AP1000核電機(jī)組與抽水蓄能電站聯(lián)合運(yùn)行研究

李曉亮

（中核遼寧核電有限公司，遼寧 興城 125100）

0 引言

為了保證核電的安全性和經(jīng)濟(jì)型，當(dāng)前國(guó)內(nèi)建成投運(yùn)的核電機(jī)組在臨界并網(wǎng)后均采用帶基本負(fù)荷運(yùn)行也就是滿(mǎn)功率運(yùn)行，然而，隨著核電機(jī)組容量的不斷增大，核電機(jī)組發(fā)電量占總發(fā)電量的比例也不斷增加，電力系統(tǒng)調(diào)峰形勢(shì)越來(lái)越嚴(yán)峻，這一點(diǎn)在一些電量需求不大的省份尤為明顯，因此，后續(xù)新建的核電機(jī)組將面臨著比較嚴(yán)重的調(diào)峰運(yùn)行壓力。

目前世界上運(yùn)行的壓水堆核電機(jī)組已有幾十年的日負(fù)荷跟蹤運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在此期間這些參與日負(fù)荷跟蹤的電站均安全穩(wěn)定運(yùn)行，驗(yàn)證了壓水堆的可靠性及日負(fù)荷跟蹤運(yùn)行的可行性。在核電占電網(wǎng)總裝機(jī)容量比重很大的法國(guó)（78%）、韓國(guó)（42%）、日本（36%）、美國(guó)（20%），核電機(jī)組都要適當(dāng)?shù)貪M(mǎn)足電網(wǎng)調(diào)峰的要求。中國(guó)在建和擬建的核電廠廣泛采用新一代核電機(jī)組AP1000，其采用機(jī)械補(bǔ)償燃耗的負(fù)荷調(diào)節(jié)形式，具有很好的負(fù)荷跟蹤能力，還應(yīng)用非能動(dòng)理念設(shè)置安全系統(tǒng)和主要設(shè)備，具有良好的動(dòng)態(tài)性能，能夠滿(mǎn)足參與電網(wǎng)調(diào)峰的需要。核電機(jī)組的調(diào)峰運(yùn)行可能會(huì)對(duì)機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性造成影響，而抽水蓄能電站具有良好的調(diào)峰性能，二者聯(lián)合運(yùn)行將能更好地滿(mǎn)足電力系統(tǒng)的需要，并保證核電機(jī)組帶基荷穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)研究AP1000核電機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行的特性及影響因素，提出核電機(jī)組直接參與電網(wǎng)日負(fù)荷調(diào)峰及核電與抽水蓄能機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行調(diào)峰的運(yùn)行模式。

1 AP1000核電機(jī)組的功率調(diào)節(jié)方式

傳統(tǒng)的壓水堆核電站運(yùn)行中一般采用控制棒和硼濃度作為控制量來(lái)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的負(fù)荷跟蹤控制，其中控制棒控制的是快速的反應(yīng)性變化，主要用于補(bǔ)償燃耗、堆芯毒物的反應(yīng)性變化。AP1000主要依靠M棒組調(diào)節(jié)堆芯反應(yīng)性快速變化，OA棒組控制堆芯功率分布，可以實(shí)現(xiàn)較快的功率響應(yīng)，而且一回路此時(shí)不會(huì)產(chǎn)生大量的廢水廢液，增加三廢系統(tǒng)的運(yùn)行壓力。因此，它的設(shè)計(jì)可以適應(yīng)電網(wǎng)的快速調(diào)峰、調(diào)頻任務(wù)。AP1000有三種運(yùn)行控制模式，分別為基本負(fù)荷模式、負(fù)荷跟蹤模式和負(fù)荷調(diào)節(jié)模式?；矩?fù)荷模式維持電廠在滿(mǎn)功率狀態(tài)下全天運(yùn)行。負(fù)荷跟蹤模式需要跟蹤+10%～-10%階躍變化和+5%/min～-5%/min線(xiàn)性變化的瞬態(tài)工況，并考慮“12-3-6-3制的負(fù)荷日循環(huán)方式”。所謂“12-3-6-3制的負(fù)荷日循環(huán)方式”是指在每晝夜內(nèi)，負(fù)荷從高到低，在低谷期間運(yùn)行一段時(shí)間，再返回到高負(fù)荷，如此每日循環(huán)。即在100%負(fù)荷運(yùn)行12h，用3h由100%降到50%，在低谷運(yùn)行6h后，再用3h恢復(fù)到100%負(fù)荷。負(fù)荷調(diào)節(jié)模式，也叫頻率控制模式，是指變化速率為2%/min的總幅度不超過(guò)10%的功率變化。控制頻率用于響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化。

1.1 負(fù)荷調(diào)節(jié)介紹

負(fù)荷調(diào)節(jié)模式的存在允許AP1000機(jī)組在功率大于90%時(shí)參與電網(wǎng)調(diào)頻。負(fù)荷調(diào)節(jié)工況下控制棒根據(jù)冷卻劑平均溫度和參考溫度之間差值進(jìn)行移動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率，當(dāng)冷卻劑平均溫度大于參考溫度時(shí)控制棒下插，當(dāng)反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度小于參考溫度時(shí)，控制棒上提，提升反應(yīng)堆功率。其中控制棒能夠控制的反應(yīng)堆功率為10%，旁路排放系統(tǒng)能夠控制的反應(yīng)堆功率是40%，快速降功率系統(tǒng)能夠控制的反應(yīng)堆功率是50%。負(fù)荷調(diào)節(jié)模式下，冷卻劑平均溫度控制死區(qū)會(huì)延展，ΔI運(yùn)行區(qū)被放寬，降低系統(tǒng)靈敏性，減少由于機(jī)組參與調(diào)頻引入微小擾動(dòng)導(dǎo)致的控制棒棒組頻繁動(dòng)作，減少棒組的磨損和堆芯功率分布的擾動(dòng)。這樣的靈活控制方式不僅能很好的實(shí)現(xiàn)負(fù)荷跟蹤同時(shí)也能降低機(jī)械部件的磨損。

1.2 AP1000參與調(diào)峰的必要性

由于AP1000機(jī)組具備負(fù)荷跟蹤能力和自動(dòng)負(fù)荷循環(huán)能力，并且可采用不調(diào)硼負(fù)荷跟蹤模式，具有良好的動(dòng)態(tài)性能。根據(jù)AP1000機(jī)組所在地區(qū)的電網(wǎng)負(fù)荷情況不排除該類(lèi)型核電廠參與電網(wǎng)調(diào)峰的可能性。

2 核電與抽水蓄能電站聯(lián)合運(yùn)行的必要性

即便AP1000核電機(jī)組具有很好的負(fù)荷響應(yīng)能力，但是我們還是優(yōu)先考慮電站帶基本負(fù)荷運(yùn)行。壓水堆核電機(jī)組不利于參加調(diào)峰的特性表現(xiàn)在：（1）控制棒插入過(guò)深將引發(fā)局部功率峰，降低安全裕量；（2）調(diào)節(jié)硼濃度會(huì)造成放射性水的產(chǎn)生和排放等系列問(wèn)題；（3）中毒效應(yīng)對(duì)堆功率改變有瞬態(tài)影響；（4）堆芯在壽期末將逐步失去跟蹤負(fù)荷或參與調(diào)峰的能力；（5）燃料芯塊與包殼的相互作用使反應(yīng)堆升降功率的速率低于（3%Pn）/min。在安全性上，核電機(jī)組調(diào)峰對(duì)常規(guī)島設(shè)備的安全、壽命有負(fù)面影響，對(duì)核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)的個(gè)別組件帶來(lái)金屬低周疲勞、燃料包殼與芯塊的相互作用問(wèn)題，這限制了反應(yīng)堆調(diào)峰的深度與速度。在經(jīng)濟(jì)性上，核電機(jī)組調(diào)峰降低了其經(jīng)濟(jì)性。

2.1 核蓄聯(lián)合運(yùn)行的優(yōu)越性

為了提高電網(wǎng)和核電廠的安全性，采用抽水蓄能電站調(diào)峰輔助核電運(yùn)行的方式，首先抽水蓄能機(jī)組是核電按基本負(fù)荷運(yùn)行的有利保障，核電機(jī)組要帶基本負(fù)荷運(yùn)行，必須要解決調(diào)峰問(wèn)題，若電網(wǎng)中水電比重不大，火電調(diào)峰能力有限，則只能靠抽水蓄能機(jī)組，因?yàn)樗哂姓{(diào)峰和填谷的雙重功能。其次抽水蓄能電站有助于核電廠的安全，保持核電機(jī)組完好性對(duì)核電廠安全有重要意義，而核電廠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行是保證核電機(jī)組完好性的有利保障。為了做到這一點(diǎn)，在電網(wǎng)中配合抽水蓄能電站可以避免核電機(jī)組頻繁升降負(fù)荷，大大節(jié)省了瞬變消耗，提高核電運(yùn)行設(shè)備的安全裕度。

2.2 核蓄聯(lián)合運(yùn)行原則

核電機(jī)組帶基荷運(yùn)行，充分發(fā)揮抽水蓄能的調(diào)節(jié)作用，二者聯(lián)合，也就是核蓄聯(lián)合運(yùn)行方式。運(yùn)行的總出力率曲線(xiàn)有效跟蹤日負(fù)荷率曲線(xiàn)變化。核蓄聯(lián)合運(yùn)行模式可分為3類(lèi)：（1）完全跟蹤模式。核蓄聯(lián)合機(jī)組出力率完全跟蹤電網(wǎng)日負(fù)荷率曲線(xiàn)；（2）三段制跟蹤模式。根據(jù)電網(wǎng)日負(fù)荷曲線(xiàn)將一天劃分為峰、平、谷3個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段內(nèi)，核蓄機(jī)組出力不變，核蓄聯(lián)合機(jī)組的平均出力率與電網(wǎng)平均負(fù)荷率一致；（3）不完全跟蹤模式。核蓄聯(lián)合有多種不完全跟蹤方式，考慮典型方式：抽水蓄能機(jī)組的抽水容量和總發(fā)電容量均為其全部容量，電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)發(fā)電，負(fù)荷低谷時(shí)抽水，日抽水電量與日發(fā)電量平衡；核蓄聯(lián)合機(jī)組的日平均出力率與電網(wǎng)日平均負(fù)荷率一致。

3 結(jié)論

（1）AP1000機(jī)組具有多種負(fù)荷調(diào)節(jié)能力，在高功率投運(yùn)負(fù)荷調(diào)節(jié)控制方式時(shí)具有良好的調(diào)峰能力，能夠控制階躍10%和變化速率小于5%/min的負(fù)荷變化情況，AP1000機(jī)組具有更優(yōu)越的運(yùn)行性能和更加靈活的運(yùn)行方式，作為核電廠的運(yùn)行人員，掌握AP1000機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)模式的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，熟悉其對(duì)電廠系統(tǒng)運(yùn)行的影響會(huì)有助于全面理解AP1000的先進(jìn)技術(shù)，指導(dǎo)今后AP1000的運(yùn)行實(shí)踐，極大地提升核電的安全穩(wěn)定性及調(diào)峰能力。

（2）核電與抽水蓄能機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行可很好地滿(mǎn)調(diào)峰的要求，并能保證核電機(jī)組帶基本負(fù)荷安全運(yùn)行，具有較高的安全性和經(jīng)濟(jì)性。核蓄一體化聯(lián)合運(yùn)營(yíng)模式將會(huì)提高電力系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，增強(qiáng)調(diào)節(jié)靈活性并提高可靠性。