【《核电站汽轮机控制系统发展研究文献综述》3600字】

核电站汽轮机控制系统发展研究文献综述核电发展现状从全球发展角度来对全球近年能源经济发展的数据进行统计，在全球核电设备装机容量方面，从IEA（国际能源机构）[6]二零二零年的一份能源统计数据资料中就可以清晰地看出，二零一九年的全球核电总装机容量约为四百四十三吉瓦，全球的新增核电设备装机容量约为五点五吉瓦，与二零一八年的十一点二吉瓦（一九八九年以来最大地全球新增核电发电装机容量）相比有了很大幅度的下降；同时全球规模新建核电装机总容量约为六十点五吉瓦，其中亚太经合组织成员国家、中国和俄罗斯在新建核电装机容量中地所占比例分别是百分之三十三、百分之十七和百分之八。而根据IAEA（国际原子能机构）的数据统计[7],二零一九年全球共有四八四十九台核电机组分布在三十多个国家和地区，核电设备装机近四亿千瓦，并且另有五十四台机组在建，在建装机总量约为五千五百万千瓦，全球核电设备运行堆年超过一点八万年。由此可见，核电在全球范围内的装机总容量可以说是一直都在迅速增长。而在对于全球范围内核能发电总量方面的统计来看，在《世界能源统计年鉴二零二零》[8]中统计的数据显示，二零一九年以来全球核电累计发电量约为两千七百九十六太瓦时，同比去年增长百分之三点五，为二零零四年以来的最快增长速度。在各种类型的电源总体规模和发电量中，核电站的规模容量占比百分之十点四，同比上升了零点三个百分点。具体到国家层面的核电数据统计，美国的核电发电量为全球最高，为八百五十二太瓦时，约等于占目前为止全球核电发电总量的百分之三十点四。法国、中国、俄罗斯的核电发电量紧随其后，分别依次是三百九十九点四太瓦时、三百四十八点七太瓦时、二百零九太瓦时。这四个国家的核电发电量约占全球核电发电总量的百分之六十五。二零一九年，核电站发电量在本国总发电量中占比超过百分之十的国家共有二十个，其中法国的占比最高，达百分之七十点六；乌克兰和斯洛伐克并列第二，均为百分之五十三点九。从增长速度来看，中国继续延续一八年以来的快速增长态势，为全球核电提供了最大的发电量增量。在一九年，中国结束三年来的“零核准”，年内获核准的山东荣成、福建漳洲一到二号机组、广东太平岭一到二号机组均采用中国自主知识产权的“国和一号”或“华龙一号”三代核电技术，福建漳州一号机组已于一九年十月开工建设。日本也渐渐淡去福岛核事故带来的影响，取得明显提升。在一九年，中国核电发电量为三百四十七点八太瓦时，同比增长约为八十九点七太瓦时，增幅达到百分之十八点二；日本核电发电量则为六十五点六太瓦时，同比增长约为十六点五太瓦时，增幅达百分之三十三点七[9]。随着发电量的增加，汽轮机组也需要逐步提升，往大容量、高参数的方向发展，由此带来的便是对于控制方式的一个考验。核电站汽轮机汽轮机及其控制系统是核电站内最主要的核心系统，利用核燃料中原子核发生裂变时所产生的大量热能，经过在其之上加上高压并进行热交换之后快速产生蒸汽，将此蒸汽作为工质送入汽轮机内来推动汽轮机叶片转动从而带动发电机，最后将所有的热能都转化为机械能再转换成电能，这便是核电站汽轮机发电的方式。在压水堆、沸水堆、重水堆和气冷堆等不同堆型的核电站中一般采用的是进汽压力为五到七兆帕的饱和蒸汽汽轮机。除去沸水堆核电站之外的其他堆型的核电站饱和蒸汽汽轮机的工质蒸汽一般来说都不会去直接与核反应堆设备进行接触因此基本上不会产生任何带有放射性的污染，运行操作人员在对汽轮机进行实地操作和调整时没有必要装备特殊的安全保护措施。改进型的气冷堆和一些新型反应堆（其中例如熔盐增殖堆和快中子堆）核电站所能提供的高温过热蒸汽温度平均可以达到五百摄氏度以上。世界上第一台核电站汽轮机于二十世纪五十年代投入使用，单机功率为六兆帕。核电站单位功率的造价随着单机功率的迅速发展也在逐步降低。五十年代末单机功率首次接近三百兆瓦,到六十年代时则已经可以达到六百到七百兆瓦了，一直到七十年代初期已经开始有一千兆瓦级的单机问世，八十年代投入运行的新型单机功率已经可以达到一千三百兆瓦。一般比较常见的核电站汽轮机是饱和蒸汽核电站汽轮机和过热蒸汽核电站汽轮机，其中更常用的是饱和蒸汽核电站汽轮机，饱和蒸汽汽轮机结构图如图1-1所示。目前饱和蒸汽汽轮机约占总核电站装机容量已占所有核电站汽轮机装机总量的百分之八十九，其中大部分机组产生蒸汽所利用的堆型均为轻水堆。比起常规电厂汽轮机的进、排气尺寸，饱和蒸汽汽轮机的相对要大得多，这样的尺寸所造成的影响就是导致高压缸需要采用双流道两个排气口的设计，而低压缸需要采用多缸双流道多个排气口的设计，末级不得不使用比原来要增长许多的叶片。饱和蒸汽汽轮机在高、低压缸之间必须装设汽水分离再热器，其由汽水分离器和再热器两大部分组成，除先将高压缸的排汽中几乎所有的水分给除去，然后再在两级再热器中变成过热蒸汽，最终进入低压缸中进行膨胀并作功。但是大量蒸汽即使在汽轮机进行甩负荷后仍然会存留在通流部分、蒸汽联通管和汽水分离再热器等处，这些大量的疏水会在凹坑内形成积水或积存为一层约为一毫米的水膜在静子零部件的表面，等到汽轮机甩负荷时，这层水膜会因为通流部分内的蒸汽压力突然降低而产生闪蒸的情况，从而突然产生大量蒸汽进行膨胀做工，最终导致汽轮机发生超速的情况。汽轮机影响着机组出力做功能力同时也影响着核反应堆的反应速率，因此汽轮机时调节发电功率最重要的设备，也正是因为这样重要的地位决定了汽轮机的控制系统是十分重要的。火电参数比起核电新蒸汽参数要来的高,压水堆核电站的新蒸汽压力为六到七兆帕，温度是二百六到二百八十五摄氏度，排气压力则与火电一样都是五千帕，但是火电的蒸汽质量流量要比核电的蒸汽质量流量低。核电站汽轮机的运行方式采用半转速运行的运行方式，因为汽轮机末级叶片受到叶片离心应力和材料强度的种种限制不能达到像火电汽轮机那样的长度，而且受到核电站汽轮机尺寸上的一个限制，低压缸要尽量避免被过多使用在汽轮机的设计之中。图1-1饱和蒸汽汽轮机结构图因此，为了确保汽轮机内部能够通过大流量的蒸汽，它的转速一般控制在一千五百转每分钟。核电站汽轮机的单机功率比起火电要来的更大，我国现阶段在运行的核电汽轮机单机功率为六百到一千七百五十兆瓦，目前单机功率最大的核电汽轮机是阿尔斯通(ALSTOM)与东汽共同研制的一千七百五十兆瓦的核电汽轮机[11]，该汽轮机目前已在台山核电站并网发电。目前几个国内一千兆瓦的典型核电汽轮机的尺寸参数如表1-1所示。表1-1典型核电汽轮机尺寸参数公司合作公司功率/MW气缸数末级叶片长度/mm汽轮机长度/m上汽SIEMENS10001H+2L171037哈汽MHPS12502H+3L137533东汽GE17501H+3L1828-美国Westinghouse公司的OVATION，德国SIEMENS公司的T2000，法国ALSTOM公司的ALSPAP320，美国GE公司的Controlsteam控制系统等[12]是目前经常使用的国外进口的核电厂汽轮机的控制系统，这些控制系统都是经历了长时间发展，在工业领域应用上有着一定成绩与效能的产品。国内的汽轮机控制系统在一九八零到一九九零年间开始研发，经历了这十多年的发展，国内厂商成功地研制出了国产化的火电汽轮机控制系统且投入了实际生产的运行当中[13]。但因为国内的核电汽轮机控制系统发展得相对较晚，因此秦山核电站的三百兆瓦发电机组依旧是使用的日立的系统，田湾一号和二号机组依然采用西门子的控制系统，岭澳二期采用的则是ALSTOM公司ALSPAP320控制系统[14]。目前国内的核电汽轮机控制系统仍然处于一个研发的阶段，尚未能够形成比较规模化的一个应用，主要还是以引进法国、日本、德国等国家的核电站汽轮机控制系统为主。国内外所采用的汽轮机控制系统以传统的PID控制为主，先进控制方式尚未应用到国内外的核电厂汽轮机控制领域中。参考文献宋萱.核电半转速汽轮机控制保护系统设计[D].哈尔滨工业大学,2019.T.L.Schulz.WestinghouseAP1000advancedpassiveplant[J].NuclearEngineeringandDesign,2006,236(14).张永辉,孙德明,纪红霞.石油化工仪表自动化控制技术[J].化工管理,2021(03):144-145.彭小奇.一种简易模糊PID控制器的优化设计[J].兵工自动化,1988(02):1-4.丁纪凯.参数在线自调整的PID控制算法[J].中国纺织大学学报,1989(05):8-16.李颖涵,王政.国际能源署发布《核电》报告[J].国外核新闻,2020(09):24-28.王政,伍浩松.IAEA公布2019年全球核电数据[J].国外核新闻,2020(08):22-24.王玉荟,伍浩松,李颖涵.IAEA发布2020年版核电发展预测报告[J].国外核新闻,2020(10):19-26.福建省核电项目建设进展情况[J].水泵技术,2020(04):57.邓清华,胡乐豪,李军,丰镇平.大型发电技术发展现状及趋势[J].热力透平,2019,48(03):175-181.何伟男,王兆彪,吴晓东,丁皓姝,邹迪.核电站1000MW汽轮机快速冷却方案探究[J].热力透平,2019,48(04):254-259.张建,侯耀,杨林远,张宇.核电厂汽轮机控制系统DEH可靠性提升方案的研究[J].中国仪器仪表,2021(04):58-62.方明.汽轮机控制系统改造优化分析[J].电工技术,2019(20):8-9.李飞.模糊控制在汽轮机DEH系统中的应用研究[D].电子科技大学,2006.张振东,耿昕,杜朝晖.模糊PID控制[A].中国自动化学会智能自动化专业委员会、中国人工智能学会计算机视觉及智能控制学会、IEEE控制系统学会北京分会、天津大学.1995年中国智能自动化学术会议暨智能自动化专业委员会成立大会论文集（上册）[C].中国自动化学会智能自动化专业委员会、中国人工智能学会