CN109543223A - 一种核电机组外特性分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种核电机组外特性分析方法，涉及核电机组特性分析技术领域。所述核电机组外特性分析方法，从发电原理、主蒸汽参数、机组结构、运行方式和故障特性等方面对核电机组的特性以及与火电机组的差异性进行分析，并在此基础上基于PSASP建立压水堆核电机组仿真模型，对核电机组的动态特性进行仿真分析，为核电机组外特性的分析提供了有效的分析手段，并能通过仿真试验验证。
Description
技术领域
本发明属于核电机组特性分析技术领域，尤其涉及一种核电机组外特性分析方法。
背景技术
我国的核电事业在近几年发展迅速，核电占全国发电装机容量的比重已经从2009年的1.04％上升到2018年的3.94％，预计2020年将达到5％左右。越来越多的核电机组开始参与调峰，具备一定的负荷跟踪的能力，投入电网运行后表现出与火电机组较为相似的特性。在电网的整体分析过程中，为了更好地保护机组安全和维持系统稳定，应更多地关注核电机组给电网带来的影响，也就是核电机组的外特性。相比于传统火电，核电的优势在于能量密度较高，燃料消耗较少，发电成本较低，而由于核电的单机容量较大，其原料具有特殊性，对安全性有较高的要求，其建设成本高于火电。但在结构和原理方面，核电机组与火电机组有较多相似之处。相比于核电，我国在火电的运维、管理方面的经验更为充足，对于火电机组特性的了解更加完善。
目前对于核电与火电都已有相关的研究。吴萍等提出的第三代核电堆型AP1000运行特点及堆芯仿真研究、刘庆等提出的适用于电网稳定分析的大容量核电机组建模、葛斌等提出的核电机组二回路建模与动态仿真以及张学成提出的用于电力系统动态模拟的压水堆核电站数学模型，均是基于核电机组的运行原理，对大型核电机组进行仿真建模。周修铭等提出的适用于分析大扰动下机网相互影响的压水堆核电站数学模型研究和吴国旸等提出的大型压水堆核电机组建模研究通过将核电机组模型接入电网，对核电机组的机网特性进行了仿真研究。祝俊耀提出的核电汽轮机和火电汽轮机的比较和杨晓辉等提出的核电汽轮机与火电汽轮机比较分析阐述了核电汽轮机与火电汽轮机在参数设计、系统构成上的区别，定性地对核电与火电机组进行对比，但没有进行实验验证，对比过程缺少数据支持。目前尚无文献对核电机组的外特性进行定量的分析。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种核电机组外特性分析方法。
本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种核电机组外特性分析方法，包括以下几个步骤：
步骤1：核电机组的外特性分析；
从发电原理、主蒸汽参数、机组结构、运行方式和故障特性方面分析核电机组的特性，以及核电机组与火电机组所存在的差异；
步骤2：核电机组的建模；
基于所述步骤1的外特性分析，将实际核电机组的动力学、热力学过程量化后，经过一系列的简化得到通用的压水堆核电机组仿真模型，具体的压水堆核电机组仿真模型包括堆芯燃料和冷却剂热量传递模型、热线温度模型、冷线温度模型、蒸汽发生器模型、中子动态模型、反应堆功率控制系统、一回路平均温度模型、调速器模型以及汽轮机模型；
步骤3：仿真试验分析外特性；
基于电力系统分析综合程序(power system analysis software package,PSASP)建立所述步骤2的压水堆核电机组仿真模型，并将压水堆核电机组仿真模型接入电网中，对核电机组的动态特性进行仿真试验，并对试验结果进行分析。
进一步的，所述步骤1中，核电机组与火电机组在发电原理上的差异主要是由核电机组的一回路与火电机组的锅炉之间的差异性所导致的。
进一步的，所述步骤1中，核电机组的主蒸汽参数主要包括进入汽轮机做功蒸汽的压力与湿度。
进一步的，所述步骤1中，核电机组与火电机组在运行方式上的差异在于机组运行过程中主蒸汽压力是否保持恒定。
进一步的，所述步骤1中，在故障特性方面，核电机组相比于火电机组在故障时更易发生转速越限。
进一步的，所述步骤3中，压水堆核电机组仿真模型通过一台24kV/500kV的主变接入电网中。
进一步的，所述核电机组外特性分析方法还包括步骤4：核电机组与火电机组外特性的对比分析；
所述步骤4的具体操作为：基于PSASP建立火电机组仿真模型，将压水堆核电机组仿真模型和火电机组仿真模型接入电网中，对核电机组与火电机组的动态特性进行仿真试验，并对试验结果进行对比分析。
进一步的，所述步骤4中，压水堆核电机组仿真模型与火电机组仿真模型的调速器模型和汽轮机模型采用相同参数的模型。
进一步的，所述调速器模型的传递函数表达式为：
其中，KP表示PID控制比例环节系数，KD表示PID控制微分环节系数，KI表示PID控制积分环节系数，TSR表示继动器时间常数，TSM表示油动机时间常数，ωref表示发电机转速的整定值，ω表示发电机转速，KG表示测速环节放大倍数，Pref表示发电机组的功率整给定值，P表示发电机输出的功率，μ表示汽门开度。
进一步的，所述汽轮机模型的传递函数表达式为：
其中，TCH表示蒸汽容积时间常数，TRH表示再热器时间常数，TCO表示交叉管时间常数，FHP表示高压缸占比，FIP表示中压缸占比，FLP表示低压缸占比，PS表示一回路输出的主蒸汽压力，λ表示高压缸功率自然过调系数，μ表示汽门开度，PM表示汽轮机输出的机械功率。
与现有技术相比，本发明所提供的核电机组外特性分析方法，从发电原理、主蒸汽参数、机组结构、运行方式和故障特性等方面对核电机组的特性以及与火电机组的差异性进行分析，并在此基础上基于PSASP建立压水堆核电机组仿真模型，对核电机组的动态特性进行仿真分析，为核电机组外特性的分析提供了有效的分析手段，并能通过仿真试验验证。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明核电机组的原理图；
图2是本发明火电机组的原理图；
图3是本发明压水堆核电机组仿真模型的结构示意图；
图4是本发明调速器模型的传递函数图；
图5是本发明汽轮机模型的传递函数图；
图6是本发明核电机组、火电机组与电网联合运行图；
图7是本发明80％-90％负荷阶跃响应图，其中，图7(a)为核电机组与火电机组的机械功率对比图，图7(b)为核电机组主蒸汽压力图；
图8是本发明核电机组与火电机组三相短路故障特性图，其中，图8(a)为核电机组与火电机组的机械功率对比图，图8(b)为核电机组与火电机组的转速对比图，图8(c)为核电机组与火电机组的机端电压对比图，图8(d)为核电机组主蒸汽压力图；
其中，1-核反应堆，2-稳压器，3-蒸汽发生器，4-冷却剂泵，5-再热器，6-高压缸，7-低压缸，8-发电机，9-冷凝系统。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明所提供的一种核电机组外特性分析方法，包括以下几个步骤：
步骤1：核电机组的外特性分析；
从发电原理、主蒸汽参数、机组结构、运行方式和故障特性方面分析核电机组的特性，以及核电机组与火电机组所存在的差异。
在发电原理上进行分析，从能量转换的角度上来看，核电机组和火电机组有着相同的原理，都是通过燃料释放热量，产生高温高压的蒸汽驱动汽轮机发电。但是两者的能量传递过程有较大的区别。
核电机组主要由一回路和二回路构成，还包括一些辅助回路，如图1所示。其中，一回路主要包括反应堆芯、冷却剂循环系统和蒸汽发生系统，是整个核电机组的热力学部分；二回路与传统火电机组相似，如图2所示，主要包括调速系统、汽轮机、冷凝装置等，是整个核电机组的动力学部分。
在核电机组一回路中，由核反应堆1发生裂变反应产热，冷却剂泵4带动冷却剂循环流动。流经核反应堆1的冷却剂吸收了核燃料产生的热能，继续流动至蒸汽发生器3释放热量产生蒸汽，经过热交换后的冷却剂重新回流到核反应堆1，形成了完整的一回路循环。整个核电一回路的功能与结构对应于火电的锅炉环节，而一回路与锅炉的差异性是造成火电与核电差别的重要原因。
在主蒸汽参数上进行分析，相比于火电机组，核电机组的主蒸汽参数较低；主蒸汽参数主要包括进入汽轮机做功蒸汽的压力与湿度。一般火电机组的蒸汽是锅炉产生的高温高压的过热蒸汽，特点是压强大、湿度低，600MW火电机组的参数能够达到24.2MPa/566℃；而核电机组的蒸汽参数较低，主蒸汽压力小，蒸汽湿度偏高，一般参数为5-7MPa/270-280℃。
造成上述蒸汽参数差异的根本原因是为了确保核燃料的安全性。在核电机组中，流经核反应堆1的冷却剂具有一定的放射性，不宜直接进入汽轮机，因而冷却剂只能作为传输热量的媒介，通过蒸汽发生器3产生蒸汽。经过加压的冷却剂能维持的温度在310℃左右，而这个温度不足以产生高参数的蒸汽。在火电机组中，由锅炉直接产生高温高压的主蒸汽可以直接进入汽轮机，因而其蒸汽参数远高于核电机组。
在机组结构上进行分析，核电机组汽轮机尺寸相比于火电机组更大，往往为半速机组，汽机内部的低压缸7进汽口需要装设汽水分离再热器5。由于核电主蒸汽参数低，蒸汽压力小，在保持一定功率输出的前提下需要增加进汽量，同时也需要相应地增加汽轮机低压缸7的叶片长度，发出功率相等的情况下，核电机组的排汽面积比火电大50％。考虑到叶片增长之后在过高的转速下所受应力较大，核电汽轮机的转速受到限制，往往设计为半速机组。同时，湿蒸汽会引起加长后的低压缸7叶片严重腐蚀，因此在低压缸7进汽口需要装设汽水分离再热器5以降低低压缸内蒸汽的湿度，减小对汽轮机器件的损耗。
在运行方式上进行分析，除了调速系统和汽轮机参数上的差别，核电与火电最主要差别在于机组运行过程中主蒸汽压力是否保持恒定。在常规火电站运行过程中，锅炉出口的主蒸汽参数在机组正常运行的情况下是保持不变的。除了在甩负荷运行工况下，其余工况下锅炉出口处的主蒸汽压力始终保持在一个恒定值。而在目前的压水堆核电机组中，功率控制采取了一种折中的方案，即由冷却剂温度、主蒸汽压力共同承担机组输出功率的变化。一般来说，机组输出功率与冷却剂平均温度成正比，因此若要维持主蒸汽压力恒定，就会引起一回路的冷却剂平均温度在较大的范围内变化，给一回路的设计和安全运行带来较大的负担。核电机组运行过程中，主蒸汽压力会根据反应堆功率水平和输出功率的偏差，以及冷却剂温度水平，在一定范围内变化，一般变化范围在±8％以内。
在故障特性上进行分析，相比火电机组，核电机组汽轮机在故障时更易发生转速越限。由于核电机组主蒸汽参数较低，其较大的湿度导致汽轮机高压缸6、低压缸7内部的蒸汽流通部分表面凝结着一层水膜，如果负荷下降较快，这些水膜会发生闪蒸，推动汽轮机额外做功，相比于火电机组会引起更严重超速。水膜闪蒸在汽轮机甩负荷工况下较为明显，正常运行过程中可以不考虑。只有在核电汽轮机精确建模中需要考虑水膜闪蒸之后汽轮机容积方程的变化。
步骤2：核电机组的建模；
基于步骤1的外特性分析，将实际核电机组的动力学、热力学过程量化后，经过一系列的简化得到通用的压水堆核电机组仿真模型，具体的压水堆核电机组仿真模型包括堆芯燃料和冷却剂热量传递模型、热线温度模型、冷线温度模型、蒸汽发生器模型、中子动态模型、反应堆功率控制系统、一回路平均温度模型、调速器模型以及汽轮机模型，如图3所示。
在图3中，△THL和△TCL分别表示热线和冷线温度偏差值；△Tav表示冷却剂平均温度偏差值；△Tθ1和△Tθ2分别表示与堆芯热交换前和热交换后的冷却剂温度偏差值；△ρext表示控制棒组引入的反应性偏差值；△N表示中子通量偏差值；△TP表示蒸汽发生器处热交换管的温度偏差值；μ和△μ表示汽门开度实际值和偏差值；PM和△PM分别表示机组输出机械功率的实际值和偏差值。
为排除调速器和汽轮机参数的影响，建模所采用的核电机组的调速器模型和汽轮机模型均与火电机组相同。其中，核电机组的主蒸汽压力PS承担部分功率控制的任务，会在运行过程中发生一定范围的变化。
如图4和5所示，调速器模型和汽轮机模型的传递函数表达式分别为：
调速器模型的传递函数表达式：
其中，KP表示PID控制比例环节系数，KD表示PID控制微分环节系数，
KI表示PID控制积分环节系数，TSR表示继动器时间常数，TSM表示油动机时间常数，ωref表示发电机转速的整定值，ω表示发电机转速，KG表示测速环节放大倍数，Pref表示发电机组的功率整给定值，P表示发电机输出的功率，μ表示汽门开度。
本实施例中，调速器参数如表1所示：
表1调速器参数
汽轮机模型的传递函数表达式：
其中，TCH表示蒸汽容积时间常数，TRH表示再热器时间常数，TCO表示交叉管时间常数，FHP表示高压缸占比，FIP表示中压缸占比，FLP表示低压缸占比，PS表示一回路输出的主蒸汽压力，λ表示高压缸功率自然过调系数，μ表示汽门开度，PM表示汽轮机输出的机械功率。
本实施例中，汽轮机参数如表2所示：
表2汽轮机参数
步骤3：仿真试验分析外特性；
基于PSASP建立步骤2的压水堆核电机组仿真模型，并将压水堆核电机组仿真模型接入电网中，对核电机组的动态特性进行仿真试验，并对试验结果进行分析。
核电机组外特性分析方法还包括步骤4：核电机组与火电机组外特性的对比分析；步骤4的具体操作为：基于PSASP建立火电机组仿真模型，将压水堆核电机组仿真模型和火电机组仿真模型接入电网中，对核电机组与火电机组的动态特性进行仿真试验，并对试验结果进行对比分析。
实施例：
基于PSASP中的UDM功能对核电和火电机组进行建模，并通过一台24kV/500kV的主变接入电网中，如图6所示。对核电与火电机组在负荷跟踪、三相短路故障工况下的动态特性进行仿真试验，并对试验结果进行分析。
1、负荷跟踪
在仿真过程中，设置机组负荷从80％到90％阶跃上升。在各自调速系统的作用下，核电与火电机组提升汽轮机的输出功率至90％PN。
试验中的核电和火电机组的调速系统和汽轮机采用相同参数的同一模型，在应对外界负荷扰动的过程中表现出相似的特性。而根据图7(a)，核电机组的负荷跟踪速度仍然慢于火电机组。其原因在于核电与火电运行模式的不同，火电机组在运行过程中主蒸汽压力PS保持恒定，而核电机组的PS会随着功率差额和冷却剂温度差发生一定范围的变化。
由于核电机组中一回路的存在，在核电机组外部发生负荷扰动时，其蒸汽发生器出口处的主蒸汽压力受到反应堆功率变化和冷却剂温度的限制，无法维持恒定值。如图7(b)所示，从6.78MPa降低至6.67MPa，从而导致核电机组的输出功率变化速率下降，相比于火电机组的负荷跟踪速度较慢。
因此，对于一般的核电机组和火电机组来说，排除调速系统和汽轮机型号和参数上的差异，核电汽轮机输出功率变化比火电慢，其直接原因在于一回路主蒸汽压力PS的变化。
2、故障特性对比
在10s时刻，机组主变压器的高压母线发生三相短路故障，在10.2s时刻故障切除。如图8(a)所示，核电和火电机组的机械功率PM在故障发生的时刻下降，并在故障恢复之后迅速回升，经过小幅的波动之后回到初始值；机组转速在短路故障发生的时刻发生1.2％的转速飞升，故障恢复后经过小幅波动回归初值如图8(b)；发电机机端电压Vt在故障发生时刻降落至0.4pu，故障恢复之后恢复初值，如图8(c)所示。
通过机组机械功率PM、机组转速ω和机端电压Vt三个参数的对比来分析核电和火电机组的故障特性。根据图8，两者各项参数变化非常相似。造成这种相似的原因如图8(d)，主变高压侧发生三相短路故障的0.2s内，核电机组的主蒸汽压力变化非常细微，最大变化仅有0.007MPa，约0.1％。而试验中核电和火电机组采用了相同的调速系统和汽轮机模型，因此核电机组表现出的故障特性与火电机组几乎相同。
当核电机组所处的电网发生故障时，只要故障能够及时清除，核电机组一回路的主蒸汽压力在短时间内变化很小，核电机组表现出的动态特性与火电机组非常相似。同时，相同出力的核电与火电机组对于电网潮流的影响完全相同，两者在切机的工况下对电网的影响也完全相同。
因此，可以得到在大部分情况下核电和火电的外特性大同小异，一些火电机组的运行经验也同样适用于核电机组。并且，在不需要考虑核电机组一回路内部参数的情况下，大规模电网整体分析可以用相同等级的火电机组来代替核电机组。
本发明基于PSASP对核电机组和火电机组的动态特性进行仿真对比分析，分析结果表明核电机组由于受反应堆功率变化速度、循环冷却剂温度的限制，汽轮机输出功率的升降速率较低，对于负荷变化的跟踪速度慢于火电机组；
主蒸汽参数水平以及蒸汽压力是否恒定是造成核电、火电不同特性的主要因素。在机组主变高压母线发生三相短路故障并在短时间内清除故障的条件下，火电机组和核电机组均能够恢复稳定运行。并且由于短时故障期间核电机组一回路主蒸汽压力变化细微，核电与火电表现出相似的故障特性；
有负荷跟踪能力的核电机组与火电机组的动态特性大同小异，两者对电网的影响较为相似。在大规模电网的整体分析中，利用火电和核电机组相似的外特性，用相同等级的火电机组代替核电机组进行分析是合理可行的。
以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种核电机组外特性分析方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
步骤1：核电机组的外特性分析；
从发电原理、主蒸汽参数、机组结构、运行方式和故障特性方面分析核电机组的特性，以及核电机组与火电机组所存在的差异；
步骤2：核电机组的建模；
基于所述步骤1的外特性分析，将实际核电机组的动力学、热力学过程量化后，经过一系列的简化得到通用的压水堆核电机组仿真模型，具体的压水堆核电机组仿真模型包括堆芯燃料和冷却剂热量传递模型、热线温度模型、冷线温度模型、蒸汽发生器模型、中子动态模型、反应堆功率控制系统、一回路平均温度模型、调速器模型以及汽轮机模型；
步骤3：仿真试验分析外特性；
基于PSASP建立所述步骤2的压水堆核电机组仿真模型，并将压水堆核电机组仿真模型接入电网中，对核电机组的动态特性进行仿真试验，并对试验结果进行分析。
2.如权利要求1所述的一种核电机组外特性分析方法，其特征在于，所述步骤1中，核电机组与火电机组在发电原理上的差异主要是由核电机组的一回路与火电机组的锅炉之间的差异性所导致的。
3.如权利要求1所述的一种核电机组外特性分析方法，其特征在于，所述步骤1中，核电机组的主蒸汽参数主要包括进入汽轮机做功蒸汽的压力与湿度。
4.如权利要求1所述的一种核电机组外特性分析方法，其特征在于，所述步骤1中，核电机组与火电机组在运行方式上的差异在于机组运行过程中主蒸汽压力是否保持恒定。
5.如权利要求1所述的一种核电机组外特性分析方法，其特征在于，所述步骤1中，在故障特性方面，核电机组相比于火电机组在故障时更易发生转速越限。
6.如权利要求1所述的一种核电机组外特性分析方法，其特征在于，所述步骤3中，压水堆核电机组仿真模型通过一台24kV/500kV的主变接入电网中。
7.如权利要求1所述的一种核电机组外特性分析方法，其特征在于，还包括步骤4：核电机组与火电机组外特性的对比分析；
所述步骤4的具体操作为：基于PSASP建立火电机组仿真模型，将压水堆核电机组仿真模型和火电机组仿真模型接入电网中，对核电机组与火电机组的动态特性进行仿真试验，并对试验结果进行对比分析。
8.如权利要求7所述的一种核电机组外特性分析方法，其特征在于，所述步骤4中，压水堆核电机组仿真模型与火电机组仿真模型的调速器模型和汽轮机模型采用相同参数的模型。
9.如权利要求8所述的一种核电机组外特性分析方法，其特征在于，所述调速器模型的传递函数表达式为：
其中，KP表示PID控制比例环节系数，KD表示PID控制微分环节系数，KI表示PID控制积分环节系数，TSR表示继动器时间常数，TSM表示油动机时间常数，ωref表示发电机转速的整定值，ω表示发电机转速，KG表示测速环节放大倍数，Pref表示发电机组的功率整给定值，P表示发电机输出的功率，μ表示汽门开度。
10.如权利要求8所述的一种核电机组外特性分析方法，其特征在于，所述汽轮机模型的传递函数表达式为：
其中，TCH表示蒸汽容积时间常数，TRH表示再热器时间常数，TCO表示交叉管时间常数，FHP表示高压缸占比，FIP表示中压缸占比，FLP表示低压缸占比，PS表示一回路输出的主蒸汽压力，λ表示高压缸功率自然过调系数，μ表示汽门开度，PM表示汽轮机输出的机械功率。
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