海南核電站在大機(jī)小網(wǎng)中運(yùn)行安全的研究和實(shí)踐

吳美景,王永明,楊少杰

(海南核電有限公司,海南 昌江 572700)

海南昌江核電站屬于我國自主設(shè)計(jì)的二代加壓水堆核電站 (CNP650型),始建于2008年,2010年正式開工建設(shè),2015年12月25日1號(hào)機(jī)組投入商運(yùn),2016年8月12日2號(hào)機(jī)組投入商運(yùn)。在建設(shè)過程中,根據(jù)核安全通用標(biāo)準(zhǔn),增加了福島改進(jìn)項(xiàng)。設(shè)計(jì)主要參考了秦山第二核電站,最大的不同是采用了分布式主控制室設(shè)計(jì)。

海南電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為環(huán)網(wǎng),核電投產(chǎn)前火電占60%以上,主要分布在海南島西部,電源結(jié)構(gòu)、分布不合理,海南雖已形成環(huán)島220 k V主網(wǎng)結(jié)構(gòu),但部分變電站僅有1臺(tái)主變壓器,配網(wǎng)還存在較多的輻射式結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)配網(wǎng)不牢靠,易受臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣影響。海南每年強(qiáng)熱帶風(fēng)暴及臺(tái)風(fēng)多達(dá)6～8個(gè),“三高”(高溫、高濕、高鹽)特點(diǎn)十分明顯,容易對(duì)海南電網(wǎng)帶來沖擊,也給核電站的運(yùn)行安全提出了更高的要求。

海南電網(wǎng)與大陸主網(wǎng)連接脆弱,目前僅依靠聯(lián)網(wǎng)一回與主網(wǎng)連接。設(shè)計(jì)最大輸送容量600 MW,主要承擔(dān)海南電網(wǎng)事故備用和黑啟動(dòng)。正常運(yùn)行時(shí)送電功率 (受入或送出)按照不超過海南電網(wǎng)最大負(fù)荷3%控制,并滿足核電單機(jī)跳閘后聯(lián)網(wǎng)一回不超過600 MW。根據(jù)目前電網(wǎng)負(fù)荷和核電廠運(yùn)行情況,最大允許送電容量100 MW左右。規(guī)劃建設(shè)中的聯(lián)網(wǎng)二回600 MW預(yù)計(jì)2018年底可投入使用。

海南統(tǒng)調(diào)負(fù)荷總量規(guī)模小,峰谷差大,調(diào)峰能力不足, “大機(jī)小網(wǎng)”問題一直存在。 “十二五”前全島最高負(fù)荷只有200萬k W,臺(tái)風(fēng)后負(fù)荷僅剩80萬k W。2017年統(tǒng)調(diào)最高負(fù)荷450萬k W,單臺(tái)核電機(jī)組容量 (滿發(fā)65萬k W)將占到全網(wǎng)負(fù)荷的15%。目前海南電網(wǎng)在典型日負(fù)荷 (β值0.48)特性 (見圖1,圖2)下其最低負(fù)荷將在216萬k W左右,單臺(tái)核電機(jī)組容量占全網(wǎng)負(fù)荷的比例將超過30%。在孤網(wǎng)情況下 “大機(jī)小網(wǎng)”問題將更為嚴(yán)重,加上瓊中抽蓄電站(600 MW)無法同時(shí)投產(chǎn),系統(tǒng)調(diào)峰缺口相對(duì)于聯(lián)網(wǎng)方式有所增加,2015年約73萬k W,2016年約93萬k W,系統(tǒng)面臨極大調(diào)峰困難。

圖1　海南電網(wǎng)全社會(huì)年負(fù)荷特征曲線Fig.1　Curve of gross load capacity of Hainan grid

圖2　海南電網(wǎng)典型日負(fù)荷特性Fig.2　Trend of daily load capacity of Hainan grid

根據(jù)中華人民共和國國務(wù)院令第599號(hào) 《電力安全事故應(yīng)急處置和調(diào)查處理?xiàng)l例》,電網(wǎng)負(fù)荷5000 MW以上20 000 MW以下的省、自治區(qū)電網(wǎng),減供負(fù)荷12%以上16%以下或者電網(wǎng)負(fù)荷1000 MW以上5000 MW以下的省、自治區(qū)電網(wǎng),減供負(fù)荷20%以上50%以下,就構(gòu)成較大事故。根據(jù)說明,電網(wǎng)負(fù)荷是指電力調(diào)度機(jī)構(gòu)統(tǒng)一調(diào)度的電網(wǎng)在事故發(fā)生起始時(shí)刻的實(shí)際負(fù)荷。

海南昌江核電站機(jī)組設(shè)計(jì)上不具備調(diào)峰調(diào)頻和日負(fù)荷跟蹤能力,在電網(wǎng)配套設(shè)施尚未建成的情況下,海南核電組織開展機(jī)組運(yùn)行研究,重點(diǎn)研究長(zhǎng)期降功率和異常特殊天氣下的運(yùn)行方式,以保障海南核電機(jī)組和電網(wǎng)的運(yùn)行安全。

海南昌江核電站1、2號(hào)機(jī)組接入電網(wǎng)評(píng)審意見 《關(guān)于印發(fā)海南昌江核電廠接入電網(wǎng)條件專題報(bào)告評(píng)審意見的通知》明確要求為確保海南昌江核電廠1、2號(hào)機(jī)組接入電網(wǎng)后安全穩(wěn)定運(yùn)行,海南電網(wǎng)應(yīng)具備如下系統(tǒng)條件:1)為解決核電投產(chǎn)后的海南電網(wǎng) “大機(jī)小網(wǎng)”問題,海南電網(wǎng)與南方電網(wǎng)主網(wǎng)應(yīng)建成第二回500 k V聯(lián)網(wǎng)工程;2)為解決系統(tǒng)調(diào)峰問題,系統(tǒng)應(yīng)有以下幾種措施之一:①與核電機(jī)組投產(chǎn)進(jìn)度同步建設(shè)抽水蓄能等調(diào)峰機(jī)組 (瓊中抽蓄),抽水蓄能總?cè)萘?00～600 MW之間,機(jī)組數(shù)量不少于2臺(tái);②核電機(jī)組長(zhǎng)期降負(fù)荷運(yùn)行,具備大幅度降出力運(yùn)行能力;③南方電網(wǎng)主網(wǎng)通過聯(lián)網(wǎng)工程給海南電網(wǎng)調(diào)峰;④以上三種調(diào)峰措施綜合方案[1]。

為確保海南昌江核電站1、2號(hào)機(jī)組建成后能夠順利安全投運(yùn),海南核電通過與電網(wǎng)多次協(xié)調(diào)和討論研究,決定聯(lián)合國內(nèi)多家設(shè)計(jì)院積極開展長(zhǎng)期低功率運(yùn)行專題研究工作。

1　長(zhǎng)期低功率運(yùn)行專題研究

通過對(duì)國內(nèi)外核電廠進(jìn)行多方、多次調(diào)研,根據(jù)核電機(jī)型的運(yùn)行特征和性能,綜合評(píng)估機(jī)組投產(chǎn)后所面臨的電網(wǎng)和電力環(huán)境,在確保核電和電網(wǎng)安全的前提下,評(píng)估核電機(jī)組長(zhǎng)期低功率運(yùn)行的能力,分析存在的風(fēng)險(xiǎn)和問題,綜合海南電網(wǎng)的意見,確定了核電機(jī)組長(zhǎng)期低功率運(yùn)行方式的兩種方案:

方案一:第一循環(huán)采用75%FP(滿功率)長(zhǎng)期低功率運(yùn)行方式,第二、三循環(huán)采用100%FP運(yùn)行;

方案二:第一循環(huán)采用100%FP疊加75%FP低負(fù)荷三個(gè)月運(yùn)行方式,第二循環(huán)采用75%FP長(zhǎng)期低功率運(yùn)行,第三循環(huán)采用100%FP運(yùn)行。

研究從核島、常規(guī)島和輔助系統(tǒng)三大部分進(jìn)行綜合分析,以確定選取的方案是否能保證核電的安全可靠運(yùn)行。核島方面主要進(jìn)行了燃料管理設(shè)計(jì)、堆芯功率能力分析、衰變熱及乏池?zé)嶝?fù)荷分析計(jì)算、事故分析評(píng)價(jià)、事故源項(xiàng)分析評(píng)價(jià)、燃料棒設(shè)計(jì)驗(yàn)證和燃料棒PCI分析等方面的分析論證。常規(guī)島主要對(duì)主蒸汽和汽輪機(jī)旁路蒸汽系統(tǒng)、主給水系統(tǒng)、汽輪機(jī)抽汽及加熱器疏水系統(tǒng)、汽水分離再熱器系統(tǒng)和凝結(jié)水系統(tǒng)的影響等方面進(jìn)行了分析。輔助系統(tǒng)主要進(jìn)行了硼和水補(bǔ)給系統(tǒng)、廢液處理系統(tǒng)、硼回收系統(tǒng)、廢氣處理系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、事故情況下安全殼溫度壓力的影響、氣液態(tài)流出物排放源項(xiàng)的影響等方面的分析。

研究表明:方案一、方案二涉及的事故分析結(jié)果均可滿足準(zhǔn)則要求,所有事故源項(xiàng)不需要重新進(jìn)行分析,均不影響FSAR(最終安全分析報(bào)告)結(jié)論;部分事故分析所采用的特定關(guān)鍵中子學(xué)參數(shù)超過了FSAR事故分析采用的值,對(duì)這部分事故進(jìn)行計(jì)算分析后發(fā)現(xiàn),如主蒸汽管道破裂——卡軸事故、彈棒事故的計(jì)算結(jié)果超過了FSAR相應(yīng)事故分析值,但仍然滿足安全限值,運(yùn)行時(shí)需要加以關(guān)注;所有輔助系統(tǒng)不受長(zhǎng)期低功率運(yùn)行兩種方案的影響;硼酸輸送泵、補(bǔ)給水泵的啟動(dòng)頻率和時(shí)間,以及硼酸溶液、除鹽水的用量和廢液的量都會(huì)有所增加,增加了相應(yīng)系統(tǒng)的處理負(fù)擔(dān),運(yùn)行時(shí)需要關(guān)注;常規(guī)島各個(gè)系統(tǒng)不受長(zhǎng)期低功率運(yùn)行兩種方案的影響,均可保證安全可靠運(yùn)行;長(zhǎng)期低功率運(yùn)行會(huì)給系統(tǒng)帶來新的問題,如蒸汽和管道疏水系統(tǒng)的振動(dòng)、不飽和汽水對(duì)管道材料的腐蝕等,而且由于各管道及支吊架是按照100%FP狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì),所以75%負(fù)荷長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)各管道支吊架荷載及管道位移的變化勢(shì)必對(duì)支吊架,尤其是彈簧支吊架等產(chǎn)生影響,運(yùn)行時(shí)需予以注意[2]。

綜上所述,這兩種方案沒有超出核電廠最終安全分析報(bào)告結(jié)論要求,可以在現(xiàn)有最終安全分析報(bào)告的條件下執(zhí)行,方案合理可行。

2　并網(wǎng)安全運(yùn)行專題研究

在長(zhǎng)期低功率運(yùn)行專題研究工作完成后,聯(lián)網(wǎng)二回和瓊中抽蓄進(jìn)展仍然緩慢,已經(jīng)確定無法與昌江核電機(jī)組同步投運(yùn)。同時(shí)受廣東電網(wǎng)與海南電網(wǎng)結(jié)算問題制約,2019年前南方電網(wǎng)通過聯(lián)網(wǎng)工程為海南電網(wǎng)調(diào)峰的措施也無法實(shí)現(xiàn)。因此,海南昌江核電站1、2號(hào)機(jī)組長(zhǎng)期降功率運(yùn)行研究結(jié)果成為機(jī)組投運(yùn)后解決海南電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)峰、安全問題唯一可用的措施。

為了確保核電和電網(wǎng)的安全運(yùn)行,海南昌江核電站于2013年底與海南電網(wǎng)聯(lián)合成立工作小組,開展并網(wǎng)安全運(yùn)行專題研究工作,從防人因失誤,遵守技術(shù)規(guī)范,特殊與異常天氣下與電網(wǎng)配合等方面深入開展研究工作,將長(zhǎng)期低功率運(yùn)行研究的成果逐一落實(shí),確保海南昌江核電站1、2號(hào)機(jī)組建成后順利發(fā)電。

工作小組開展了調(diào)試試驗(yàn)、機(jī)組自身性能、調(diào)峰能力、運(yùn)行方式和事故考核等五個(gè)方面的研究工作。最終于2015年完成了 《海南昌江核電廠1、2號(hào)并網(wǎng)安全運(yùn)行專題研究報(bào)告》《機(jī)組自身性能研究報(bào)告》《調(diào)試試驗(yàn)研究報(bào)告》《調(diào)峰能力研究報(bào)告》《運(yùn)行方式研究報(bào)告》和 《電網(wǎng)事故考核研究報(bào)告》六份專題研究報(bào)告,并用于指導(dǎo)實(shí)際運(yùn)行[3]。

3　運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)及對(duì)策

3.1　運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)

國內(nèi)核電機(jī)組長(zhǎng)期低功率運(yùn)行沒有先例,分析結(jié)論尚未經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證,研究考慮因素可能會(huì)存在不完善之處。主要存在以下運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn):

(1)人因問題

運(yùn)行人員缺少長(zhǎng)期低功率運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),運(yùn)行期間ΔI(軸向功率偏差)控制困難,超出運(yùn)行控制帶風(fēng)險(xiǎn)增大,需提高監(jiān)盤頻次,頻繁功率調(diào)節(jié)還會(huì)增加廢液量和操縱員的堆上操作。

(2)設(shè)備問題

長(zhǎng)期低功率運(yùn)行情況下汽輪機(jī)的蒸汽濕度增加,可能使汽輪機(jī)葉片特別是末級(jí)葉片受到嚴(yán)重的沖蝕,需要慎重考慮汽輪機(jī)末級(jí)葉片的安全問題;功率偏離正常設(shè)計(jì)工況,降低了核燃料和設(shè)備的可靠性。

(3)管理問題

機(jī)組長(zhǎng)期低功率運(yùn)行可能會(huì)給正常定期試驗(yàn)管理帶來影響,包括拉長(zhǎng)了試驗(yàn)周期,首循環(huán)可能超過18個(gè)月;實(shí)際運(yùn)行曲線因長(zhǎng)期低功率可能偏離原設(shè)計(jì)方案,對(duì)后續(xù)燃料管理策略的選擇帶來較大的影響。

3.2　應(yīng)對(duì)策略

為應(yīng)對(duì)長(zhǎng)期低功率運(yùn)行可能帶來的這些問題,海南核電從問題著手,提前開展了以下應(yīng)對(duì)工作:

1)為盡量減少核電機(jī)組參與負(fù)荷調(diào)節(jié)的時(shí)間和次數(shù),確保核電機(jī)組設(shè)備、燃料等的可靠性,保證反應(yīng)堆的安全運(yùn)行,海南核電和海南電網(wǎng)聯(lián)合成立調(diào)試和運(yùn)行安全研究專項(xiàng)小組開展專題研究,對(duì)試驗(yàn)執(zhí)行和日常運(yùn)行各個(gè)階段可能與正常滿功率運(yùn)行存在差異之處進(jìn)行分析并給出應(yīng)對(duì)策略。

2)加強(qiáng)運(yùn)行過程中的監(jiān)督,并及時(shí)與電網(wǎng)保持良好溝通,提高機(jī)組運(yùn)行可靠性,在實(shí)際運(yùn)行過程中盡量減少這種運(yùn)行方式的時(shí)間和次數(shù),確保運(yùn)行安全。

3)完善首循環(huán)的運(yùn)維計(jì)劃,針對(duì)降負(fù)荷運(yùn)行組織操縱員進(jìn)行培訓(xùn),編寫機(jī)組降負(fù)荷期間設(shè)備狀態(tài)參數(shù)監(jiān)督導(dǎo)則;組織降負(fù)荷運(yùn)行事故處理規(guī)程核查,編制降負(fù)荷運(yùn)行防人因失誤對(duì)策、長(zhǎng)期低功率運(yùn)行后提升功率規(guī)定和壽期初/中/末升降負(fù)荷限制要求等。

4)在WANO支持下,組織國際研討會(huì),邀請(qǐng)法國、美國核電專家交流國外長(zhǎng)期低功率運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

5)針對(duì)汽輪機(jī)末級(jí)葉片可能存在的安全隱患,組建專家小組開展跟蹤研究工作,提前采購葉片,并于小修和大修時(shí)第一時(shí)間處理葉片水蝕問題以確保機(jī)組的安全運(yùn)行。

6)提前開展定期試驗(yàn)執(zhí)行應(yīng)對(duì)工作,對(duì)首循環(huán)定期試驗(yàn)頻率和執(zhí)行進(jìn)行研究,確保試驗(yàn)的安全和有效,對(duì)部分試驗(yàn)進(jìn)行加做和調(diào)整執(zhí)行時(shí)間。

7)提前開展并完善燃料管理策略,多方案應(yīng)對(duì)可能存在的多種情況。

4　應(yīng)用成果

基于電網(wǎng)實(shí)際狀況和運(yùn)營情況,海南昌江核電站1、2號(hào)機(jī)組實(shí)際選定方案一作為最終運(yùn)行方案。

海南昌江核電站1號(hào)機(jī)組自2015年12月25日商運(yùn)以來,首循環(huán)一直保持75%FP運(yùn)行,期間經(jīng)歷一次小修,在春節(jié)、臺(tái)風(fēng)和外電網(wǎng)故障情況下短時(shí)降功率至50%或者停機(jī);第二循環(huán)功率有所提升,初期保持80%FP運(yùn)行兩個(gè)月,后提升至85%FP運(yùn)行至壽期末,期間因執(zhí)行滿功率試驗(yàn)有5天提升至100%FP,在配合電網(wǎng)檢修、電網(wǎng)負(fù)荷低谷期和臺(tái)風(fēng)情況下短時(shí)降功率至50%、75%或者停機(jī),總體次數(shù)與第一循環(huán)相比大大減少。海南昌江核電站2號(hào)機(jī)組自2016年8月12日商運(yùn)以來,一直保持75%FP運(yùn)行,期間只有故障處理、臺(tái)風(fēng)、聯(lián)網(wǎng)線檢修和電網(wǎng)負(fù)荷低谷情況下短時(shí)降功率至50%FP或者停機(jī)。

海南昌江核電站1、2號(hào)機(jī)組截至2017年底累計(jì)安全穩(wěn)定運(yùn)行三個(gè)循環(huán),未出現(xiàn)非計(jì)劃停機(jī)停堆,期間海南電網(wǎng)一直保持安全穩(wěn)定運(yùn)營狀態(tài),未發(fā)生系統(tǒng)安全或減供負(fù)荷等電力事故。

海南昌江核電站1、2號(hào)機(jī)組大修調(diào)整為春節(jié)和雨季負(fù)荷低谷或者水電高峰期,最大程度減少了對(duì)海南電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)負(fù)荷的影響。同時(shí),提升了核電可利用率,提高了海南昌江核電站1、2號(hào)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

海南昌江核電站1號(hào)機(jī)組運(yùn)行兩個(gè)月后開展小修對(duì)汽輪機(jī)葉片進(jìn)行全面檢查,檢查發(fā)現(xiàn)3個(gè)低壓轉(zhuǎn)子末級(jí)葉片均產(chǎn)生較嚴(yán)重的水蝕,整個(gè)司太立合金片表面均觀察到均勻的蜂窩狀水蝕狀況。專家根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)判斷,其水蝕程度相當(dāng)于參考電站5個(gè)運(yùn)行周期后的狀態(tài)。2號(hào)機(jī)組首次大修檢查結(jié)果比1號(hào)機(jī)組更為嚴(yán)重,末級(jí)和次末級(jí)葉片均產(chǎn)生嚴(yán)重水蝕。實(shí)際運(yùn)行表明,長(zhǎng)期降負(fù)荷運(yùn)行對(duì)汽輪機(jī)安全影響較大,海南昌江核電站1、2號(hào)機(jī)組已經(jīng)在運(yùn)行時(shí)加強(qiáng)監(jiān)督。

此外,運(yùn)行過程中還發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期低功率運(yùn)行會(huì)帶來的振動(dòng)加劇問題,包括蒸汽管道、疏水管道和小支管等,海南昌江核電站1、2號(hào)機(jī)組已經(jīng)根據(jù)實(shí)際情況在運(yùn)行中加強(qiáng)監(jiān)督和開展加固工作。

5　結(jié)束語

海南昌江核電站開展的長(zhǎng)期低功率運(yùn)行專題研究工作確保了1、2號(hào)機(jī)組如期并網(wǎng)和安全發(fā)電,同時(shí)也為海南電網(wǎng)的安全運(yùn)營提供了強(qiáng)力保障。研究結(jié)論和應(yīng)用實(shí)踐對(duì)其他中小電網(wǎng)和核電機(jī)組組合的安全穩(wěn)定運(yùn)營具有較大的借鑒意義。

隨著核電裝機(jī)在電網(wǎng)的比例進(jìn)一步提高,國內(nèi)核電機(jī)組不可能長(zhǎng)期保持滿負(fù)荷運(yùn)行方式,核電機(jī)組的運(yùn)行方式要具有一定的靈活性才能更好地適應(yīng)電網(wǎng)的需求,爭(zhēng)取到更好的經(jīng)濟(jì)效益。此外,我國核電的自主國產(chǎn)化進(jìn)程不斷加快,國產(chǎn)核電機(jī)組出口項(xiàng)目也逐漸增多,CNP650核電機(jī)組作為出口堆型主要選項(xiàng),在面臨出口國家或地區(qū)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不完善,電網(wǎng)總負(fù)荷較小的情況時(shí),“大機(jī)小網(wǎng)”的問題不可避免。專題研究表明:長(zhǎng)期低功率運(yùn)行可作為配套設(shè)施不完備時(shí)期的過渡運(yùn)行方案,提高60萬k W機(jī)組的適應(yīng)性,確保核電機(jī)組和中小電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn):

[1]中國電力顧問集團(tuán).關(guān)于印發(fā)海南昌江核電廠接入電網(wǎng)條件專題報(bào)告評(píng)審意見的通知 (電顧規(guī)劃 [2009]560號(hào))[Z].2009,7.

[2]海南核電有限公司.海南昌江核電廠1、2號(hào)機(jī)組長(zhǎng)期低功率運(yùn)行專題研究報(bào)告 [R].2013,12.

[3]海南核電有限公司.海南昌江核電廠并網(wǎng)運(yùn)行安全專題研究報(bào)告 [R].2015,11.