秦山CP-300機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)峰的分析與探討

何建盼

【摘 要】隨著浙江電網(wǎng)負(fù)荷長(zhǎng)期的連續(xù)增長(zhǎng)，用電的峰谷差也逐步加大，另外隨著我國(guó)核電的大發(fā)展，浙江省內(nèi)將陸續(xù)有多臺(tái)百萬(wàn)機(jī)組投入商運(yùn)。由于環(huán)保方面的問(wèn)題和核電在電網(wǎng)中的比重逐年增加，造成了很多常規(guī)火電廠的停運(yùn)。而這又最終導(dǎo)致電網(wǎng)峰谷之間的缺口高達(dá)2000至3000兆瓦，同時(shí)還一定程度上造成電網(wǎng)調(diào)壓、調(diào)頻等方面的問(wèn)題。理論上反應(yīng)堆都具有一定的負(fù)荷跟蹤能力以滿足電網(wǎng)用電需求，但實(shí)際運(yùn)行中，由于核電的特殊性，它的負(fù)荷跟蹤能力會(huì)受到核安全等方面的一系列限制，所以需要做好權(quán)衡利弊。若CP-300機(jī)組參與調(diào)峰，本文從穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況，對(duì)其安全性的影響進(jìn)行分析，另外還介紹了幾種可能用于CP-300核電機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)峰的運(yùn)行方式。

【關(guān)鍵詞】核電;調(diào)峰;CP-300

中圖分類號(hào)： TM623文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）13-0058-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.13.027

Analysis and Discussion of Qinshan CP-300 Power Grid Peaking Involved

HE Jian-pan

（China National Nuclear Poeration Management Co.Ltd ? operation division1， Jiaxing Zhejiang 314000， China）

【Abstract】At present， with the continuous growth of Zhejiang power grid load， the peak-to-valley difference of power consumption has gradually increased. In addition， with the development of Chinas nuclear power， there will be more than one million units in Zhejiang Province. Due to environmental problems and the increasing proportion of nuclear power in the power grid， many conventional thermal power plants have been shut down. This in turn leads to a gap between the peaks and valleys of the grid of 2，000 to 3，000 megawatts， and also causes problems in voltage regulation and frequency modulation to some extent. In theory， the reactor has a certain load tracking capability to meet the power demand of the grid. However， in actual operation， due to the particularity of nuclear power， its load tracking capability will be subject to a series of restrictions on nuclear safety， so it is necessary to weigh the pros and cons. If CP-300 unit participates in peak shaving， this paper analyzes the impact of steady state and transient conditions on its safety. It also introduces several possible operation modes for CP-300 nuclear power unit to participate in power grid peak shaving.

【Key words】Nuclear power; Peak shaving; CP-300

1 核電機(jī)組的運(yùn)行狀況和參與調(diào)峰的分析

目前，從全球來(lái)看，核電在電網(wǎng)中的發(fā)電量占比約為10%。對(duì)我國(guó)而言，按照當(dāng)前用電負(fù)荷逐年遞增的速率推算，預(yù)計(jì)2030年全國(guó)的用電量會(huì)達(dá)到約8.5萬(wàn)億至10.5萬(wàn)億千瓦。如果想把我國(guó)核電的比例提高到現(xiàn)在的世界平均水平，中國(guó)的核電總裝機(jī)容量還需要1.2億-1.5億千瓦。而這就意味著到2030年以前，每年需要開工建設(shè)的百萬(wàn)核電機(jī)組就要有八臺(tái)。

隨著核電機(jī)組占的發(fā)電比重越來(lái)越大，電網(wǎng)遇到的調(diào)峰壓力也每況愈增。因?yàn)楸娝苤脑颍穗娬竞突痣娬颈?，核電不管是在調(diào)峰負(fù)荷的大小還是速率方面都不占優(yōu)勢(shì)，而且還要受到安全等很多其他方面的影響。

核電機(jī)組都會(huì)具備一定的負(fù)荷跟蹤能力，但是在核電廠參與調(diào)峰后，如何保證安全性是必須要面對(duì)的問(wèn)題。事實(shí)上，核電站參與調(diào)峰在國(guó)外已經(jīng)實(shí)踐了多年，法國(guó)和日本在這方面已經(jīng)具備了一定的經(jīng)驗(yàn)，特別是日本還做了日負(fù)荷跟蹤。但總的原則無(wú)非是在電網(wǎng)負(fù)荷較低時(shí)，核電機(jī)組降功率運(yùn)行，電網(wǎng)負(fù)荷增加時(shí)，核電機(jī)組升功率運(yùn)行。同時(shí)考慮機(jī)組換料大修的周期，盡量避開電網(wǎng)的用電高峰，調(diào)峰的同時(shí)，兼顧了安全性和經(jīng)濟(jì)性。

目前國(guó)內(nèi)的核電機(jī)組還沒有日負(fù)荷跟蹤的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，但是秦山和大亞灣兩大核電基地在逢年過(guò)節(jié)期間的降功率運(yùn)行，其實(shí)就已經(jīng)是參與了電網(wǎng)調(diào)峰，只不過(guò)降的功率角有限，一般只將機(jī)組功率降到70%至80%。

2 壓水堆核電機(jī)組的運(yùn)行特性

2.1 核電廠負(fù)荷跟蹤的控制

在設(shè)計(jì)中，反應(yīng)堆都會(huì)有一定的負(fù)荷跟蹤能力。但在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，這種負(fù)荷跟蹤能力受到核安全等方面的一系列限制。通常來(lái)說(shuō)，從反應(yīng)堆的功調(diào)系統(tǒng)、棒控、毒物、堆芯溫度和燃料的不均勻程度等方面綜合考慮核電機(jī)組的負(fù)荷跟蹤能力。

壓水堆的功率變化，可借用的手段有控制棒的移動(dòng)，硼濃度的變化，中子毒物的控制，冷卻劑溫度的改變等。但在實(shí)際運(yùn)行中，要實(shí)現(xiàn)負(fù)荷跟蹤功能只能采用控制棒的移動(dòng)和改變硼濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，控制棒能提供快速的反應(yīng)性變化，硼濃度提供慢速的反應(yīng)性變化，實(shí)際過(guò)程兩者兼用。

2.2 功率調(diào)節(jié)特性

快速調(diào)節(jié)壓水堆核電機(jī)組功率可以通過(guò)移動(dòng)控制棒來(lái)實(shí)現(xiàn)，一般來(lái)說(shuō)這種功率調(diào)節(jié)范圍能實(shí)現(xiàn)滿功率的30%至100%的調(diào)節(jié)區(qū)間，但受燃耗的影響，控制棒調(diào)節(jié)方式在壽期末的功率調(diào)節(jié)范圍會(huì)變小。當(dāng)機(jī)組在可調(diào)節(jié)區(qū)運(yùn)行時(shí)，功率變化速率一般在0.2%P/min至0.3%P/min之間，最高也不會(huì)超過(guò)5%P/min，同時(shí)還會(huì)有10%P的功率階躍變化的能力，這也是一般核電站功調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求。所以，核電機(jī)組在低功率運(yùn)行時(shí)，也有10%P 的階躍變化能力，但不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)的階躍變化。這種負(fù)荷階躍變化對(duì)核電機(jī)組安全方面的影響不可忽略，這是我們要討論的重點(diǎn)。

功率頻繁的階躍變化會(huì)導(dǎo)致壓力容器的輻照脆化以及反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)、主泵、穩(wěn)壓器、安全閥、蒸汽發(fā)生器等重要設(shè)備某些部件的疲勞損壞，這會(huì)降低整個(gè)機(jī)組的壽命。此外，這還會(huì)加大硼濃度，冷卻劑壓力，主系統(tǒng)平均溫度，蒸發(fā)器水位等各方面的控制難度。一旦調(diào)峰對(duì)堆芯的功率分布會(huì)產(chǎn)生較大影響，如功率調(diào)節(jié)棒與軸向功率偏差ΔI的問(wèn)題、溫度調(diào)節(jié)棒的棒位限制與ΔI的矛盾、壽期末的硼濃度稀釋與ΔI之間的矛盾。因此，核電機(jī)組調(diào)節(jié)功率時(shí)，不僅要加強(qiáng)對(duì)機(jī)組安全性各方面的操作，還要有效控制功率調(diào)節(jié)的深度和速度，才能保證核電機(jī)組安全運(yùn)行。

3 參與調(diào)峰對(duì)CP-300核電機(jī)組安全性的影響

3.1 穩(wěn)態(tài)工況下

在低負(fù)荷下，常規(guī)島的各個(gè)主要設(shè)備如發(fā)電機(jī)、汽輪機(jī)、勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)、主變和高壓廠變、主給水泵、高低加以及各水泵的負(fù)荷降低，但都在各自額定工作范圍內(nèi)，不會(huì)有不利影響。CP-300的汽輪機(jī)采用節(jié)流調(diào)節(jié)，負(fù)荷降低，汽輪機(jī)的調(diào)門關(guān)小導(dǎo)致蒸汽的濕度減小，反而有利于汽輪機(jī)各級(jí)的安全。隨著蒸汽流量的降低，蒸發(fā)生器二次側(cè)壓力和溫度上升，蒸發(fā)器傳熱管內(nèi)的冷卻劑平均溫度和進(jìn)出口溫差都會(huì)減小，這會(huì)使得熱應(yīng)力減小。

而從堆芯角度考慮，也可以分析一下調(diào)峰降功率時(shí)的有關(guān)影響。根據(jù)偏離泡核沸騰比DNBR的定義，燃料棒熱流密度的下降會(huì)導(dǎo)致DNBR增大（秦山核電廠在額定功率運(yùn)行時(shí)其最小DNBR為1.42），在各種事故瞬態(tài)工況下（如給水喪失、彈棒、全廠失電、LOCA等），堆芯是偏安全的。由于堆芯上半部的溫度下降，會(huì)使堆芯上半部DNBR 增加，這對(duì)于包殼安全是有利的;冷卻劑的進(jìn)出口溫差的下降，堆內(nèi)構(gòu)件的熱應(yīng)力也會(huì)減小，這也是有利的。由于反應(yīng)堆是負(fù)的溫度系數(shù)，堆芯上下溫差的降低使軸向功率功率峰上移，使得軸向功率分布更加平坦。

綜上，穩(wěn)態(tài)工況下調(diào)峰降功率運(yùn)行，對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行是有利的。

3.2 瞬態(tài)工況下

階躍升降負(fù)荷操作時(shí)，堆芯頂部溫度可能會(huì)上升到1800℃，根據(jù)冷卻劑在CP-300反應(yīng)堆內(nèi)的流動(dòng)可知，此溫度變化僅影響到堆芯上部的一些薄壁部件和冷卻劑的出口管嘴、蒸汽發(fā)生器一次側(cè)的入口等一些厚壁部件?？傮w來(lái)說(shuō)，這種溫度變化也比較有限，不會(huì)產(chǎn)生安全方面的問(wèn)題。

4 核電機(jī)組參與調(diào)峰的運(yùn)行方式

下面探討一下如果核電機(jī)組參與調(diào)峰，可采用的集中調(diào)峰的方法。

4.1 日負(fù)荷跟蹤的運(yùn)行方式

所謂日負(fù)荷跟蹤，就是一天24h都在參與調(diào)峰，例如可以采用“12h-3h-6h-3h”的方式和最大50%P的限值參與日調(diào)峰運(yùn)行，即在一天當(dāng)中，有12小時(shí)是滿功率的，接著用3小時(shí)降到低功率并保持運(yùn)行6小時(shí)，最后再用3小時(shí)升回滿功率。

4.2 周調(diào)峰的運(yùn)行方式

理論上，壓水堆核電機(jī)組完全能實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)期的低功率運(yùn)行。實(shí)際上，大亞灣核電的多臺(tái)機(jī)組目前就是在節(jié)假日期間，降功率至760MW運(yùn)行2至3天的方式，只是這種運(yùn)行方式受到總次數(shù)的限制，一般一年之內(nèi)最好不要超過(guò)五次。

4.3 年的運(yùn)行方式

電網(wǎng)的年負(fù)荷特性一般都是固定的，如果能將電網(wǎng)的負(fù)荷特性和機(jī)組的大修計(jì)劃統(tǒng)籌考慮，采用長(zhǎng)短周期交替和延伸運(yùn)行相結(jié)合的方法合理安排機(jī)組大修，避開電網(wǎng)用電高峰期，這也是一種很好的調(diào)峰方法。目前可以參考的年負(fù)荷運(yùn)行方式是法國(guó)核電廠，核電機(jī)組的投運(yùn)率與負(fù)荷率的變化趨勢(shì)基本一致。低負(fù)荷時(shí)，核電機(jī)組停運(yùn)臺(tái)數(shù)多;高負(fù)荷時(shí)，核電機(jī)組停運(yùn)臺(tái)數(shù)少。通過(guò)核電停機(jī)窗口的合理安排，實(shí)現(xiàn)了年負(fù)荷跟蹤。

5 國(guó)內(nèi)現(xiàn)有參與調(diào)峰核電機(jī)組的運(yùn)行方式以及運(yùn)行狀況

根據(jù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有資料，壓水堆核電機(jī)組主要靠控制棒調(diào)節(jié)功率，而控制棒有兩種，一種是采用吸收中子較強(qiáng)的棒束（黑棒束），這種控制棒由于材料原因，能快速吸收大量中子，造成的功率變化也很大，稱為A控制模式。顯然在實(shí)際調(diào)峰過(guò)程中，A模式可能無(wú)法控制具體的調(diào)峰大小，且還會(huì)產(chǎn)生很大的功率畸變，所以A控制模式可能也無(wú)法滿足這種要求。還有一種是采用吸收種子較弱的棒束（灰棒束），這種方式吸收中子少，功率畸變小。

5.1 A控制模式

A控制模式，主要是通過(guò)堆芯的平均溫度控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)棒束（黑棒束）的自動(dòng)動(dòng)作，使反應(yīng)堆運(yùn)行在要求的功率數(shù)值上。為保證正常的軸向功率偏差，運(yùn)行人員通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)硼濃度，來(lái)限制調(diào)節(jié)棒的一定。A控制模式運(yùn)行較簡(jiǎn)便，只有平均溫度這一個(gè)調(diào)節(jié)回路，另外只要改變硼濃度;堆芯中總的控制棒的插入數(shù)量少，軸向和徑向的燃料都均勻，嚴(yán)格按照規(guī)程和技術(shù)規(guī)范可保證停堆深度。也正是由于堆芯中的控制棒少，改變功率一定程度受到硼濃度限制，也就無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)大幅度的負(fù)荷變化。

5.2 G控制模式

G控制模式也稱為灰棒模式，對(duì)反應(yīng)堆的配置要求如下：

（1）所謂的灰棒模式，即一些稱為灰棒的棒束位于控制棒組件中，使反應(yīng)堆的徑向功率畸變變得最小。分為控制棒組（溫度調(diào)節(jié)棒R、G和功率補(bǔ)償棒N）和停堆棒組S（灰棒G和黑棒N）。

（2）G模式一般具備兩個(gè)調(diào)節(jié)回路，一個(gè)開環(huán)回路隨汽輪發(fā)電機(jī)的功率變化調(diào)節(jié)控制棒的一部分棒組（補(bǔ)償棒組）;另一個(gè)回路則通過(guò)調(diào)節(jié)棒組來(lái)保證平均溫度（類似A控制模式）。

對(duì)比A控制模式，G控制模式的特點(diǎn)是它能實(shí)現(xiàn)負(fù)荷快速變化。在負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，黑棒組和灰棒組按照規(guī)定的順序，依次插入堆芯并保證一定的重疊度，其位置取決于汽輪發(fā)電機(jī)功率的給定值。另外，它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)各種階躍的負(fù)荷變化同時(shí)無(wú)須運(yùn)行人員的干預(yù)，而且控制棒對(duì)功率分布的干擾還不會(huì)產(chǎn)生軸向震蕩。但G控制模式的缺點(diǎn)在于硼和棒的作用是分離的，在反應(yīng)堆循環(huán)末期，如果緊急停堆又要馬上啟堆，可操作性較差。

6 結(jié)束語(yǔ)

CP-300核電機(jī)組參與調(diào)峰，總結(jié)起來(lái)主要如下：（1）由于沒有G模式和灰棒控制棒，無(wú)法滿足電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行。（2）由于功率的頻繁調(diào)節(jié)會(huì)加劇反應(yīng)堆壓力容器的輻照脆化和某些關(guān)鍵金屬部件的金屬疲勞，可能降低機(jī)組設(shè)備的壽命，需要嚴(yán)格遵守功率調(diào)節(jié)特性的要求。（3）CP-300的《最終安全分析報(bào)告》也提及規(guī)定階躍升、降負(fù)荷的次數(shù)各為1500次，即在核電廠30年設(shè)計(jì)壽期內(nèi)每年5次，而如今機(jī)組服役已超二十多年，這對(duì)CP-300的調(diào)峰能力進(jìn)行了一定的限制。（4）因?yàn)镃P-300堆型是中國(guó)大陸第一座核電站，無(wú)論是堆功率，自動(dòng)化程度，設(shè)備可靠性等與目前陸續(xù)投運(yùn)新機(jī)組不可同日而語(yǔ)。特別是反應(yīng)堆功率較小，由于電網(wǎng)調(diào)峰主要考慮的是一些大機(jī)組的影響，320MW機(jī)組如果參與調(diào)峰其能力和效果都非常有限，所以對(duì)其參與電網(wǎng)調(diào)峰一定要做好權(quán)衡利弊。

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