大型核電壓水堆的負荷跟蹤控制模式分析

錢耀　呂迪

摘 要：隨著我國核能發(fā)展的加快，核電在電網(wǎng)中的比重逐漸增大，核電站參與電網(wǎng)調(diào)峰的需求也日益迫切。由此，本文匯總了當今幾種電站模式的負荷跟蹤控制策略，指出了發(fā)展核電負荷跟蹤運行的可行性和必要性，為改良我國現(xiàn)有主流機組的控制模式提供參考。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng)調(diào)峰；負荷跟蹤；控制模式

1 前言

世界上第一座核反應堆于1942年在美國芝加哥的典型實驗室中首次達到臨界，蘇聯(lián)在1954年建成第一座5000 kWe實驗性核電廠，三年后美國建成電功率90 000 kWe的希平港核電站，直到現(xiàn)在70余年之間核能技術(shù)迅速發(fā)展，在世界上得到越來越廣泛的應用。因為煤炭、石油等能源價格經(jīng)常受到國際軍事沖突和政治外交的影響，環(huán)境問題也因溫室氣體排放造成的壓力日益加劇，而核電運行的良好業(yè)績和技術(shù)改進，以及核能的清潔、經(jīng)濟、安全、高熱值等優(yōu)點使得世界上許多國家把發(fā)展清潔能源的注意力轉(zhuǎn)向核能，并認為這是人類當前解決能源緊缺問題的一個重要途徑。

然而，福島核事故使全球核電復蘇勢頭遭到突如其來的遏制，中國立即出臺新的政策加強核電管理，并對在運電廠和在建項目全面進行安全檢查，隨著我國環(huán)保觀念和安全意識的逐步增強，提高對可持續(xù)發(fā)展的要求，核能發(fā)電作為現(xiàn)在唯一可大規(guī)模替代化石能源且清潔可靠的發(fā)電形式，在我國電力系統(tǒng)中所占的比例越來越大。現(xiàn)而今，社會逐漸增加了對核電的青睞，核能成為能源發(fā)展的支柱也將是能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的必然。但核電站不參與調(diào)峰調(diào)頻的運行模式日益顯示出它的弊端，若要使其參與進來就必須對核電站的控制性能提出更高的要求。

2 核電廠負荷跟蹤運行的必要性

由于工業(yè)分布導致的電力需求使南方電網(wǎng)和華東電網(wǎng)的容量巨大，局部電力還常年短缺，鑒于國家電力系統(tǒng)相關(guān)政策的照顧，無論堆型和容量大小，總裝機容量比重較小的核電機組均未參加電網(wǎng)調(diào)峰，始終運行在最大可能的滿負荷上。但是，隨著一大批核電機組的逐步建成和并網(wǎng)發(fā)電，尤其是百萬千瓦級別大型機組的加盟，核電裝機容量在區(qū)域電網(wǎng)中所占的比重會越來越大。此外，今后發(fā)電市場競爭規(guī)則會進一步完善，而電網(wǎng)日運行負荷的波谷與波峰的差值也將逐日增大，可以預見，將來大型壓水堆核電機組參與到電網(wǎng)中勢必也要進行負荷跟蹤運行。電網(wǎng)中谷峰特征十分明顯的典型日負荷變動曲線如圖1所示。

電網(wǎng)每日的負荷波動都具有一定的規(guī)律性，從運行技術(shù)上看，參與并網(wǎng)發(fā)電的各類機組都需具備負荷跟蹤能力。任何發(fā)電形式的電站收益都直接取決于年發(fā)電量，因此均希望帶基本負荷運行，但參與電網(wǎng)日負荷的調(diào)節(jié)是發(fā)電市場商業(yè)化競爭的要求。根據(jù)圖1所示的典型日負荷變化規(guī)律，大型壓水堆核電機組可采取“12-3-6-3”（100%-50%）的方式參與負荷調(diào)峰，如圖2所示，在負荷低峰時（半夜零點至早六點）維持六小時的低功率運行，早間用三小時線性升功率至100%負荷輸出，隨后在高峰時（早九點至晚九點）維持十二小時的滿功率運行，最后在晚間用三小時線性降功率來跟隨負荷下降。這樣能將核電機組功率水平的調(diào)整速度維持在較小范圍內(nèi)，同時滿足電網(wǎng)負荷的變化需求；還可以根據(jù)電網(wǎng)和核電站雙方的實際情況改變調(diào)峰的深度和速度，應用其他的調(diào)峰模式。

3 適用于負荷跟蹤的各種控制模式

3.1 G模式

目前，法國法瑪通（Framatome）在西屋的基礎(chǔ)之上，為提高反應堆靈活性采用了灰棒控制手段——G模式，并已有實現(xiàn)壓水堆核電廠負荷跟蹤商業(yè)運行的技術(shù)和成熟經(jīng)驗。引進法國技術(shù)并進行技術(shù)改進所設計的CPR1000堆型就是采用G模式，其主要特點為：

（1）硼的反應性效應很慢，硼稀釋只用于補償燃耗和氙毒的反應性效應，功率變化的反應性快效應完全由控制棒補償。

（2）為了減少對功率分布的擾動，引入控制棒組G1、G2、N1、N2，其中G1、G2為灰棒，N1、N2為黑棒，負反應性變化范圍為400 pcm～1000 pcm，按最佳疊步方式插入，從而使灰棒降低了對軸向功率分布的影響，易于控制軸向功率偏移。

（3）利用獨立控制棒組R棒控制平均溫度和堆芯反應性，具有約1100 pcm的較高反應性，被限制在堆芯頂部的機動帶上，不會對軸向功率分布產(chǎn)生不利的影響。

3.2 T模式

EPR在G模式的基礎(chǔ)上，結(jié)合運行操作經(jīng)驗反饋、做了進一步的優(yōu)化和改進，取消了灰棒控制手段，形成了既能用于基本負荷運行又能用于負荷跟蹤運行的T模式。反應堆的89組控制棒中，停堆棒有53組，調(diào)節(jié)棒有36組。36組棒又依序分為P1～P5子棒組，分別為4、4、8、8和12組。子棒組P1的4組棒主要用于慢化劑平均溫度（ACT）的控制，P2～P5主要用于軸向偏差（API）控制，根據(jù)控制需要，從P2依序到P5可自動轉(zhuǎn)變用于ACT控制。概括言之，EPR反應堆控制系統(tǒng)這些變化主要是在A模式基礎(chǔ)上、結(jié)合運行操作經(jīng)驗反饋改進而成。此T模式既用于基負荷運行又用于負荷跟蹤運行。其實現(xiàn)方式為：除了僅用于跳堆用的停堆棒（53組棒）外，EPR的P1～P5五個子棒組分為慢化劑平均溫度控制棒（Pbank）和軸向功率偏移控制棒（Hbank），所有棒組都由黑棒組成，而Pbank和Hbank的組成是變化的。

3.3 MSHIM模式

調(diào)整硼濃度的優(yōu)點是對堆芯功率分布影響小，但操作技術(shù)難度大，產(chǎn)生的廢液多，尤其是到壽期末時，調(diào)控效果不顯著，難于自動控制。控制棒的移動能迅速改變反應性，即能迅速改變反應堆功率，但同時也改變了功率分布。為了有效的控制反應堆，近年來出現(xiàn)的三代核電技術(shù)中，美國西屋公司設計的第三代壓水堆AP1000利用了機械補償（Mechanical Shim，MSHIM）手段，對難于操作的硼濃度變化采用固定的程序控制，取消了手動控制模式，形成了操作性強、自動化程度高的MSHIM運行模式。此外，人們想方設法把功率分布控制棒（AO棒組）和平均溫度控制棒（M棒組）分離開，通過利用控制棒價值的變化和限制控制棒的運動范圍，盡量減小AO棒的運動對功率水平的影響，同時M棒的運動對功率偏差的影響也盡量縮小，通過這種物理解耦的辦法，降低控制的難度。AP1000堆芯有69個控制棒組[ ]，MA～MD為16個灰棒組件，每個灰組件中包括20個不繡鋼棒和4個常規(guī)的Ag-IN-Cd棒；M1和M2是黑棒組件，每個黑組件為24個Ag-IN-Cd棒。M棒組包括MA～MD和M1、M2，總共6個棒組。AO棒組由9個黑棒組件構(gòu)成，控制棒價值相對較高。在任何負荷跟蹤運行之前，MA和MB棒束要全部插入堆芯。初始MB棒束的插入是用于補償功率變化過程中引入的正、負反應性。

4 結(jié)語

負荷跟蹤技術(shù)的實質(zhì)就是核電廠在運行中，按照電網(wǎng)的需求發(fā)出功率；從滿足電網(wǎng)要求方面看，主要的問題是堆跟機的升/降負荷速率、旋轉(zhuǎn)備用能力等；從堆芯控制方面看，主要是功率水平控制（或稱反應性控制）和軸向功率分布控制，控制手段已從經(jīng)典控制向多變量控制、最優(yōu)控制和智能化方向發(fā)展；從滿足核安全方面看，主要是堆芯功率變化能力要好，且要運行裕度高或安全裕度高；負荷跟蹤技術(shù)從環(huán)保要求方面看，排出的放射性廢水量要盡可能少等。面對日益嚴峻的能源形式，核電比重也逐步增加，我國有必要根據(jù)各類主力堆芯特色進行具有前瞻性的負荷跟蹤可行性研究。

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