AP1000核電機組與抽水蓄能電站聯合運行研究

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濟型，當前國內建成投運的核電機組在臨界并網后均采用帶基本負荷運行也就是滿功率運行，然而，隨著核電機組容量的不斷增大，核電機組發電量占總發電量的比例也不斷增加，電力系統調峰形勢越來越嚴峻，這一點在一些電量需求不大的省份尤為明顯，因此，后續新建的核電機組將面臨著比較嚴重的調峰運行壓力。

目前世界上運行的壓水堆核電機組已有幾十年的日負荷跟蹤運行經驗，在此期間這些參與日負荷跟蹤的電站均安全穩定運行，驗證了壓水堆的可靠性及日負荷跟蹤運行的可行性。在核電占電網總裝機容量比重很大的法國（78%）、韓國（42%）、日本（36%）、美國（20%），核電機組都要適當地滿足電網調峰的要求。中國在建和擬建的核電廠廣泛采用新一代核電機組AP1000，其采用機械補償燃耗的負荷調節形式，具有很好的負荷跟蹤能力，還應用非能動理念設置安全系統和主要設備，具有良好的動態性能，能夠滿足參與電網調峰的需要。核電機組的調峰運行可能會對機組的安全性和經濟性造成影響，而抽水蓄能電站具有良好的調峰性能，二者聯合運行將能更好地滿足電力系統的需要，并保證核電機組帶基荷穩定運行。通過研究AP1000核電機組調峰運行的特性及影響因素，提出核電機組直接參與電網日負荷調峰及核電與抽水蓄能機組聯合運行調峰的運行模式。

1 AP1000核電機組的功率調節方式

傳統的壓水堆核電站運行中一般采用控制棒和硼濃度作為控制量來實現反應堆的負荷跟蹤控制，其中控制棒控制的是快速的反應性變化，主要用于補償燃耗、堆芯毒物的反應性變化。AP1000主要依靠M棒組調節堆芯反應性快速變化，OA棒組控制堆芯功率分布，可以實現較快的功率響應，而且一回路此時不會產生大量的廢水廢液，增加三廢系統的運行壓力。因此，它的設計可以適應電網的快速調峰、調頻任務。AP1000有三種運行控制模式，分別為基本負荷模式、負荷跟蹤模式和負荷調節模式。基本負荷模式維持電廠在滿功率狀態下全天運行。負荷跟蹤模式需要跟蹤+10%～-10%階躍變化和+5%/min～-5%/min線性變化的瞬態工況，并考慮“12-3-6-3制的負荷日循環方式”。所謂“12-3-6-3制的負荷日循環方式”是指在每晝夜內，負荷從高到低，在低谷期間運行一段時間，再返回到高負荷，如此每日循環。即在100%負荷運行12h，用3h由100%降到50%，在低谷運行6h后，再用3h恢復到100%負荷。負荷調節模式，也叫頻率控制模式，是指變化速率為2%/min的總幅度不超過10%的功率變化。控制頻率用于響應電網頻率變化。

1.1 負荷調節介紹

負荷調節模式的存在允許AP1000機組在功率大于90%時參與電網調頻。負荷調節工況下控制棒根據冷卻劑平均溫度和參考溫度之間差值進行移動來調節反應堆功率，當冷卻劑平均溫度大于參考溫度時控制棒下插，當反應堆冷卻劑平均溫度小于參考溫度時，控制棒上提，提升反應堆功率。其中控制棒能夠控制的反應堆功率為10%，旁路排放系統能夠控制的反應堆功率是40%，快速降功率系統能夠控制的反應堆功率是50%。負荷調節模式下，冷卻劑平均溫度控制死區會延展，ΔI運行區被放寬，降低系統靈敏性，減少由于機組參與調頻引入微小擾動導致的控制棒棒組頻繁動作，減少棒組的磨損和堆芯功率分布的擾動。這樣的靈活控制方式不僅能很好的實現負荷跟蹤同時也能降低機械部件的磨損。

1.2 AP1000參與調峰的必要性

由于AP1000機組具備負荷跟蹤能力和自動負荷循環能力，并且可采用不調硼負荷跟蹤模式，具有良好的動態性能。根據AP1000機組所在地區的電網負荷情況不排除該類型核電廠參與電網調峰的可能性。

2 核電與抽水蓄能電站聯合運行的必要性

即便AP1000核電機組具有很好的負荷響應能力，但是我們還是優先考慮電站帶基本負荷運行。壓水堆核電機組不利于參加調峰的特性表現在：（1）控制棒插入過深將引發局部功率峰，降低安全裕量；（2）調節硼濃度會造成放射性水的產生和排放等系列問題；（3）中毒效應對堆功率改變有瞬態影響；（4）堆芯在壽期末將逐步失去跟蹤負荷或參與調峰的能力；（5）燃料芯塊與包殼的相互作用使反應堆升降功率的速率低于（3%Pn）/min。在安全性上，核電機組調峰對常規島設備的安全、壽命有負面影響，對核蒸汽供應系統的個別組件帶來金屬低周疲勞、燃料包殼與芯塊的相互作用問題，這限制了反應堆調峰的深度與速度。在經濟性上，核電機組調峰降低了其經濟性。

2.1 核蓄聯合運行的優越性

為了提高電網和核電廠的安全性，采用抽水蓄能電站調峰輔助核電運行的方式，首先抽水蓄能機組是核電按基本負荷運行的有利保障，核電機組要帶基本負荷運行，必須要解決調峰問題，若電網中水電比重不大，火電調峰能力有限，則只能靠抽水蓄能機組，因為它具有調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，保持核電機組完好性對核電廠安全有重要意義，而核電廠長期穩定運行是保證核電機組完好性的有利保障。為了做到這一點，在電網中配合抽水蓄能電站可以避免核電機組頻繁升降負荷，大大節省了瞬變消耗，提高核電運行設備的安全裕度。

2.2 核蓄聯合運行原則

核電機組帶基荷運行，充分發揮抽水蓄能的調節作用，二者聯合，也就是核蓄聯合運行方式。運行的總出力率曲線有效跟蹤日負荷率曲線變化。核蓄聯合運行模式可分為3類：（1）完全跟蹤模式。核蓄聯合機組出力率完全跟蹤電網日負荷率曲線；（2）三段制跟蹤模式。根據電網日負荷曲線將一天劃分為峰、平、谷3個時段，每個時段內，核蓄機組出力不變，核蓄聯合機組的平均出力率與電網平均負荷率一致；（3）不完全跟蹤模式。核蓄聯合有多種不完全跟蹤方式，考慮典型方式：抽水蓄能機組的抽水容量和總發電容量均為其全部容量，電網負荷高峰時發電，負荷低谷時抽水，日抽水電量與日發電量平衡；核蓄聯合機組的日平均出力率與電網日平均負荷率一致。

3 結論

（1）AP1000機組具有多種負荷調節能力，在高功率投運負荷調節控制方式時具有良好的調峰能力，能夠控制階躍10%和變化速率小于5%/min的負荷變化情況，AP1000機組具有更優越的運行性能和更加靈活的運行方式，作為核電廠的運行人員，掌握AP1000機組負荷調節模式的設計特點，熟悉其對電廠系統運行的影響會有助于全面理解AP1000的先進技術，指導今后AP1000的運行實踐，極大地提升核電的安全穩定性及調峰能力。

（2）核電與抽水蓄能機組聯合運行可很好地滿調峰的要求，并能保證核電機組帶基本負荷安全運行，具有較高的安全性和經濟性。核蓄一體化聯合運營模式將會提高電力系統的運轉效率，增強調節靈活性并提高可靠性。