負(fù)荷跟蹤機(jī)械補(bǔ)償運(yùn)行策略研究

葉 青，楊 波，湯春桃，黨哈雷

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海200233)

負(fù)荷跟蹤機(jī)械補(bǔ)償運(yùn)行策略研究

葉 青，楊 波，湯春桃，黨哈雷

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海200233)

經(jīng)濟(jì)、靈活及與電網(wǎng)匹配的運(yùn)行控制是先進(jìn)核電廠的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一。本文對(duì)核電廠典型的控制模式和機(jī)械補(bǔ)償運(yùn)行控制策略進(jìn)行了介紹，進(jìn)一步以機(jī)械補(bǔ)償設(shè)計(jì)理念為基礎(chǔ)，研究分析了其在各種負(fù)荷跟蹤模式下的運(yùn)行特性。分析結(jié)果表明，采用機(jī)械補(bǔ)償運(yùn)行策略可實(shí)現(xiàn)多種模式下的負(fù)荷跟蹤運(yùn)行，并且在絕大部分壽期內(nèi)可實(shí)現(xiàn)URD要求的50%額定功率以上不調(diào)硼日間負(fù)荷跟蹤運(yùn)行。且在滿足功率負(fù)荷變化及能量輸出需求的前提下，功率峰因子還具有足夠的裕量。由此說明機(jī)械補(bǔ)償運(yùn)行策略可以較大幅度地提升電廠的運(yùn)行靈活性、經(jīng)濟(jì)性以及與電網(wǎng)匹配的適應(yīng)性。

機(jī)械補(bǔ)償；負(fù)荷跟蹤；負(fù)荷調(diào)節(jié)

核電廠在基本負(fù)荷模式下運(yùn)行具有最大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)能較為容易地實(shí)現(xiàn)電廠的有效控制。目前我國(guó)的整個(gè)電力市場(chǎng)中核電所占比重很小，可以不參與電網(wǎng)調(diào)峰。但是隨著核電市場(chǎng)份額的逐漸增大，以及風(fēng)能等間歇性供電能源的并網(wǎng)，核電廠被要求更多的參與電網(wǎng)調(diào)峰，這對(duì)核電廠的運(yùn)行控制方式以及負(fù)荷跟蹤運(yùn)行能力提出了更高的要求。在壓水堆核電廠發(fā)展初期，基于硼的功率調(diào)節(jié)方式A模式被廣泛應(yīng)用。隨著對(duì)核電廠負(fù)荷跟蹤能力要求的提高，采用黑棒和灰棒進(jìn)行功率控制的G模式被提出。后來，為了對(duì)軸向功率分布進(jìn)行更好的控制，法國(guó)提出了X模式。美國(guó)用戶要求文件(URD，Utility Requirements Document[1])對(duì)核電廠的一項(xiàng)要求是：在大部分壽期內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)50%額定功率的不調(diào)硼負(fù)荷跟蹤運(yùn)行。為了適應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì)，機(jī)械補(bǔ)償運(yùn)行控制理念被提出。機(jī)械補(bǔ)償是一種主要依靠控制棒進(jìn)行反應(yīng)性和功率分布控制的快速精確的先進(jìn)控制策略，能夠提高電廠運(yùn)行的靈活性和經(jīng)濟(jì)性，以滿足URD對(duì)負(fù)荷跟蹤運(yùn)行的要求。

1 核電廠運(yùn)行控制模式

核電廠功率的改變將引起燃料和慢化劑溫度、氙濃度和氙分布，以及軸向功率分布的改變。核電廠應(yīng)采用合理的運(yùn)行控制策略補(bǔ)償堆芯反應(yīng)性的變化，控制堆芯軸向功率分布在合理的范圍之內(nèi)。目前核電廠運(yùn)行控制模式主要包括：A模式、G模式、X模式[2]和機(jī)械補(bǔ)償控制模式[3-5]。

1.1 A模式

在壓水堆發(fā)展初期，核電廠主要以基本負(fù)荷模式運(yùn)行，基于硼的功率調(diào)節(jié)方式(A模式)被廣泛應(yīng)用。在該模式中，控制棒被同時(shí)用于堆芯冷卻劑平均溫度和軸向功率偏差的控制，化學(xué)和容積控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)堆芯硼濃度補(bǔ)償燃料燃耗、氙以及功率變化引起的反應(yīng)性變化。在負(fù)荷跟蹤過程中，由于控制棒為黑棒，限值了其插入堆芯的深度，因此其對(duì)堆芯反應(yīng)性的調(diào)節(jié)能力非常有限，主要還是通過硼濃度的改變實(shí)現(xiàn)功率的調(diào)節(jié)。因此，功率調(diào)節(jié)速率將受到化學(xué)和容積控制系統(tǒng)的限制，且隨著燃耗的加深，功率調(diào)節(jié)能力將大為減弱，產(chǎn)生的廢水量也將大幅上升。在負(fù)荷跟蹤過程中需要頻繁調(diào)節(jié)堆芯硼濃度，不僅會(huì)產(chǎn)生大量含硼廢水，還極大地增加了操縱員的負(fù)擔(dān)。

1.2 G模式

隨著核電市場(chǎng)份額的增加，核電廠需要參與電網(wǎng)調(diào)頻，因此必須具備快速負(fù)荷跟蹤能力。快速負(fù)荷跟蹤的實(shí)現(xiàn)必須依靠于控制棒。堆芯功率大范圍快速的變化，需要控制棒組較深地插入堆芯。而黑棒較深的插入堆芯將引起功率分布的畸變，從而導(dǎo)致堆芯安全裕量降低至不可接受的程度。G模式采用中子吸收效率較低的灰棒和黑棒補(bǔ)償快速功率變化引起的反應(yīng)性變化。正常運(yùn)行時(shí)，堆芯冷卻劑溫度調(diào)節(jié)引起的微小反應(yīng)性變化由主調(diào)節(jié)棒(黑棒)進(jìn)行控制。當(dāng)反應(yīng)堆功率降低時(shí)，堆芯冷卻劑溫度發(fā)生變化，導(dǎo)致軸向功率分布向堆芯上部偏移，而灰棒的插入將使得軸向功率向下偏移，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)軸向功率分布的有效控制。灰棒的引入使得G模式中使用的硼酸量小于A模式。G模式可以較快地實(shí)現(xiàn)較大范圍的功率調(diào)節(jié)，減少了廢水的產(chǎn)生；有效地實(shí)現(xiàn)了功率偏移的控制。但是在降功率和低功率運(yùn)行過程中，仍然需要調(diào)節(jié)堆芯硼濃度以補(bǔ)償氙毒引起的反應(yīng)性變化，該過程需要操縱員高度關(guān)注堆芯狀態(tài)，并預(yù)測(cè)反應(yīng)性變化趨勢(shì)。反應(yīng)性控制和軸向功率分布控制未實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制，不易實(shí)現(xiàn)堆芯的自動(dòng)控制。

1.3 X模式

為了提高機(jī)組的操作靈活性，并實(shí)現(xiàn)對(duì)軸向功率偏移更好地加以控制，法國(guó)開發(fā)了X模式。其采用控制棒控制軸向功率偏差和冷卻劑平均溫度，同時(shí)采用硼酸補(bǔ)償氙和燃料燃耗引起的慢反應(yīng)性變化。控制棒軸向位置采用重疊布置方式，X1棒組(灰棒)位于堆芯下半部，X2棒組(黑棒)位于堆芯上半部。兩組棒同時(shí)移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)軸向功率偏差的有效控制。在X模式中，所有控制棒組均用于調(diào)節(jié)冷卻劑溫度，使得冷卻劑平均溫度與參考溫度的偏差在±0.8℃以內(nèi)，X1和X2棒組用于控制AO，使得堆芯AO與目標(biāo)值偏差在±1%以內(nèi)。

X模式提高了堆芯運(yùn)行的靈活性，并較大程度地降低了運(yùn)行過程中廢水的產(chǎn)生，同時(shí)有效地實(shí)現(xiàn)了軸向功率偏移的控制，避免氙振蕩的產(chǎn)生。但是，X模式控制相當(dāng)復(fù)雜，而且部分控制棒插在堆芯下半部，增加了燃料軸向燃耗的不規(guī)則性。

1.4 機(jī)械補(bǔ)償運(yùn)行控制策略

機(jī)械補(bǔ)償運(yùn)行控制策略以常軸向偏移控制方式為基礎(chǔ)，采用兩種功能獨(dú)立的控制棒組(M棒組和AO棒組)分別進(jìn)行堆芯反應(yīng)性和軸向功率偏移的控制。M棒組采用價(jià)值相對(duì)較低的灰棒進(jìn)行堆芯反應(yīng)性控制，AO棒組采用價(jià)值相對(duì)較高的黑棒進(jìn)行堆芯軸向功率部分的控制。核電廠在負(fù)荷跟蹤運(yùn)行模式下，灰控制棒組依照一定策略較為精確地控制堆芯慢化劑平均溫度，快速補(bǔ)償因燃料溫度、慢化劑溫度和氙變化等因素引起的反應(yīng)性變化。為了避免在反應(yīng)性控制過程中控制棒的移動(dòng)對(duì)堆芯軸向功率分布造成較大的擾動(dòng)，灰控制棒組采用了鎢作為中子吸收體，以降低控制棒價(jià)值，M棒組共布置了四組，以滿足在較大范圍的負(fù)荷跟蹤過程中的反應(yīng)性控制。AO棒組用于自動(dòng)控制功率變化過程中堆芯軸向通量偏差在所要求的目標(biāo)值附近，由于AO棒組價(jià)值較大，為了避免其對(duì)堆芯反應(yīng)性造成較大的擾動(dòng)，AO棒組通常插入堆芯較淺。由于堆芯反應(yīng)性和軸向功率分布分別由M棒組和AO棒組進(jìn)行獨(dú)立控制，因此機(jī)械補(bǔ)償運(yùn)行方式可由棒控系統(tǒng)自動(dòng)控制。

在負(fù)荷跟蹤運(yùn)行中，機(jī)械補(bǔ)償運(yùn)行控制策略依靠控制棒進(jìn)行堆芯功率水平和軸向功率分布的自動(dòng)精確控制，不需要或者很少進(jìn)行堆芯硼濃度的調(diào)節(jié)，幾乎消除過程中廢水的產(chǎn)生，極大地減輕了操縱員的負(fù)擔(dān)。但是該運(yùn)行模式對(duì)堆芯設(shè)計(jì)和棒控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求較高，目前國(guó)際上還沒有機(jī)械補(bǔ)償運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

2 負(fù)荷跟蹤機(jī)械補(bǔ)償運(yùn)行研究

為了檢驗(yàn)機(jī)械補(bǔ)償運(yùn)行控制策略對(duì)電廠控制的有效性，研究其在負(fù)荷跟蹤過程中對(duì)堆芯核特性的影響，本文對(duì)某百萬千瓦級(jí)核電廠負(fù)荷跟蹤過程機(jī)械補(bǔ)償運(yùn)行控制策略進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1 模擬的運(yùn)行模式

根據(jù)美國(guó)用戶要求文件(URD)要求，電廠應(yīng)具有如下的24h日間負(fù)荷循環(huán)跟蹤的能力：在2h內(nèi)功率從100%線性下降至50%并在50%功率保持2～10h，再在2h內(nèi)從50%功率線性增加至100%并在其余時(shí)間保持100%功率。此外為了適應(yīng)多種電網(wǎng)調(diào)峰運(yùn)行要求，充分考慮電廠運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性，核電廠可以考慮如下幾種負(fù)荷跟蹤模式：

(1) 日間階躍負(fù)荷跟蹤：電廠在短時(shí)間內(nèi)將功率下降至目標(biāo)水平，在完成低功率運(yùn)行后以較快速度恢復(fù)至額定功率，該負(fù)荷跟蹤模式的最大功率變化率為5%RTP/min，該運(yùn)行模式是衡量電廠快速負(fù)荷響應(yīng)的重要指標(biāo)。

(2) 負(fù)荷調(diào)節(jié)：通常情況下，電網(wǎng)頻率會(huì)由于用電負(fù)荷的變化產(chǎn)生相對(duì)較小但十分快速的波動(dòng)，為了適應(yīng)電網(wǎng)這一特性，核電廠應(yīng)具備快速負(fù)荷調(diào)節(jié)能力。

(3) 周末降功率運(yùn)行：周末時(shí)用電量通常保持在較低水平，為了適應(yīng)電網(wǎng)要求，電廠應(yīng)具備在整個(gè)周末期間降功率運(yùn)行，并在新一周開始后平穩(wěn)恢復(fù)到基負(fù)荷運(yùn)行模式的能力。

(4) 連續(xù)日間漸變負(fù)荷跟蹤：電廠在特定情況下實(shí)施以天為單位連續(xù)的負(fù)荷跟蹤運(yùn)行，期間電廠可根據(jù)實(shí)際需要選擇每天的功率變化形式，該運(yùn)行模式是衡量核電廠連續(xù)負(fù)荷調(diào)節(jié)能力的重要指標(biāo)。

本文采用機(jī)械補(bǔ)償運(yùn)行策略對(duì)某百萬千瓦級(jí)壓水堆核電廠進(jìn)行了日間負(fù)荷漸變跟蹤、日間負(fù)荷階躍跟蹤模式、日間負(fù)荷調(diào)節(jié)模式、周末降功率運(yùn)行模式、連續(xù)負(fù)荷跟蹤模式(連續(xù)兩天)的模擬。

日間負(fù)荷漸變跟蹤模式考慮了不同的功率變化幅度(70%、50%以及30%額定功率)以及不同的功率變化速率，詳細(xì)的日間負(fù)荷漸變跟蹤模式如表1所示。

表1 日間負(fù)荷漸變跟蹤模式

注：① 即負(fù)荷跟蹤過程中，在3h內(nèi)由100%功率降至70%功率，在此功率水平停留6h，之后在3h內(nèi)回升至100%功率，其余時(shí)間均在滿功率狀態(tài)。

日間負(fù)荷階躍跟蹤模式考慮了典型的功率變化幅度(50%額定功率)，并假設(shè)功率變化速率達(dá)到了設(shè)計(jì)最大值(5%RTP/min)。

對(duì)于負(fù)荷調(diào)節(jié)模式，本文在模擬時(shí)考慮了電網(wǎng)頻率波動(dòng)的隨機(jī)性，使用隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生堆芯波動(dòng)的功率變化曲線。功率在90%～100%范圍內(nèi)以不超過5%RTP/min的速率變化。

在周末降功率運(yùn)行模式的模擬中，假定在周末將要開始時(shí)堆芯在3h內(nèi)功率由100%RTP降至50%RTP，并在整個(gè)周末期間以50%RTP的低功率運(yùn)行54h，而后在新一周工作時(shí)間將要到來之前，經(jīng)過3h重新恢復(fù)至滿功率。

連續(xù)日間漸變負(fù)荷跟蹤模式以某個(gè)典型的100-50-100負(fù)荷漸變跟蹤模式為基礎(chǔ)，進(jìn)行了連續(xù)十天的負(fù)荷跟蹤模擬。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

圖1～圖4分別給出了典型的連續(xù)日間漸變負(fù)荷跟蹤運(yùn)行、日間階躍負(fù)荷跟蹤運(yùn)行、負(fù)荷調(diào)節(jié)運(yùn)行以及周末降功率運(yùn)行過程中堆芯重要核特性參數(shù)的計(jì)算結(jié)果。

圖1 典型的連續(xù)負(fù)荷漸變跟蹤100-50-100(12-3-6-3)機(jī)械補(bǔ)償運(yùn)行計(jì)算結(jié)果Fig. 1 Typical Continuous Power Ramp Load Follow 100-50-100(12-3-6-3)Mechanical Shim Operation Results

圖2 典型的負(fù)荷階躍跟蹤機(jī)械補(bǔ)償運(yùn)行模擬計(jì)算結(jié)果Fig.2 Typical Step Pulse Load Follow Mechanical Shim Operation Results

圖3 典型的負(fù)荷調(diào)節(jié)機(jī)械補(bǔ)償運(yùn)行模擬計(jì)算結(jié)果Fig.3 Typical Load Regulation Mechanical Shim Operation Results

圖4 典型的周末降功率機(jī)械補(bǔ)償運(yùn)行模擬結(jié)果Fig.4 Typical Weekend Power Descending Mechanical Shim Operation Results

模擬結(jié)果表明，反應(yīng)堆在進(jìn)行各種模式的負(fù)荷跟蹤運(yùn)行中，堆芯的功率峰因子(如FΔH和FQ)在考慮相應(yīng)不確定性后均在所要求的設(shè)計(jì)限值之內(nèi)，堆芯具有足夠的安全裕量。在大部分負(fù)荷跟蹤運(yùn)行期間(50%額定功率以上的負(fù)荷跟蹤模式、日間負(fù)荷調(diào)節(jié)模式、連續(xù)負(fù)荷跟蹤模式)，M棒組和AO棒組可始終保持足夠的調(diào)節(jié)能力，將控制參數(shù)(如慢化劑平均溫度和軸向功率偏移ΔI)維持在較小的范圍之內(nèi)，且不突破插入極限和提升極限，因而無需化容系統(tǒng)投入運(yùn)行。在部分負(fù)荷跟蹤模式中(包括某些壽期燃耗30%額定功率負(fù)荷跟蹤模式、日間負(fù)荷階躍跟蹤模式、周末降功率運(yùn)行模式)，由于功率變化速率更快、功率變化范圍更大或降功率運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)，導(dǎo)致堆芯的氙瞬態(tài)效應(yīng)很強(qiáng)烈，導(dǎo)致控制棒組無法提供足夠的控制能力，此時(shí)需要綜合運(yùn)用機(jī)械補(bǔ)償控制策略和化容系統(tǒng)的調(diào)硼能力，以實(shí)現(xiàn)上述較極限的負(fù)荷跟蹤模式。但此時(shí)所需的調(diào)硼次數(shù)也僅需1～2次。不同負(fù)荷跟蹤運(yùn)行下的調(diào)硼情況如表2所示。所有模擬的負(fù)荷跟蹤運(yùn)行結(jié)果的功率峰因子均在設(shè)計(jì)限值之內(nèi)，并有一定的裕量，最低約為5%。

表2 不同負(fù)荷跟蹤運(yùn)行下的調(diào)硼情況

3 結(jié)論與建議

本文對(duì)核電廠典型的負(fù)荷跟蹤運(yùn)行控制策略進(jìn)行了簡(jiǎn)要的比對(duì)，并針對(duì)機(jī)械補(bǔ)償運(yùn)行控制策略模擬了各種負(fù)荷跟蹤運(yùn)行，研究了相應(yīng)的堆芯核特性。計(jì)算分析結(jié)果表明，機(jī)械補(bǔ)償運(yùn)行控制策略具有強(qiáng)健的堆芯反應(yīng)性控制能力，可實(shí)現(xiàn)多種負(fù)荷跟蹤運(yùn)行控制，可大幅提升電廠的運(yùn)行靈活性以及與電網(wǎng)匹配的適應(yīng)性。此外，機(jī)械補(bǔ)償運(yùn)行控制策略可以在大部分壽期內(nèi)絕大部分情況下的負(fù)荷跟蹤運(yùn)行中不調(diào)節(jié)堆芯可溶硼濃度，可實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化的負(fù)荷跟蹤運(yùn)行，并可大幅減少甚至避免在負(fù)荷跟蹤運(yùn)行期間產(chǎn)生含硼廢水，對(duì)核電廠運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性有較大好處。

考慮到機(jī)械補(bǔ)償運(yùn)行控制策略相對(duì)復(fù)雜的設(shè)計(jì)，后續(xù)還將從便于核電廠實(shí)際運(yùn)行操作和控制的角度對(duì)負(fù)荷跟蹤機(jī)械補(bǔ)償運(yùn)行模式開展進(jìn)一步的研究。

[1] Advanced Light Water Reactor Utility Requirements Document，Volume III ALWR Passive Plant，1999.

[2] Technical and Economic Aspects of Load Following with Nuclear Power Plants，NEA/OECD，2011.

[3] Fausto Franceschini，Bojan Petrovic. Advanced operational strategy for the IRIS reactor：Load follow through mechanical shim(MSHIM)[J]. Nuclear Engineering and Design，2008，238：3240-3252.

[4] Fausto Franceschini，Bojan Petrovic. Core physics analysis of 100% MOX core in IRIS [J]. Annals of Nuclear Energy. 2008，35：1587-1597.

[5] Robert J. Fetterman. AP1000 core design with 50% MOX loading [J]. Annals of Nuclear Energy. 2009，36：324-330.

Load-follow Mechanical Shim Operation Strategy Analysis

YE Qing，YANG Bo，TANG Chun-tao，DANG Ha-lei

(Shanghai nuclear engineering research & design institute，Shanghai 200233，China)

The operation and control strategy with economy，flexibility，and adaptability to match with the grid is the design objective of an advanced nuclear power plant. This paper describes the results of mechanical shim control strategy for various power change profiles based on the mechanical shim design concept. From this study，it is concluded that the mechanical shim operation strategy performs the load-following operation very well over a wide range of scenarios that are expected，and it fulfills the URD requirement that the power change above 50% of the rated power for a 24-hour load cycle can be performed without the soluble boron concentration adjustment during most of the fuel cycle. The power peaking factors have adequate margin. It is found from the results that the mechanical shim operation and control strategy will be robust enough to enhance the flexibility，economy，and adaptability to match with the grid of the nuclear power plant.

Mechanical shim；Load follow；Load regulation

2015-12-30

葉 青(1980—)，男，浙江省寧波人，工程師，碩士研究生，現(xiàn)主要從事反應(yīng)堆工程設(shè)計(jì)工作

TL36

A

0258-0918(2016)04-0459-06