一种压水堆核电厂调频能力优化方法与流程

1.本发明涉及核电反应堆技术领域，具体为一种压水堆核电厂调频能力优化方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.为保证核电安全性、可靠性以及经济性的角度，核电机组通常不参与或较少参与电网的调峰、调频等电网辅助服务，而是由常规的火电机组来承担调节服务，因此核电机组在很长一段时间都是以维持基负荷运行为主。
4.可再生能源的发电量高度依赖于季节、气象、气候等环境条件因素，发电不稳定性高，这会加剧电网频率的波动，因此新能源的发展需配套足够的负荷调节能力，以维持电网的稳定。
5.现有技术仍然以火电机组作为维持电网稳定的负荷调节主力，而核电机组自身具有一定的调峰调频能力，随着新能源接入电网的规模更加庞大，以火电机组作为负荷调节主力的方式已经难以满足目前的需求。


技术实现要素：

6.为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供一种压水堆核电厂调频能力优化方法，通过调研已有的核电厂参与调峰调频的运行数据，确定待优化核电厂的优化目标，并根据待优化核电厂实际的运行参数，确定一、二次调频的设计参数，再根据实际的需求确定最后的结果。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.本发明的第一个方面提供一种压水堆核电厂调频能力优化方法，包括以下步骤：
9.根据核电厂参与调频的运行数据，与待优化的核电厂对比，确定优化目标；
10.基于确定的优化目标，根据汽轮机转速实测数据或电网实测频率数据，确定待优化核电厂的一、二次调频的设计瞬态次数，根据核电设计要求，确定一、二次调频需求的运行负荷变化曲线；
11.基于待优化核电厂的实际需求，匹配得到的一、二次调频的设计瞬态次数和一、二次调频需求的运行负荷变化曲线，得到核电厂优化后的控制参数。
12.核电厂参与调频的运行数据包括一次调频调频死区、一次调频最大限制幅度、一次调频调差系数、一次调频预计发生次数、二次调频最大限制幅度、二次调频调节速率和二次调频预计发生次数。
13.根据核电厂参与调频的运行数据，与待优化的核电厂对比，确定优化目标，具体为：获取待不同类型的核电厂参与调频的运行数据和待优化的核电厂的当前运行数据并对比，根据设定的规则，确定优化目标。
14.设定的规则，具体为：
15.核岛及常规岛关键设备设计寿命不受影响；
16.一、二次调频运行期间不触发反应堆保护系统动作，反应堆运行参数不超过设定要求，反应堆不超过100％功率；
17.极限工况控制棒的机械补偿能力能够维持至少一个循环且无需更换，硼浓度调节的动作次数不超过设定值；
18.极限工况控制棒的最大累积步跃数不超过控制棒驱动机构的允许值。
19.根据汽轮机转速实测数据或电网实测频率数据，确定待优化核电厂的一、二次调频的设计瞬态次数，包括：利用已投运且未参与调频的核电厂汽轮机的转速实测转速数据，获取电网频率的变化情况。
20.利用已投运且未参与调频的核电厂汽轮机的转速实测转速数据，获取电网频率的变化情况，具体为：定义汽轮机的转速偏差为“额定转速值与实际转速值之间的差”，电网频率升高时，转速偏差为负，一次调频投运汽轮机组负荷调节方向同为负。
21.根据汽轮机转速实测数据或电网实测频率数据，确定待优化核电厂的一、二次调频的设计瞬态次数，还包括：获取已投运且未参与调频的核电厂汽轮机的转速数据中，转速处于设定区间的数据；
22.当汽轮机转速偏差超过
±
1转/分钟，且持续时间超过第一设定时间波动的次数，作为一次调频次数；
23.当汽轮机转速偏差超过
±
1转/分钟，且持续时间超过第二设定时间波动的次数，作为二次调频次数；
24.遍历得到的全部转速数据，得到每年出现的一、二次调频次数；
25.根据每年出现的一、二次调频次数，确定待优化核电厂的一、二次调频的设计瞬态次数。
26.一、二次调频需求的运行负荷变化曲线中，一次调频通过汽轮机转速偏差信号决定一次调频负荷调节的幅度，最大调节幅度至少为6％；二次调频的负荷变化为不低于1％/分钟，调节幅度为20％额定功率，以及不低于1％/分钟，调节幅度为50％额定功率。
27.与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
28.通过获取已有的核电厂参与调峰调频的运行数据，确定待优化核电厂的优化目标，并根据待优化核电厂实际的运行参数，确定一、二次调频的设计参数，再根据实际的需求确定最后的结果，使核电机组的调峰能力在实际运行中得到更好的发挥，进而参与电网负荷调节
。
附图说明
29.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
30.图1为本发明提供的压水堆核电厂调频能力优化流程示意图；
31.图2为本发明提供的电厂汽轮机设定时间段内的转速数据示意图；
32.图3为本发明提供的一次调频目标功能调节函数示意图；
33.图4为本发明提供的94％-100％-94％阶跃变化工况示意图；
34.图5为本发明提供的94％-88％-94％阶跃变化工况示意图；
35.图6为本发明提供的20％调节幅度的二次调频负荷变化示意图；
36.图7为本发明提供的50％调节幅度的二次调频负荷变化示意图。
具体实施方式
37.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
38.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
39.正如背景技术中所描述的，核电机组自身具有一定的调频调峰能力，但仍然出于安全性、可靠性以及经济性的考虑，通常不参与或较少参与电网的调峰调频等服务，而随着新能源接入电网规模的升高，传统使用火电机组作为负荷调节主力的方式已经不再能够满足当前的需求。
40.就电力系统建设和运行而言，核电参与调峰有利于提高电力系统运行的安全裕度与调度柔性，更好地适应各种不确定性因素的影响；有利于减少火电启停机，也可减少高成本的燃气、燃油发电，降低系统运行成本；有利于提高风电等清洁能源的接入规模与利用效率。
41.非能动压水堆核电机组设计上分别考虑了二次调频和调峰能力，其中机组的调峰设计能力在非能动核电机组在实际运行中并未完全发挥，预计机组调峰能力足够满足未来电网的要求，但调频能力由于是按照先进轻水堆用户文件(urd)的要求考虑的，与当前电网的一般要求存在一定的不匹配性，因此需考虑对调频能力进行优化增强。
42.以下实施例给出一种压水堆核电厂调频能力优化方法，通过调研已有的核电厂参与调峰调频的运行数据，确定待优化核电厂的优化目标，并根据待优化核电厂实际的运行参数，确定一、二次调频的设计参数，再根据实际的需求确定最后的结果。
43.实施例一：
44.如图1-7所示，一种压水堆核电厂调频能力优化方法，包括以下步骤：
45.根据核电厂参与调频的运行数据，与待优化的核电厂对比，确定优化目标；
46.基于确定的优化目标，根据汽轮机转速实测数据或电网实测频率数据，确定待优化核电厂的一、二次调频的设计瞬态次数，根据核电设计要求，确定一、二次调频需求的运行负荷变化曲线；
47.基于待优化核电厂的实际需求，匹配得到的一、二次调频的设计瞬态次数和一、二次调频需求的运行负荷变化曲线，得到核电厂优化后的控制参数。
48.具体的：
49.第一步：确定优化目标，并与已有设计能力进行对比。
50.首先，对现有的机组设计情况进行充分调研，包括但不限于各国家和地区推出的主流核电型号设计能力、各国家或地区对设定区域核电机组的用户要求、各核电机组参与调峰调频的实践情况等，整理相关的数据形成对照表格。
51.燃煤电机组由于其碳排放大的主要原因，装机容量的发展受限，而煤电机组作为当前电网灵活性调节的主力，这部分灵活性能力需要其他形式的能源补位，核电可作为备选的方案之一，因此，在对照表中增加煤电机组的调节能力参数。对照表的格式如表1所示：
52.表1：调研情况对照表
53.[0054][0055]
通过完成对照表的整理，对比形成具体参数的包络值作为优化目标，即表中最后一列。这里的包络值指能够覆盖所有需求的参数。
[0056]
从优化的角度考虑，应充分认识当前核电机组所具备的基本调频能力，整理梳理出相关的信息，作为优化工作的起始点。并将机组设计能力和优化目标逐项进行对比，关注不能达到优化目标的相对薄弱项，作为优化的主要对象。
[0057]
第二步：针对确定的优化目标开展影响分析，确认优化目标的可行性。
[0058]
在第一步中，基于已有能力和优化目标对比，识别出当前设计的薄弱项，将优化目标的相应参数代入，定性分析参数变化后的影响，判断受影响的主要方面，并基于这些方面开展定性的可行性分析研究。针对核电机组调频能力优化，应采用较高的一、二次调频参数，以应对电网日益强烈调频需求，应至少包括如下几个方面：
[0059]
a、核岛及常规岛关键设备(主要针对不可更换或更换代价大的设备)的设计寿命影响分析。考虑的验收准则为：核岛及常规岛关键设备(不可更换或更换代价大)设计寿命不受影响。
[0060]
b、控制系统有效性仿真及保护定值的裕量验证。考虑的验收准则为：一、二次调频运行期间不应触发反应堆保护系统动作，不应使反应堆运行参数(温度、压力)超技术规格书要求，反应堆不超100％满功率。
[0061]
c、堆芯反应性和功率分布控制的有效性验证。考虑的验收准则为：极限工况控制棒的机械补偿能力能维持至少一个循环无需更换，尽量避免硼浓度调节。
[0062]
d、控制棒累积步跃数分析。考虑的验收准则为：极限工况控制棒的最大累积步跃数不超过控制棒驱动机构的允许值。
[0063]
上述四个方面决定了优化目标实现的技术可行性，因此是需要重点展开分析，且均有成熟的分析方法，此处不做展开。但需重基于优化目标重新确定设计分析的输入条件，
主要包括如下两个方面：
[0064]
1)一、二次调频的设计瞬态次数
[0065]
设计瞬态是假设在设计寿期内(如60年内)核电厂在建成运行后一定会经受一定循环次数的瞬态工况，为证明反应堆冷却剂压力边界能够一直维持完整性，需对这些工况以及其引起的力学疲劳效应进行分析。
[0066]
根据一、二次调频调节的基本原理，电网频率数据是确定一次调频和二次调频设计瞬态次数的基础。然而，当前电网的频率数据为非公开数据不易获取。以下提供利用汽轮机转速实测数据或电网实测频率确定的一次调频和二次调频设计瞬态包络次数方法，具体如下：
[0067]
a)基本原理
[0068]
考虑利用已投运且暂未参与调频的核电厂汽轮机的转速实测转速数据间接获取电网频率的变化情况，具体方法如下：
[0069]
通常，核电厂汽轮发电机的额定转速与发电频率为正比关系，电机转速与频率的关系可表达为：
[0070][0071]
式中，n为转速(r/min)，f为频率(50hz)，p为极对数。当前核电厂汽轮发电机通常采用半速机(额定转速为1500r/min)，当电网频率稳定在50hz时，汽轮发电机转速为额定转速。
[0072]
定义汽轮机的转速偏差为“额定转速值-实际转速值”，当电网频率偏高时，转速偏差为负，一次调频投运汽轮机组负荷调节方向也同为负。基于以上参数定义和公式，得到如表2所示的转速与偏差的对照关系。
[0073]
表2汽轮发电机转速偏差与频率偏差的对照关系
[0074]
实测转速(r/min)转速偏差(转/分)频率偏差(hz)1498+2+0.0671499+1+0.0331500001501-1-0.0331502-2-0.067
[0075]
本实施例中，通过电厂数据系统获取到的电厂汽轮机转速数据，数据规模应至少以年为单位，计数单位为秒级。统计电网频率超过死区且持续一段时间的的次数，以控制死区为
±
0.033hz为例，即需统计汽轮机转速超过1501转/分或低于1499转/分次数的年度数据。
[0076]
图2给出了某核电机组月度的汽轮机转速数据，由于数据量较大，且汽轮机转速上下波动不具备规律性，很难通过人工进行计数，因此需借助计算机程序进行。
[0077]
一次调频和二次调频有效瞬态次数的判断条件如下：
[0078]
一次调频：依据当前区域电网的要求，一次调频次数考虑为汽轮机转速偏差突破
±
1转/分钟(即实际电网频率偏差突破
±
0.033hz)，且持续时间在20s以上波动的次数。
[0079]
二次调频：汽轮机转速偏差突破
±
1转/分钟(即频率突破
±
0.033hz)维持60s(1分
钟)以上次数，假设每次agc都参与。(根据二次调频的定义，主要控制分钟级的频率波动，但实际运行需由电网调度确定参加的机组，并非所有机组都参与，从核电设计的角度，保守考虑都参与)。
[0080]
基于转速数据(如果具备条件获取到频率数据，只需将数据和判断条件均采用频率即可)和判定条件，计算机程序算法如下：
[0081]
将月度的汽轮机转速随时间变化数据，横坐标的日期数据(t0)转换为以秒为单位的数据，以第一个数据的日期为0秒；
[0082]
遍历数据，执行条件判断：转速偏差(r)超过设定值输出为“1”，不超过输出则为“0”，并保存为列表数据l；
[0083]
将t0与l按行相乘，目的为得到判定条件为“1”的各时间区间，判定条件为“0”的时间区间均为0，将相乘得到的列别数据记为t1，并将t1首、末位数据各增加一个0；
[0084]
遍历t1，执行条件判断，如果某位数据为0且下一位数不为0，记录下一位数据，得到列表t2，如果某位数据不为0且下一位数为0，记录当前数据，得到列表t3；
[0085]
将t3与t2按行做差得到t4，遍历t4，执行判断条件：如果某位数据大于要求的持续时间，即一次调频超过是20s，二次调频超过是60s，分别记录为1次，并累积该值得到一次和二次调频的月总次数。
[0086]
最后，根据计算得到的月总次数，推算年总次数及设计寿期60年的应考虑的一、二次调频设计瞬态的次数。
[0087]
2)一、二次调频的包络运行负荷变化曲线
[0088]
a一次调频
[0089]
当前电网要求，一次调频由汽轮机转速偏差(也是电网频率偏差)信号决定一次调频负荷调节的幅度，最大调节幅度应达到6％，如图3所示。urd无相关设计要求，eur要求一次调频2％的负荷限制幅度是强制的，可以到5％。
[0090]
但该负荷调节曲线并不能直接用于开展分析论证，因为每次电网频率波动会引起转速偏差是随机的，实际电厂参与调频运行的情况无法预测。因此从核电设计的确定论分析方法的角度保守考虑，可假设最剧烈的负荷变化作为设计瞬态是保守的，考虑一次调频的负荷变化为两次一个阶跃的负荷变化。对比当前电网、urd、eur的要求，阶跃负荷变化的幅度选择为6％是保守的，且由于是包络性的参数可满足当前不同区域电网的要求，如图3所示。
[0091]
因此，设计瞬态考虑阶跃变化6％，典型的负荷变化曲线为：初始反应堆功率为94％，阶跃变化后持续一段时间(约10分钟)再回到初始功率，两次阶跃之间持续时间由控制系统的控制参数达到稳定状态的响应时间决定。两种可能的典型工况下二次侧蒸汽流量变化过程(蒸汽流量与负荷变化呈正比)如图4和图5所示：
[0092]
b二次调频
[0093]
根据电网对煤电机组要求，二次调频agc的负荷变化为不低于1％/分钟、调节幅度为50％额定功率，而urd要求核电设计考虑的调节速率为2％/分钟(满足要求无需调整)，调节幅度为10％额定功率，平均每天次数为35次。因此综合考虑优化后的二次调频agc调节速率和幅度应为：2％/分钟和50％。但如果50％的幅度调节每天35次，经力学分析，对于设备的力学分析过于保守。因此，考虑实际的情形，虽然负荷调节幅度最大限制为50％，但此处
设置两种不同的调节档位，更进一步参照eur中的要求，考虑中间一档为20％调节幅度，仍按照平均每天35次的次数限制考虑。以下给出一种典型的二次调频根据调节幅度分档考虑的设计基准：
[0094]
调节幅度：20％；平均次数限制：每天35次。
[0095]
调节幅度：50％；平均次数限制：每天1次。
[0096]
设计上考虑负荷变化的过程为峰到峰的幅度变化，单次调节到下次调节之间的持续时间考虑为控制系统充分响应的时间。20％和50％幅度的二次调频设计瞬态的二次侧蒸汽流量随时间的变化如图6和图7所示。
[0097]
第三步，根据实际需求制定设计优化实施方案。
[0098]
基于实际需求制定的适用于目标核电机组的优化目标，匹配合适的实施方案。由于第一步和第二步的优化分析工作采用了包络性的评价，只要实际的参数要求不超过第一步确定的优化目标，则不需开展重新分析评价工作。如果有个别超出的部分，应根据情况补充相关分析，分析涉及的范围详见第二步。通常第一步基于广泛调研确定的优化目标应是一个最大的合理目标，实际需求一般不会超过该参数范围。
[0099]
确定具体的一、二次调频目标参数后，实际的方案设施的内容主要是相关控制系统的优化修改，制定控制系统的优化方案(具体的优化措施不展开)，控制系统的优化应遵循的准则：
[0100]
1)正常的一、二次调频运行期间不能触发停堆保护信号
[0101]
2)正常的一、二次调频运行期间反应堆参数应维持在允许的范围内。
[0102]
实施应分两种情况讨论：1.新建核电机组设计优化，2.在运机组的运行改造。
[0103]
1、新建核电机组设计优化
[0104]
由于新建机组与电网的并网协议签订存在一个过程，如果在新建项目中考虑机组调频能力的设计改进，可完成按照本实施例给出的方法通过设计优化实施。
[0105]
2、在运机组的运行改造
[0106]
对于在运机组，当进行调频能力优化时，除了可完全按照本实施例给出的步骤和所制定的最大能力参数实施外。还有一种情况是按照与电网约定的实际的调频能力参数，从第二步开始，开展进一步的梳理分析，选择性的开展分析评估工作，并根据评估的情况开展后续实施改造，而非按照最大能力进行改造，在这样的情况下，部分定量分析工作可由定性分析替代。通常核电机组设计裕量在运行中未得到充分释放，因此核电业主与电网的约定调频能力目标仍有可能在设计范围内，这种情况则无需开展补充分析论证，可直接开展第三步的实施方案的制定。
[0107]
对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种压水堆核电厂调频能力优化方法，其特征在于，包括以下步骤：根据核电厂参与调频的运行数据，与待优化的核电厂对比，确定优化目标；基于确定的优化目标，根据汽轮机转速实测数据或电网实测频率数据，确定待优化核电厂的一、二次调频的设计瞬态次数，根据核电设计要求，确定一、二次调频需求的运行负荷变化曲线；基于待优化核电厂的实际需求，匹配得到的一、二次调频的设计瞬态次数和一、二次调频需求的运行负荷变化曲线，得到核电厂优化后的控制参数。2.如权利要求1所述的一种压水堆核电厂调频能力优化方法，其特征在于，所述核电厂参与调频的运行数据包括一次调频调频死区、一次调频最大限制幅度、一次调频调差系数、一次调频预计发生次数、二次调频最大限制幅度、二次调频调节速率和二次调频预计发生次数。3.如权利要求1所述的一种压水堆核电厂调频能力优化方法，其特征在于，根据核电厂参与调频的运行数据，与待优化的核电厂对比，确定优化目标，具体为：获取待不同类型的核电厂参与调频的运行数据和待优化的核电厂的当前运行数据并对比，根据设定的规则，确定优化目标。4.如权利要求3所述的一种压水堆核电厂调频能力优化方法，其特征在于，所述设定的规则，具体为：核岛及常规岛关键设备设计寿命不受影响；一、二次调频运行期间不触发反应堆保护系统动作，反应堆运行参数不超过设定要求，反应堆不超过100％功率；极限工况控制棒的机械补偿能力能够维持至少一个循环且无需更换，硼浓度调节的动作次数不超过设定值；极限工况控制棒的最大累积步跃数不超过控制棒驱动机构的允许值。5.如权利要求1所述的一种压水堆核电厂调频能力优化方法，其特征在于，根据汽轮机转速实测数据或电网实测频率数据，确定待优化核电厂的一、二次调频的设计瞬态次数，包括：利用已投运且未参与调频的核电厂汽轮机的转速实测转速数据，获取电网频率的变化情况。6.如权利要求5所述的一种压水堆核电厂调频能力优化方法，其特征在于，利用已投运且未参与调频的核电厂汽轮机的转速实测转速数据，获取电网频率的变化情况，具体为：定义汽轮机的转速偏差为“额定转速值与实际转速值之间的差”，电网频率升高时，转速偏差为负，一次调频投运汽轮机组负荷调节方向同为负。7.如权利要求5所述的一种压水堆核电厂调频能力优化方法，其特征在于，根据汽轮机转速实测数据或电网实测频率数据，确定待优化核电厂的一、二次调频的设计瞬态次数，还包括：获取已投运且未参与调频的核电厂汽轮机的转速数据中，转速处于设定区间的数据；当汽轮机转速偏差超过
±
1转/分钟，且持续时间超过第一设定时间波动的次数，作为一次调频次数；当汽轮机转速偏差超过
±
1转/分钟，且持续时间超过第二设定时间波动的次数，作为二次调频次数。
8.如权利要求5所述的一种压水堆核电厂调频能力优化方法，其特征在于，根据汽轮机转速实测数据或电网实测频率数据，确定待优化核电厂的一、二次调频的设计瞬态次数，还包括：遍历得到的全部转速数据，得到每年出现的一、二次调频次数。9.如权利要求8所述的一种压水堆核电厂调频能力优化方法，其特征在于，根据每年出现的一、二次调频次数，确定待优化核电厂的一、二次调频的设计瞬态次数。10.如权利要求1所述的一种压水堆核电厂调频能力优化方法，其特征在于，所述一、二次调频需求的运行负荷变化曲线中，一次调频通过汽轮机转速偏差信号决定一次调频负荷调节的幅度，最大调节幅度至少为6％；二次调频的负荷变化为不低于1％/分钟，调节幅度为20％额定功率，以及不低于1％/分钟，调节幅度为50％额定功率。

技术总结
本发明涉及一种压水堆核电厂调频能力优化方法，包括以下步骤：根据核电厂参与调频的运行数据，与待优化的核电厂对比，确定优化目标；基于确定的优化目标，根据汽轮机转速实测数据或电网实测频率数据，确定待优化核电厂的一、二次调频的设计瞬态次数，根据核电设计要求，确定一、二次调频需求的运行负荷变化曲线；基于待优化核电厂的实际需求，匹配得到的一、二次调频的设计瞬态次数和一、二次调频需求的运行负荷变化曲线，得到核电厂优化后的控制参数。数。数。


技术研发人员：王煦嘉 沙正峰 江浩 余建辉
受保护的技术使用者：上海核工程研究设计院股份有限公司
技术研发日：2023.07.27
技术公布日：2023/9/23