CPR1000核電機組調(diào)峰研究

李煥新

摘 要：本文簡述了世界核電機組發(fā)展現(xiàn)狀，中國核電機組參與電網(wǎng)調(diào)峰的必要性。結(jié)合國內(nèi)電網(wǎng)現(xiàn)狀論證了CPR1000機組參與調(diào)峰的可行性、主要調(diào)峰運行方式及調(diào)峰面臨的實際問題，分析給出了核電調(diào)峰的具體建議。

關(guān)鍵詞：核電；電網(wǎng)；調(diào)峰；負荷跟蹤

中圖分類號：TM623 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）07-0149-02

1 核電機組發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 世界核電現(xiàn)狀

截止2016年7月底，全球共有33個國家在運核電機組444座，裝機容量3.878億千瓦。另有14個國家正在建設(shè)62臺核電機組，總裝機容量為0.66億千瓦。27個國家計劃建設(shè)172臺核電機組，總裝機容量1.812億千瓦。2015年全球核電發(fā)電量約為2441TWh，約占全球總發(fā)電量的11.5%，核能發(fā)電占比連續(xù)三年回升。

截止2016年7月底，全國共有33臺在運核電機組，裝機容量29577MWe。21臺機組正在建設(shè)，裝機容量24036MWe。計劃建設(shè)42臺核電機組，總裝機容量48330MWe。2015年國內(nèi)核電發(fā)電量約為161.2TWh，約占國內(nèi)總發(fā)電量的3%，遠遠低于核電在全球電力供應(yīng)中的比例10%。

1.2 核電機組參與調(diào)峰的現(xiàn)狀

目前，國際上核電參與調(diào)峰大致有兩類，一類以美國、日本、加拿大、韓國等為代表的核電大國，核電裝機比例比較低，一般核電占比低于30%，調(diào)峰電源配置較為充足，基于核電運行安全性和經(jīng)濟性考慮，大部分核電機組不參與電網(wǎng)的日負荷跟蹤，而是采用基負荷運行。另一類以法國為代表，核電裝機比例大，核電裝機容量占總裝機容量的70%以上，除核電之外的調(diào)峰手段有限，法國核電機組都具有日負荷跟蹤能力，但盡量控制參與調(diào)峰的機組數(shù)和調(diào)峰頻率。

隨著國內(nèi)核電裝機比例逐漸提高，在某些地區(qū)核電裝機占地方電網(wǎng)裝機比例將達到10%～30%，核電機組的調(diào)峰能力日益成為影響系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行和電網(wǎng)安全的重要因素。同時，由于中國經(jīng)濟進入新常態(tài)，經(jīng)濟發(fā)展增速放緩，部分地區(qū)用電量增長緩慢甚至負增長。風(fēng)電太陽能等可再生能源大量投產(chǎn)，電力市場改革快速推進。核電上網(wǎng)形勢發(fā)生了巨大的變化，多種因素導(dǎo)致核電電力市場環(huán)境形勢嚴(yán)峻，全國各地核電機組均面臨不同程度的外部減載，某些地區(qū)核電機組需低功率運行參與調(diào)峰，甚至停機調(diào)峰。

2 CPR1000機組的調(diào)峰工作進展

2.1 遼寧電網(wǎng)調(diào)峰需求

CPR1000機組在遼寧電網(wǎng)現(xiàn)狀。受東北經(jīng)濟環(huán)境影響，遼寧電網(wǎng)負荷增長緩慢，2015年東北電網(wǎng)全社會用電同比甚至負增長，遼寧省全網(wǎng)全社會用電量同比下降超過2.5%，吉林、蒙東地區(qū)均出現(xiàn)負增長，區(qū)域電源裝機增速顯著高于同期用電負荷增長。供、用電矛盾突出。

從負荷特性上看，遼寧電網(wǎng)年負荷曲線總體呈扁平的U字形，年最大負荷一般出現(xiàn)在12月份，最小負荷一般出現(xiàn)的夏季5、6月份。冬季負荷相對較高，夏季負荷相對較低。日負荷特性曲線整體較有規(guī)律，晚上23：00-4：00為日負荷低谷，早10：00及下午16：00兩個時間點為負荷高峰。日峰谷差在200～600萬千瓦左右。

每年11月至次年3月底為東北供暖期，占全網(wǎng)裝機容量較大比重的火電機組開始供熱，系統(tǒng)總體調(diào)峰能力大幅下降，同時冬季日峰谷差較夏季大，冬季大風(fēng)季風(fēng)電容量較大負荷不穩(wěn)定。導(dǎo)致冬季遼寧電網(wǎng)調(diào)峰矛盾突出，需要核電機組積極配合參與調(diào)峰運行。

2.2 CPR1000機組調(diào)峰進展

核電機組參與調(diào)峰受到知識產(chǎn)權(quán)、技術(shù)能力、執(zhí)照申請、人員培訓(xùn)、現(xiàn)場改造等諸多因素的制約，項目實施難度大。在不違反FSAR、運行技術(shù)規(guī)范及相關(guān)執(zhí)照申請文件的前提下，通過優(yōu)化核電廠靈活性運行手段，力爭滿足電網(wǎng)調(diào)峰需求是目前工作的重中之重。經(jīng)過積極探索，CPR1000機組目前參與調(diào)峰的運行方式為調(diào)硼長期低功率運行、日負荷跟蹤、合理安排大修、臨時停機等。

3 CPR1000機組的調(diào)峰運行方式

3.1 長期低功率運行（ELPO）

長期低功率運行（ELPO）運行模式為功率補償棒組全部抽出且運行的反應(yīng)堆功率低于97%Pn，低功率運行持續(xù)時間超過12小時的運行模式。長期低功率運行是區(qū)別于基負荷運行的一種特殊的運行工況。

目前CPR1000機組長期低功率運行的特點是采用調(diào)硼的方式升降功率，可以在高于75%Pn功率的低功率運行平臺運行最長運行120個日歷天。在單次低功率運行結(jié)束，返回滿功率后，長期低功率運行裕度可以緩慢恢復(fù)，以便再次低功率運行。

長期低功率運行主要是應(yīng)對電網(wǎng)計劃性的短期負荷調(diào)節(jié)，在國家重大節(jié)日，極端惡劣天氣，供暖期等某些短時期電網(wǎng)低谷容量不足的情況下，通過安排核電機組計劃性長期低功率運行，適應(yīng)電網(wǎng)短期調(diào)峰需求。

長期低功率運行是CPR1000機組參與電網(wǎng)調(diào)峰最主要的運行方式，能滿足大部分情況下電網(wǎng)調(diào)峰需求，但長期低功率運行本身存在相應(yīng)的技術(shù)限制。第一是由于燃料芯塊包殼存在相互作用（PCI），導(dǎo)致長期低功率期間及低功率返回滿功率后，包殼芯塊應(yīng)變和應(yīng)力明顯增加，易導(dǎo)致燃料失效，加劇事故后果。為了減小對機組運行的不利影響，降低燃料失效概率，限制事故后果，對長期低功率運行時間和功率水平進行限制，在機組運行過程中計算長期低功率運行的允許功率水平和允許運行天數(shù)，控制長期低功率運行在設(shè)計允許的范圍內(nèi)。第二反應(yīng)堆受堆芯設(shè)計、燃耗分布、堆芯硼濃度、循環(huán)壽期末等堆芯特性參數(shù)影響，反應(yīng)堆軸向功率偏差（△I）控制困難，某些工況下無法通過調(diào)硼實現(xiàn)深度長期低功率運行，或者在長期低功率運行后無法返回滿功率。在軸向功率偏差控制困難情況下，禁止進行長期低功率運行。機組壽期末原則上也不允許進行長期低功率運行。

3.2 日負荷跟蹤（LP）

日負荷跟蹤，是機組功率跟蹤電網(wǎng)晝夜循環(huán)負荷變化，實時調(diào)整機組功率的一種運行方式，主要應(yīng)對電網(wǎng)日峰谷差調(diào)峰需求。目前核電機組還無法完全實時的跟蹤電網(wǎng)日負荷變化，主要通過典型的12-3-6-3運行方式進行日負荷跟蹤。12-3-6-3日負荷跟蹤是指在24小時之內(nèi)，基準(zhǔn)功率水平運行12小時以上，在3小時內(nèi)先行降功率到50%功率以上水平，持續(xù)時間小于6小時，然后在3小時內(nèi)返回到基準(zhǔn)功率水平。

日負荷跟蹤期間，12-3-6-3中的基準(zhǔn)功率水平運行時間必須大于等于12小時，3-6-3低功率運行時間相加必須小于12小時。

在CPR1000機組最終安全分析報告及相關(guān)核設(shè)計報告中，已經(jīng)進行日負荷跟蹤模式的功率能力論證和相關(guān)安全分析。證明進行日負荷跟蹤在理論上是可行的。

同樣，日負荷跟蹤也存在一系列技術(shù)限制，日負荷跟蹤幾乎包含了長期低功率運行所有的風(fēng)險，此外還有一些特殊的問題。因日負荷跟蹤一般通過插功率控制棒實現(xiàn)一回路跟隨二回路負荷變化，技術(shù)規(guī)范對功率控制棒插入堆內(nèi)時間有嚴(yán)格限制，任意24小時內(nèi)功率控制棒在堆內(nèi)的時間不能超過12小時。同時，因日負荷跟蹤期間機組在短時間負荷變化較為劇烈，容易引發(fā)堆芯氙振蕩，反應(yīng)堆軸向功率偏差（△I）控制困難，很容易由于因△I控制不當(dāng)導(dǎo)致超出運行范圍，或者功率控制棒插入堆內(nèi)時間超過12小時，違反技術(shù)規(guī)范產(chǎn)生運行事件。

此外，日負荷跟蹤會使得汽機調(diào)節(jié)系統(tǒng)供油管線振動加劇、閥門供油管線爆管風(fēng)險增大，會導(dǎo)致電動主給水系統(tǒng)、汽水分離再熱器系統(tǒng)、給水加熱器疏水回收系統(tǒng)等常規(guī)島泵的振動過大，增加設(shè)備損壞的風(fēng)險。給水流量擾動，高壓給水加熱器系統(tǒng)疏水波動導(dǎo)致跳機跳堆風(fēng)險增加。

因國內(nèi)核電機組沒有長時間系統(tǒng)性的日負荷跟蹤經(jīng)驗，需特別注意頻繁負荷跟蹤對ΔI控制、汽機調(diào)節(jié)系統(tǒng)閥門響應(yīng)等影響。國內(nèi)核電廠缺少日負荷跟蹤相關(guān)的輔助工具和配套程序，頻繁進行日負荷跟蹤有一定風(fēng)險。根據(jù)CPR1000機組實際情況，目前CPR1000機組12-3-6-3日負荷跟蹤運行連續(xù)運行天數(shù)一般不能超過三天，經(jīng)過三天的日負荷跟蹤后，需維持72小時基準(zhǔn)功率水平運行后，方能再次進行日負荷跟蹤。機組壽期末不允許進行日負荷跟蹤。

3.3 合理安排大修

核電機組與火電機組顯著不同點在于壓水堆核電廠需要定期進行換料大修。從新燃料組件的裝入到下次停機停堆換料稱之為一個燃料循環(huán)周期。目前通常采用18個月或12個月等換料周期。一般一次換料大修工期需要30～50天左右，換料期間機組停機，不具備隨時啟機能力。

通過合理安排大修，在電網(wǎng)年度用電負荷低谷進行大修，可以滿足電網(wǎng)年度負荷特性調(diào)峰需求。遼寧電網(wǎng)冬季和大風(fēng)季節(jié)電力嚴(yán)重過剩，通過合理優(yōu)化換料方式和換料大修安排，將核電機組換料盡量安排在大風(fēng)季和供暖期大修，提高電網(wǎng)可調(diào)電源比例，增大系統(tǒng)的調(diào)峰能力。目前每年至少安排一臺機組在冬季大修。

同時，在核電站臨近壽期末停堆大修，但電網(wǎng)有需求，需要核電廠繼續(xù)發(fā)電情況下，核電廠可以一定時間內(nèi)延遲停堆大修。通過進行壽期末延伸運行或滑功率功率，可以在機組到達設(shè)計燃耗后繼續(xù)運行15天左右，配合電網(wǎng)調(diào)峰需求。延伸運行與滑功率運行依靠慢化劑溫度或功率下降提供的反應(yīng)性繼續(xù)功率運行。運行控制難度較大，對核電廠運行控制的要求較高。

3.4 臨時停機

在電網(wǎng)負荷容量嚴(yán)重不足，通過其他手段無法滿足調(diào)峰要求情況下，核電廠可以采取臨時停機調(diào)峰的方式配合電網(wǎng)調(diào)峰。

4 核電廠壽期末機組調(diào)峰

機組進入循環(huán)壽期末，堆芯后備反應(yīng)性逐漸減小，一回路硼濃度逐漸下降以補償堆芯反應(yīng)性消耗。堆芯在壽期末段，后備反應(yīng)性消耗殆盡，已無可控手段增加反應(yīng)性補償氙毒和釤毒瞬態(tài)增加的變化，一旦降功率后堆功率將隨毒性的逐漸增強而不可控地降低，嚴(yán)重時甚至?xí)M入次臨界停堆狀態(tài)（稱為落入“碘坑”），從而失去自由調(diào)節(jié)功率的能力。同時，在壽期末，氙振蕩比壽期初更加劇烈，導(dǎo)致軸向功率偏差的振蕩也更加難以控制，在壽期末更要避免功率的波動。負荷調(diào)節(jié)使操縱員對△I的控制變得非常困難，超出運行點的風(fēng)險比穩(wěn)定運行時大很多。因此，CPR1000機組80%燃耗后，禁止進行日負荷跟蹤。同時，除非機組不需要返回滿功率，壽期末一般也不進行長期低功率運行。

CPR1000機組在壽期末因意外原因停堆需要重新啟動時，機組控制也面臨較大的困難。某次壽期末重新升功率時，在功率較低時堆芯功率峰在上部，軸向功率偏差（ΔI）偏正的比較嚴(yán)重，這給機組控制帶來極大困難。通過提棒和稀釋升功率，升功率速率按1.5MW/分鐘計算，理論ΔI走勢圖如圖1所示。在48%FP功率平臺以下時，ΔI一直在Ⅱ區(qū)，且十分接近右絕對限制線。升功率至50%FP以上前，需要在48%FP平臺至少停留4個小時，等待ΔI緩慢掉頭進入Ⅰ區(qū)后方能繼續(xù)升功率。如理論預(yù)測或現(xiàn)場控制出現(xiàn)偏差，極容易導(dǎo)致ΔI超出運行圖或者觸發(fā)負荷速降報警信號（C21），導(dǎo)致汽機快速降負荷，嚴(yán)重影響機組安全。

5 結(jié)語

隨著國內(nèi)核電裝機比例逐漸提高，核電機組的調(diào)峰能力日益成為影響電網(wǎng)系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行的重要因素。冬季遼寧電網(wǎng)調(diào)峰矛盾突出，需要CPR1000機組積極配合參與調(diào)峰運行，積極研究多種運行方式配合電網(wǎng)調(diào)峰。通過長期低功率運行方式，適應(yīng)電網(wǎng)短期調(diào)峰需求。通過日負荷跟蹤應(yīng)對電網(wǎng)日峰谷差調(diào)峰需求。通過合理安排大修應(yīng)對電網(wǎng)年度或季節(jié)性負荷調(diào)峰需求。在無法通過其他手段滿足調(diào)峰要求情況下，采取臨時停機的方式配合電網(wǎng)調(diào)峰。

CPR1000機組具備參與電網(wǎng)調(diào)峰的能力，但核電機組在某些特定的條件下參與調(diào)峰風(fēng)險較大，如壽期末進行機組長期低功率運行、長期日負荷跟蹤運行等。應(yīng)盡量保證核電機組的基荷運行，因為某些不可抗力需要核電機組進行負荷調(diào)整時，適當(dāng)參與調(diào)峰。