比较一回路热功率上限值与所述第二数字电信号的差值与0的大小，取其中较大的值作为第一比较结果进行输出；比较汽轮机额定功率与汽轮机负荷设定值的差值与0的大小，取其中较大的值作为第二比较结果进行输出；比较所述第一比较结果、所述第二比较结果以及一次调频容量最大值的大小，取其中较小的值作为第三比较结果进行输出；比较所述第三比较结果与0的大小，取其中较小的值作为所述一次调频容量上限值进行输出。

在本发明的一实施方式中，所述一次调频容量最大值为所述汽轮机组额定功率的5％。

在本发明的一实施方式中，所述第一模拟电信号和所述第二模拟电信号为数值范围在4～20mA的电流。

与现有技术相比，根据本发明的核电站汽轮机组一次调频系统及方法，在一次调频容量上限控制中引入一回路热功率条件作为一次调频容量上限控制的限制条件，当在夏季时，海水温度上涨导致汽机效率下降，当二回路达到满功率后，即使仍未达到1086MWe，仍有一次调频上调空间，将根据当前机组一回路热功率情况而响应，若一回路热功率已达到2905MWe，则不再继续参与一次调频上调，保证一回路热功率不超限值，有效避免热功率超限情况下机组仍然响应电网一次调频而造成的潜在核安全风险。

附图说明

图1是根据现有技术的一次调频功能原理图；

图2是根据现有技术的一次调频死区设置及最大调节负荷限值示意图；

图3是根据现有技术的一次调频容量上限限制模块原理图；

图4是根据本发明一实施方式的一次调频容量上限限制模块原理图；

图5是根据本发明一实施方式的核电站汽轮机组一次调频系统的模块组成；

图6是根据本发明一实施方式的的核电站汽轮机组一次调频的步骤组成。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

为了克服现有技术的问题，在实现本发明的过程中，发明人进行了如下分析。

CPR1000核电机组中，汽机的转速负荷控制最终通过有效蒸汽需求量来控制汽机阀门开度，在有效负荷设定值模块增加汽机的一次调频功能，参与机组的转速负荷控制。一次调频功能原理如图1所示。汽机转速设定值NS与汽机实际转速值NT之差称为转速差(Δn)，转速差分为两路送出。一路作为蒸汽需求量计算的前馈信号之一参与计算，另一路作为一次调频模块的输入。一次调频的模块的输出称为一次调频分量，该分量与汽机负荷设定值PS、汽机实际负荷值PEL计算出负荷偏差，通过PI控制器、频差前馈K_DN及功率前馈K_P得出蒸汽需求量SD。

为了避免机组偏离正常运行和瞬态运行导致负荷变化过大过快，进而危及核电机组的安全稳定运行，根据电网一次调频功能需求及CPR1000核电机组堆机匹配的控制要求，核电机组一次调频参数应以保证反应堆控制为首要目标，并设置适用于反应堆功率变化的死区范围及一次调频的最大调节负荷限值。当转速(频率)在死区内变化，一次调频不动作；当转速(频率)变化超出死区范围，一次调频模块按照功频特性来调节负荷和频率，并受到最大负荷变化量限制的约束。一次调频死区设置及最大调节负荷限值如图2所示。其中，一次调频死区为±2r/min，最大调频调功容量为±54.3MWe(±5％汽机额定电功率)；转速小于1498rpm时，以△n*汽机额定功率/(汽机额定转速*5％)的变化量升功率，当转速降至1494.25rpm时达到最大升功率值54.3MWe；(转速差△n＝汽机额定转速1500r/min-汽机当前转速)；电功率大于1086MW时，不允许升负荷进行一次调频，且一次调频不允许电功率超过1086MW；转速大于1502rpm时，以△n*汽机额定功率/(汽机额定转速*5％)的变化量来降功率，当转速大于1505.75rpm时达到最大降功率值-54.3MWe；转速继续上升到1515rpm时，调频输出限制有输出；转速升到1518.75rpm时，调频输出限制起作用，机组将以5％的不等率继续降功率，直到转速大于1528.12时达到最大降功率值-200MW；电功率小于162.9MW时，不允许降负荷进行一次调频。

图3为一次调频容量上限限制模块原理图。一次调频容量上限限值控制原理是汽机额定功率P0与汽机当前负荷设定值Psw之差与0做比较，取其中的较大值作为输出，该输出与一次调频上限容量54.3MWe作比较，取其较小值作为最终汽机功率上调的一次调频分量。例如，汽机额定功率P0＝1086MWe，当前负荷设定值Psw＝1076MWe，二者之差为10MWe，大于0而小于54.3MWe，则10MWe则为一次调频分量，参与实际蒸汽需求量计算。若Psw＝1090MWe，则二者之差为-4MWe，小于0，与0比较之后输出0，则一次调频分量为0MWe，即当机组实际功率大于额定功率时，机组不参与一次调频工作。

通过上述分析发明人发现，CPR1000核电机组现有一次调频设计方案中仅采用了汽机功率不超二回路额定上限设计逻辑，而未对一回路功率上限进行限制。当机组热效率下降，出力达不到额定值1086MWe时，一次调频上调动作，可能出现一回路超功率情况。例如夏季海水温度上涨，汽机效率下降，可能导致CPR1000机组在一回路热功率已经达到满功率2905MWe时，二回路的实际功率在1060～1070MWe之间，根据前面介绍的一次调频容量上限限值控制原理，此时一次调频分量仍有5～25MWe的调节余量，若此时机组参与一次调频工作，则直接导致一回路超功率，对一回路压力边界及燃料包壳产生严重威胁，严重影响到核安全。

基于上述研究，为了解决上述问题，本发明在一次调频容量上限控制中引入一回路热功率条件作为一次调频容量上限控制的限制条件，一次调频容量上限值计算原理图如图4所示。具体而言，一次调频容量上限有3个限制条件。第一个限制条件为一次调频容量最大值，取机组额定功率的5％，为54.3MWe；第二个限制条件为汽机额定功率P0与汽机当前负荷设定值Psw之差与0做比较，取其中的较大值作为输出；第三个限制条件为一回路热功率上限(2905MWe)与一回路当前热功率值Pr之差与0作比较，取其大值作为输出。

将三个条件的输出进行比较，取其最小值作为一次调频分量输出参与实际蒸汽需求量计算。例如，第二个限制条件中，汽机额定功率P0＝1086MWe，当前负荷设定值Psw＝1076MWe，二者之差为10MWe，大于0，则第二个限制条件的输出为10MWe。第三个限制条件中的当前热功率为2890MWe，二者之差为15MWe，大于0，则第三个限制条件的输出为15MWe，三个限制条件的输出取其最小输出，则一次调频分量为10MWe。再如，在上述第二个限制条件的前提下，若第三个限制条件中一回路额定热功率为2905MWE，当前热功率为2900MWe，二者之差为5MWe，大于0，则第三个限制条件的输出为5MWe，三个限制条件的输出取其最小输出，则一次调频分量为5MWe。再如，依然在上述第二个限制条件的前提下，如果第三个限制条件中当前一回路热功率为2905MWe，二者之差为0，第三个限制条件的输出也为0，则一次调频分量为0MWe，即不参与一次调功工作。

通过上述分析可以看出，在引入一回路热功率值作为一次调频容量限制控制条件后，原控制原理中关于汽机功率限制的条件未发生改变，未改变一次调频容量上限的最大值。同时解决了当机组实际功率并未达到额定功率，而一回路热功率已经达到额定功率值时机组参与一次调频导致一回路热功率超限的问题。在二回路汽机功率及一回路热功率均未达到额定功率时，其一次调频分量的计算输出以二者更小的功率差作为一次调频分量来参与实际蒸汽需求量计算。

基于本发明的调频容量控制原理，本发明从CPR1000核电机组实际应用出发，提出了一种核电机组一次调频系统及方法，将核电站一回路热功率设计限值2905MWe作为机组响应电网一次调频过程中的限制条件之一，即在夏季，机组热效率降低，当机组已经满功率运行而必须响应电网一次调频时，通过一回路热功率限制而不参与调节，确保一回路热功率不超过设计值，保证核燃料及一回路压力边界的安全性，以确保核安全。

图5是根据本发明一实施方式的核电站汽轮机组一次调频系统，其包括：温度传感器10、第一采集模块11、第一计算模块12、信号传输模块13、第一输出模块14、第二采集模块15、第二计算模块16、第二输出模块17、主汽门电磁阀18。

温度传感器10连接在核电站一回路中，用于将核电站一回路的温度信息转化为第一模拟电信号。

第一采集模块11与温度传感器10相连，用于采集第一模拟电信号，并进行模数转换从而得到第一数字电信号。

第一计算模块12与第一采集模块11相连，用于根据第一数字电信号计算核电站一回路的热功率值。

信号传输模块13与所述第一计算模块12相连，用于将所述热功率值进行传输。

第一输出模块14与信号传输模块13相连，用于将热功率值转化为第二模拟电信号进行输出。

第二采集模块15与第一输出模块14相连，用于采集第二模拟电信号，并进行模数转换从而得到第二数字电信号。

第二计算模块16与第二采集模块15相连，用于结合第二数字电信号计算一次调频容量上限值。具体而言，第二计算模块16包括：第一比较模块16a、第二比较模块16b、第三比较模块16c、第四比较模块16d。第一比较模块16a与第二采集模块15相连，用于比较一回路热功率上限值与所述第二数字电信号的差值与0的大小，取其中较大的值作为第一比较结果进行输出；第二比较模块16b用于比较汽轮机额定功率与汽轮机负荷设定值的差值与0的大小，取其中较大的值作为第二比较结果进行输出。第三比较模块16c与第一比较模块16a以及第二比较模块16b均相连，用于比较第一比较结果、第二比较结果以及一次调频容量最大值的大小，取其中较小的值作为第三比较结果进行输出；第四比较模块16d与第三比较模块16c相连，用于比较第三比较结果与0的大小，取其中较小的值作为一次调频容量上限值进行输出。其中，一次调频容量最大值为汽轮机组额定功率的5％，即为54.3MWe。

第二输出模块17与第二计算模块16相连，用于将一次调频容量上限值转化为第三模拟电信号。主汽门电磁阀18与第二输出模块17相连，用于在第三模拟电信号的控制下调节汽轮机的主汽门的开度。

具体而言，在本实施方式中，CPR1000机组中机组总体控制由NC-DCS(非安全级别全厂数字化仪控系统)实现，汽轮发电气的控制及保护由单独一套系统执行，称之为TCS系统(汽轮机控制系统)。为了便于实现系统，本实施方式中，将一回路热功率信号通过NC-DCS的模拟量输入采集卡采集并通过4～20mA信号送往TCS，经过TCS的逻辑计算将最终信号送往汽机主汽门进行控制，现场采集到的温度信号，将4～20mA信号送往NC-DCS的CPU，计算得到一回路热功率值，该热功率值通过NC-DCS现场控制站的模拟量输出卡件送往TCS的模拟量输入采集卡，TCS的CPU在接受到该信号后进行计算并通过其模拟量输出卡件将计算结果输出至汽机主汽门电磁阀18，从而控制汽机主汽门的开度。

因此本实施方式中将第一采集模块11、第一计算模块12、信号传输模块13以及第一输出模块14均设置于核电站的非安全级全厂数字化仪控系统中，其中，第一采集模块11为NC-DCS的模拟量输入采集卡，第一计算模块12为NC-DCS的CPU，信号传输模块13为两个现场控制站之间建立的通道。第一输出模块14为NC-DCS的模拟量输出卡件。第二采集模块15、第二计算模块16以及第二输出模块17均设置于核电站的汽轮机控制系统中，其中，第二采集模块15为模拟量输入采集卡，第二计算模块16为CPU，第一输出模块14为模拟量输出卡件。其中，第一模拟电信号和第二模拟电信号为数值范围在4～20mA的电流。

还需要说明的是，一回路热功率在NC-DCS中已经有成熟的计算方法，本实施方式直接引用该信号即可。回路热功率值在NC-DCS的传输中需要经过两个现场控制站进行信号传输，该传输过程通过NC-DCS已有的通讯网络和通讯方式执行。两个现场控制站进行信号传输需要进行通道配置，注意检查信号属性配置是否正确，避免造成通讯失败。注意核实NC-DCS及TCS的卡件精度与一回路热功率精度要求是否匹配，NC-DCS现场控制站及TCS控制柜的负载是否满足要求。

基于同样的发明构思，本发明还提供了一种核电站汽轮机组一次调频方法，图6是根据本发明一实施方式的核电站汽轮机组一次调频方法流程图，其包括步骤S1～S8。

在步骤S1中，将核电站一回路的温度信息转化为第一模拟电信号。

在步骤S2中，采集第一模拟电信号，并进行模数转换从而得到第一数字电信号。

在步骤S3中，根据第一数字电信号计算核电站一回路的热功率值。

在步骤S4中，将热功率值转化为第二模拟电信号进行输出。

在步骤S5中，采集第二模拟电信号，并进行模数转换从而得到第二数字电信号。

在步骤S6中，结合第二数字电信号计算一次调频容量上限值。具体而言，该过程包括：比较一回路热功率上限值与所述第二数字电信号的差值与0的大小，取其中较大的值作为第一比较结果进行输出；比较汽轮机额定功率与汽轮机负荷设定值的差值与0的大小，取其中较大的值作为第二比较结果进行输出；比较第一比较结果、第二比较结果以及一次调频容量最大值的大小，取其中较小的值作为第三比较结果进行输出；比较第三比较结果与0的大小，取其中较小的值作为一次调频容量上限值进行输出。其中，一次调频容量最大值为汽轮机组额定功率的5％，即为54.3MWe。

在步骤S7中，将一次调频容量上限值转化为第三模拟电信号。

在步骤S8中，在第三模拟电信号的控制下调节汽轮机的主汽门的开度。

其中，第一模拟电信号和第二模拟电信号为数值范围在4～20mA的电流。

综上所述，根据本实施方式的核电站汽轮机组一次调频系统及方法，在夏季时，海水温度上涨导致汽机效率下降，当二回路达到满功率后，即使仍未达到1086MWe，仍有一次调频上调空间，将根据当前机组一回路热功率情况而响应，若一回路热功率已达到2905MWe，则不再继续参与一次调频上调，保证一回路热功率不超限值，有效避免热功率超限情况下机组仍然响应电网一次调频而造成的潜在核安全风险。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。