30萬kW核電機(jī)組長期低功率運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)分析及應(yīng)對

惠 剛

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

電網(wǎng)日負(fù)荷存在很大的谷峰特點(diǎn), 季節(jié)性負(fù)荷也存在著較大變化，特別是電網(wǎng)大幅的調(diào)峰或潮流優(yōu)化總是要有大量的機(jī)組參與降負(fù)荷，這從技術(shù)上要求并網(wǎng)運(yùn)行的各個發(fā)電機(jī)組都要有一定的跟蹤負(fù)荷的性能，隨著大型壓水堆核電機(jī)組逐漸成為電網(wǎng)的主力機(jī)組, 電網(wǎng)對核電機(jī)組的要求增加，機(jī)組日常和節(jié)假日期間調(diào)峰降功率運(yùn)行將成為常態(tài)。其次, 隨著風(fēng)電、光伏發(fā)電等可再生能源在電網(wǎng)中的并網(wǎng)容量增長迅速，各種電源間的聯(lián)合運(yùn)行和協(xié)調(diào)控制成為現(xiàn)代電網(wǎng)運(yùn)行中的關(guān)鍵問題，參與調(diào)峰也變成了發(fā)電市場商業(yè)化競爭的要求。從概率安全分析角度來看長期非滿功率運(yùn)行是一個比較合適的方案。

1 堆芯運(yùn)行安全的分析

1.1 堆芯參數(shù)的變化

秦一廠30萬kW機(jī)組于2020 年1月28日至2月26日，降功率至200 MW功率運(yùn)行，但第二十燃料循環(huán)換料設(shè)計(jì)并未考慮機(jī)組長期低功率運(yùn)行的情況，通過對本次長期低功率運(yùn)行后的軸向功率分布、慢化劑溫度系數(shù)、控制棒價(jià)值和停堆裕量等參數(shù)變化進(jìn)行分析，可評估本次長時(shí)間低功率運(yùn)行對機(jī)組后續(xù)運(yùn)行的影響。

采用實(shí)際跟蹤將功率運(yùn)行(降功率工況)和假設(shè)不降功率運(yùn)行(不降功率工況)兩種工況進(jìn)行對比分析。降功率工況按照運(yùn)行報(bào)表跟蹤實(shí)際運(yùn)行歷史，不降功率工況時(shí)假設(shè)1月28日至2月26日期間運(yùn)行的功率水平為0.975，T4 棒組位于250步，其余運(yùn)行歷史與降功率工況保持一致。為計(jì)算分析降功率對主要參數(shù)的影響，分析時(shí)共選取四個燃耗點(diǎn)，分別為恢復(fù)到滿功率的燃耗點(diǎn)3210 MWd/tU、3500 MWd/tU、4000 MWd/tU 和5000 MWd/tU，計(jì)算分析時(shí)，功率水平為0.975，棒位為T4棒組位于250步，具體數(shù)據(jù)見表1～表5。

表1 降功率對AO的影響Table 1 The effect of power reduction on AO

表2 降功率對MTC的影響Table 2 The effect of power reduction on MTC

表3 降功率對HZP工況下控制棒積分價(jià)值的影響Table 3 The effect of power reduction on the integral value of the control rod under HZP condition

表4 降功率對HFP工況下控制棒積分價(jià)值的影響Table 4 The effect of power reduction on the integral value of the control rod under HFP condition

表5 降功率對停堆裕量的影響Table 5 The effect of power reduction on the shutdown margin

1)軸向功率偏移AO均在技術(shù)規(guī)格書范圍內(nèi)(技術(shù)規(guī)格書規(guī)定軸向通量偏差的指示值必須保持在通量偏差目標(biāo)值的±5%的目標(biāo)帶內(nèi))。但由于控制棒插入導(dǎo)致的燃耗陰影效應(yīng)，降功率運(yùn)行期間，堆芯上部燃耗相對較少，導(dǎo)致恢復(fù)功率后堆芯功率偏移AO偏正約+1%；

2)表2至表4分別給出了降功率對MTC、控制棒價(jià)值的影響，計(jì)算結(jié)果顯示，本次降功率運(yùn)行(約15 EFPD)對相關(guān)參數(shù)的影響不大；在恢復(fù)至約滿功率運(yùn)行的前期，上述參數(shù)的差異相對較大，隨著堆芯的運(yùn)行和組件燃耗的反饋效應(yīng)，差異逐漸減??；

3)在低功率運(yùn)行時(shí)，控制棒插入的深度較滿功率時(shí)更深，可能造成壽期內(nèi)控制棒的價(jià)值減小，這對反應(yīng)堆的停堆裕量是不利的；另一方面，在同樣燃耗水平下，主系統(tǒng)硼濃度相對于滿功率運(yùn)行時(shí)較高，這對于反應(yīng)堆的停堆裕量是有利的。上述兩因素將導(dǎo)致在低功率運(yùn)行時(shí)反應(yīng)堆停堆裕量的變化。從表1中可以看出降功率運(yùn)行工況下的停堆裕量不僅滿足秦山核電廠技術(shù)規(guī)格書要求的停堆深度-2000 pcm，也滿足SLB事故安全評價(jià)的要求。[1,2]

通過對實(shí)際工況參數(shù)和假設(shè)工況參數(shù)的比較，持續(xù)時(shí)間15 EFPD的低功率運(yùn)行對主調(diào)節(jié)棒價(jià)值和慢化劑溫度系數(shù)等運(yùn)行參數(shù)的影響較小，不會對機(jī)組的運(yùn)行安全產(chǎn)生影響。由于功率水平的降低，慢化劑溫度的降低引入了正反應(yīng)性，因此，循環(huán)長度有較大幅度增加，可能導(dǎo)致燃耗超限。如需更長時(shí)間運(yùn)行，可能需要重新計(jì)算核實(shí)大修開始時(shí)間。

1.2 保護(hù)系統(tǒng)整定值的分析與應(yīng)對

堆芯核功率的降低通常提高了運(yùn)行的安全裕量, 燃料棒熱流密度的降低使各點(diǎn)的偏離泡核沸騰比DNBR增大, 在各種事故瞬態(tài)(給水喪失、彈棒、全廠停電、冷卻劑流失等)下堆芯偏于安全。低負(fù)荷下堆芯上部冷卻劑溫度低, 過冷度增大, 將使堆芯上部DNBR明顯增大, 有利于燃料包殼安全；堆芯冷卻劑的進(jìn)出口溫差降低, 則堆內(nèi)構(gòu)件的熱應(yīng)力也將減?。灰蚶鋮s劑溫度系數(shù)為負(fù)值,堆芯上下冷卻劑溫差的減小使功率峰上移, 也意味著功率的軸向分布趨向平坦，這些對堆芯安全都是十分有利的。

但滿功率與非滿功率時(shí)機(jī)組效率不一樣，低功率Runback(汽輪機(jī)快速減負(fù)荷)保護(hù)可能拒動。降負(fù)荷至200 MW時(shí)，汽輪機(jī)功率與實(shí)測核功率偏差超過4%，汽輪機(jī)功率大于存儲核功率3%與核功率高負(fù)變化率產(chǎn)生的Runback保護(hù)信號偏離設(shè)計(jì)值。

為了確保這一保護(hù)參數(shù)功能正常，需要在機(jī)組燃料循環(huán)中執(zhí)行《反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)汽輪機(jī)功率信號與核功率信號歸一化試驗(yàn)》，對汽輪機(jī)功率信號和核功率信號進(jìn)行檢查和跟蹤記錄，必要時(shí)對汽輪機(jī)功率信號和核功率信號進(jìn)行歸一化調(diào)整。

目前歸一化試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下：使用歸一化參數(shù)滿足汽輪機(jī)功率×K-b-實(shí)測核功率<-1或汽輪機(jī)功率×K-b-實(shí)測核功率>1。歸一化試驗(yàn)設(shè)置為K賦值，b賦值為0。以實(shí)際滿功率運(yùn)行中機(jī)功率100%，核功率98%為例，K值設(shè)置為0.98。低功率運(yùn)行時(shí)，由于機(jī)組效率降低，核功率下降的幅度會小于機(jī)功率下降幅度。若此時(shí)仍采用滿功率時(shí)的歸一化參數(shù)，會造成保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)的參數(shù)設(shè)定值(汽輪機(jī)功率×K-b-實(shí)測核功率)為一個負(fù)數(shù)，要達(dá)到汽輪機(jī)功率大于存儲核功率3%的設(shè)定值，則需要核功率下降幅度遠(yuǎn)超3%，此時(shí)如果發(fā)生落棒的價(jià)值較小或滑棒，runback可能不動作或動作后不能使汽輪機(jī)功率匹配核功率，導(dǎo)致保護(hù)可靠性降低。

根據(jù)《秦一廠降負(fù)荷調(diào)峰運(yùn)行規(guī)程》，若降負(fù)荷調(diào)峰超過十天，則需安排物理人員進(jìn)行機(jī)組熱平衡試驗(yàn)，根據(jù)熱平衡試驗(yàn)的結(jié)果，當(dāng)汽輪機(jī)功率與核功率的參數(shù)偏差超過規(guī)程值時(shí)，安排進(jìn)行歸一化試驗(yàn)。

1.3 芯塊與包殼相互作用(PCI)的分析與應(yīng)對

芯塊與包殼的相互作用(PCI)包括芯塊與包殼機(jī)械相互作用(PCMI)和芯塊與包殼化學(xué)相互作用(PCCI)。鋯包殼管在堆內(nèi)受力，應(yīng)力主要來源于芯塊的變形。當(dāng)燃耗達(dá)到一定值后芯塊與包殼貼緊，在反應(yīng)堆功率循環(huán)和功率劇增時(shí)，芯塊畸變使包殼受到很大的應(yīng)力，包括包殼管軸向拉應(yīng)力和切向拉應(yīng)力，造成燃料棒軸向變形和形成環(huán)脊；在高燃耗下，燃料棒內(nèi)侵蝕性裂變產(chǎn)物如碘、銫、鎘、碲等濃度增加會造成應(yīng)力腐蝕開裂。

燃料芯塊在堆芯運(yùn)行后, 很快因熱應(yīng)力產(chǎn)生裂紋, 繼而因輻照密實(shí)、后又腫脹。當(dāng)芯塊與包殼接觸以后, 如果堆功率提升快且幅度大, 包殼局部可能產(chǎn)生過應(yīng)力和過應(yīng)變。因?yàn)樾緣K與包殼的熱膨脹不同, 芯塊膨脹得更大,包殼受到拉應(yīng)力。同時(shí), 裂變產(chǎn)物碘可使包殼內(nèi)壁某些點(diǎn)萌生微裂紋, 在過大的拉應(yīng)力下這種裂紋會擴(kuò)展, 可貫穿管壁形成破口。若堆功率大幅下降,則同樣因熱膨脹不同, 芯塊和包殼的間隙又會出現(xiàn), 運(yùn)行一段時(shí)間之后間隙又閉合, 這時(shí)快速提升功率且超過原負(fù)荷值時(shí), 包殼更易破裂, 特別是在高燃耗下包殼延展性明顯降低時(shí)。

為了減輕上述應(yīng)力集中現(xiàn)象，必須對升功率的速率予以限制。30萬kW機(jī)組技術(shù)規(guī)格書中未對升負(fù)荷速率有明確要求，只在換料啟動階段規(guī)程《核電廠啟動——從冷停堆至100%額定功率》及《秦山核電廠運(yùn)行注意事項(xiàng)及定值》中對反應(yīng)堆換料后的首次提升反應(yīng)堆功率有明確要求,功率上升率不超過3%Pn/h(20%Pn以下不受限制)。當(dāng)反應(yīng)堆在某一高于20%Pn的功率平臺上穩(wěn)定運(yùn)行累計(jì)時(shí)間超過72 h，即可解除此功率及以下平臺的升負(fù)荷速率限制，但為了防止PCI，功率線性變化速率每分鐘不得超過額定功率的3%(3%Pn/min)。

2 二回路系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)及干預(yù)

根據(jù)電廠調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)特性曲線，二回路適當(dāng)提高蒸汽壓力和溫度, 通過節(jié)流減小蒸汽流量的辦法降低汽輪機(jī)功率。在低負(fù)荷下常規(guī)島各主要設(shè)備, 如汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、勵磁機(jī)、主變、廠用變、高低壓加熱器以及各泵與電動機(jī)等負(fù)載降低，實(shí)際運(yùn)行中30萬kW機(jī)組主要設(shè)備在低功率下的運(yùn)行都在正常區(qū)間。

2.1 二回路汽水平衡

機(jī)組降至210 We左右，汽輪機(jī)功率低于60%，“汽輪機(jī)功率≥60%”指示燈由亮變滅，除氧器水位調(diào)節(jié)方式由三沖量切換至單沖量調(diào)節(jié)，直接由凝結(jié)水流量控制除氧給水箱水位，控制精度相較三沖調(diào)節(jié)較低。

在保證凝結(jié)水和主給水流量平衡的情況下，凝結(jié)水再循環(huán)閥開度增大，通過再循環(huán)閥直接進(jìn)入凝汽器熱阱的流量變大。常規(guī)島設(shè)備更新及汽輪機(jī)改造后機(jī)組最小出力修改為220 MWe，汽輪機(jī)抽汽壓力發(fā)生變化(尤其是四級抽汽壓力上升導(dǎo)致除氧器壓力上升)。機(jī)組200 MW時(shí)，3號高加疏水無法完全通過正常疏水閥疏水至除氧器(208 MW以上后急疏才能全關(guān))。降低功率至220 MW以下，3號高加緊急疏水閥會自動打開至一定開度， 3號高加向除氧器和擴(kuò)容器長時(shí)間同時(shí)疏水。

同樣隨著抽汽壓力的下降，將導(dǎo)致1號低加汽側(cè)壓力降低，同樣的閥門開度下1號低加正常疏水流量會降低，1號低加正常疏水閥會自動增加開度，同時(shí)在降功率期間1號低加水位會波動較長時(shí)間，緊急疏水閥可能會打開疏水。

為確保二回路汽水平衡，在機(jī)功率降至200 MW時(shí)，需確認(rèn)三沖量操作器輸出值自動跟蹤單沖量的輸出，保證除氧器水位穩(wěn)定。加強(qiáng)對加熱器水位和正常、緊急疏水閥門的監(jiān)視，確認(rèn)自動液位控制正常(機(jī)功率200 MW時(shí)3號高加緊急疏水閥約10%，1號低加正常疏水閥約80%)。在進(jìn)行日常凝結(jié)水泵、凝結(jié)水升壓泵切換時(shí)，需要及時(shí)對凝結(jié)水再循環(huán)閥的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，防止管道超壓。

2.2 化學(xué)控制

蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂是壓水堆核電站頻發(fā)的事故，各國在蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)、制造方面采取預(yù)防應(yīng)力腐蝕破裂的措施的同時(shí)，在運(yùn)行管理上，嚴(yán)格控制和管理二回路水質(zhì)，往往是防止破裂的最重要措施。汽/水集中取樣和監(jiān)測系統(tǒng)的功能是對常規(guī)島系統(tǒng)的凝結(jié)水、給水、排污水和蒸汽等樣品經(jīng)冷卻后進(jìn)行連續(xù)和定期監(jiān)測，以保證對二回路汽/水系統(tǒng)實(shí)施化學(xué)控制。

降低功率運(yùn)行后，給水和蒸汽流量減少，而經(jīng)過化水處理的凝結(jié)水流量仍未減少。由于各系統(tǒng)的化學(xué)加藥量是根據(jù)取樣分析結(jié)果來進(jìn)行調(diào)整的，因此將導(dǎo)致化水的加藥方式調(diào)節(jié)存在延后性而過量加藥。 同時(shí)因?yàn)檎羝髁繙p少，循環(huán)水流量未變，凝節(jié)水溫度降低，可能導(dǎo)致凝結(jié)水氧含量升高。

需加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)視，及時(shí)調(diào)整加藥量，重點(diǎn)關(guān)注MSR疏水陽電導(dǎo)，蒸汽發(fā)生器排污陽電導(dǎo)，如有上漲趨勢及時(shí)聯(lián)系化學(xué)部門作出分析計(jì)算。并通過調(diào)整凝結(jié)水旁通流量、切換凝水混床使得二回路水質(zhì)恢復(fù)正常范圍。

2.3 發(fā)電機(jī)相關(guān)設(shè)備

冬季降低功率運(yùn)行，因主變負(fù)荷降低，變壓器產(chǎn)生的熱量較少，油溫較低。此時(shí)若處于冬季，室外溫度過低，主變冷卻器的正常運(yùn)行方式(兩臺主變冷卻器運(yùn)行)無法保證主變溫度在40 ℃以上，冬天最低主變油溫約32 ℃，比冬季滿功率運(yùn)行時(shí)的油溫要低接近20 ℃。變壓器油溫過低，由于密封墊圈熱漲冷縮，容易導(dǎo)致變壓器相關(guān)連接部位滲油。

降低功率運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)負(fù)荷較低，產(chǎn)生的熱量低于滿功率時(shí)，發(fā)電機(jī)風(fēng)冷、轉(zhuǎn)子冷卻水、定子冷卻水的熱負(fù)荷降低，水溫及出口風(fēng)溫下降。巡檢時(shí)需關(guān)注轉(zhuǎn)子冷卻水、定子冷卻水、發(fā)電機(jī)風(fēng)溫參數(shù)，通過調(diào)節(jié)定子水冷卻器、轉(zhuǎn)子水冷卻器、發(fā)電機(jī)空冷器的投運(yùn)數(shù)量來保持在規(guī)程要求的范圍內(nèi)，保證發(fā)電機(jī)良好的工作條件。

3 結(jié)束語

通過對30萬kW機(jī)組為期一個月低功率運(yùn)行的堆芯數(shù)據(jù)的分析、二回路設(shè)備運(yùn)行狀況及參數(shù)的對比，在低功率下30萬kW機(jī)組能夠保持安全運(yùn)行，并對低功率運(yùn)行后恢復(fù)滿功率運(yùn)行的參數(shù)影響較小，由于功率水平的降低，慢化劑溫度的降低引入了正反應(yīng)性，如需更長時(shí)間運(yùn)行，可能影響循環(huán)燃耗，需要重新計(jì)算核實(shí)大修開始時(shí)間。

為了對長期低功率運(yùn)行提供質(zhì)量和安全保證，還需要進(jìn)行更多的專業(yè)分析論證，論證應(yīng)包絡(luò)或涉及的事故范圍、主要關(guān)注的關(guān)鍵安全參數(shù)和運(yùn)行控制要求，對燃料棒PCI 行為進(jìn)行了計(jì)算和分析,對最大允許低功率運(yùn)行天數(shù)進(jìn)行限制。