大型核電壓水堆的負荷跟蹤控制模式分析

錢耀　呂迪

摘 要：隨著我國核能發展的加快，核電在電網中的比重逐漸增大，核電站參與電網調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，指出了發展核電負荷跟蹤運行的可行性和必要性，為改良我國現有主流機組的控制模式提供參考。

關鍵詞：電網調峰；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，直到現在70余年之間核能技術迅速發展，在世界上得到越來越廣泛的應用。因為煤炭、石油等能源價格經常受到國際軍事沖突和政治外交的影響，環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績和技術改進，以及核能的清潔、經濟、安全、高熱值等優點使得世界上許多國家把發展清潔能源的注意力轉向核能，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，隨著我國環保觀念和安全意識的逐步增強，提高對可持續發展的要求，核能發電作為現在唯一可大規模替代化石能源且清潔可靠的發電形式，在我國電力系統中所占的比例越來越大。現而今，社會逐漸增加了對核電的青睞，核能成為能源發展的支柱也將是能源結構調整的必然。但核電站不參與調峰調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

由于工業分布導致的電力需求使南方電網和華東電網的容量巨大，局部電力還常年短缺，鑒于國家電力系統相關政策的照顧，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調峰，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發電，尤其是百萬千瓦級別大型機組的加盟，核電裝機容量在區域電網中所占的比重會越來越大。此外，今后發電市場競爭規則會進一步完善，而電網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中勢必也要進行負荷跟蹤運行。電網中谷峰特征十分明顯的典型日負荷變動曲線如圖1所示。

電網每日的負荷波動都具有一定的規律性，從運行技術上看，參與并網發電的各類機組都需具備負荷跟蹤能力。任何發電形式的電站收益都直接取決于年發電量，因此均希望帶基本負荷運行，但參與電網日負荷的調節是發電市場商業化競爭的要求。根據圖1所示的典型日負荷變化規律，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整速度維持在較小范圍內，同時滿足電網負荷的變化需求；還可以根據電網和核電站雙方的實際情況改變調峰的深度和速度，應用其他的調峰模式。

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，并已有實現壓水堆核電廠負荷跟蹤商業運行的技術和成熟經驗。引進法國技術并進行技術改進所設計的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生不利的影響。

3.2 T模式

EPR在G模式的基礎上，結合運行操作經驗反饋、做了進一步的優化和改進，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，調節棒有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，根據控制需要，從P2依序到P5可自動轉變用于ACT控制。概括言之，EPR反應堆控制系統這些變化主要是在A模式基礎上、結合運行操作經驗反饋改進而成。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

調整硼濃度的優點是對堆芯功率分布影響小，但操作技術難度大，產生的廢液多，尤其是到壽期末時，調控效果不顯著，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，近年來出現的三代核電技術中，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 結語

負荷跟蹤技術的實質就是核電廠在運行中，按照電網的需求發出功率；從滿足電網要求方面看，主要的問題是堆跟機的升/降負荷速率、旋轉備用能力等；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，控制手段已從經典控制向多變量控制、最優控制和智能化方向發展；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；負荷跟蹤技術從環保要求方面看，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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