秦山CP-300機組參與電網調峰的分析與探討

何建盼

【摘 要】隨著浙江電網負荷長期的連續增長，用電的峰谷差也逐步加大，另外隨著我國核電的大發展，浙江省內將陸續有多臺百萬機組投入商運。由于環保方面的問題和核電在電網中的比重逐年增加，造成了很多常規火電廠的停運。而這又最終導致電網峰谷之間的缺口高達2000至3000兆瓦，同時還一定程度上造成電網調壓、調頻等方面的問題。理論上反應堆都具有一定的負荷跟蹤能力以滿足電網用電需求，但實際運行中，由于核電的特殊性，它的負荷跟蹤能力會受到核安全等方面的一系列限制，所以需要做好權衡利弊。若CP-300機組參與調峰，本文從穩態和瞬態工況，對其安全性的影響進行分析，另外還介紹了幾種可能用于CP-300核電機組參與電網調峰的運行方式。

【關鍵詞】核電;調峰;CP-300

中圖分類號： TM623文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）13-0058-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.13.027

Analysis and Discussion of Qinshan CP-300 Power Grid Peaking Involved

HE Jian-pan

（China National Nuclear Poeration Management Co.Ltd ? operation division1， Jiaxing Zhejiang 314000， China）

【Abstract】At present， with the continuous growth of Zhejiang power grid load， the peak-to-valley difference of power consumption has gradually increased. In addition， with the development of Chinas nuclear power， there will be more than one million units in Zhejiang Province. Due to environmental problems and the increasing proportion of nuclear power in the power grid， many conventional thermal power plants have been shut down. This in turn leads to a gap between the peaks and valleys of the grid of 2，000 to 3，000 megawatts， and also causes problems in voltage regulation and frequency modulation to some extent. In theory， the reactor has a certain load tracking capability to meet the power demand of the grid. However， in actual operation， due to the particularity of nuclear power， its load tracking capability will be subject to a series of restrictions on nuclear safety， so it is necessary to weigh the pros and cons. If CP-300 unit participates in peak shaving， this paper analyzes the impact of steady state and transient conditions on its safety. It also introduces several possible operation modes for CP-300 nuclear power unit to participate in power grid peak shaving.

【Key words】Nuclear power; Peak shaving; CP-300

1 核電機組的運行狀況和參與調峰的分析

目前，從全球來看，核電在電網中的發電量占比約為10%。對我國而言，按照當前用電負荷逐年遞增的速率推算，預計2030年全國的用電量會達到約8.5萬億至10.5萬億千瓦。如果想把我國核電的比例提高到現在的世界平均水平，中國的核電總裝機容量還需要1.2億-1.5億千瓦。而這就意味著到2030年以前，每年需要開工建設的百萬核電機組就要有八臺。

隨著核電機組占的發電比重越來越大，電網遇到的調峰壓力也每況愈增。因為眾所周知的原因，核電站和火電站比，核電不管是在調峰負荷的大小還是速率方面都不占優勢，而且還要受到安全等很多其他方面的影響。

核電機組都會具備一定的負荷跟蹤能力，但是在核電廠參與調峰后，如何保證安全性是必須要面對的問題。事實上，核電站參與調峰在國外已經實踐了多年，法國和日本在這方面已經具備了一定的經驗，特別是日本還做了日負荷跟蹤。但總的原則無非是在電網負荷較低時，核電機組降功率運行，電網負荷增加時，核電機組升功率運行。同時考慮機組換料大修的周期，盡量避開電網的用電高峰，調峰的同時，兼顧了安全性和經濟性。

目前國內的核電機組還沒有日負荷跟蹤的運行經驗，但是秦山和大亞灣兩大核電基地在逢年過節期間的降功率運行，其實就已經是參與了電網調峰，只不過降的功率角有限，一般只將機組功率降到70%至80%。

2 壓水堆核電機組的運行特性

2.1 核電廠負荷跟蹤的控制

在設計中，反應堆都會有一定的負荷跟蹤能力。但在實際運行時，這種負荷跟蹤能力受到核安全等方面的一系列限制。通常來說，從反應堆的功調系統、棒控、毒物、堆芯溫度和燃料的不均勻程度等方面綜合考慮核電機組的負荷跟蹤能力。

壓水堆的功率變化，可借用的手段有控制棒的移動，硼濃度的變化，中子毒物的控制，冷卻劑溫度的改變等。但在實際運行中，要實現負荷跟蹤功能只能采用控制棒的移動和改變硼濃度來實現。其中，控制棒能提供快速的反應性變化，硼濃度提供慢速的反應性變化，實際過程兩者兼用。

2.2 功率調節特性

快速調節壓水堆核電機組功率可以通過移動控制棒來實現，一般來說這種功率調節范圍能實現滿功率的30%至100%的調節區間，但受燃耗的影響，控制棒調節方式在壽期末的功率調節范圍會變小。當機組在可調節區運行時，功率變化速率一般在0.2%P/min至0.3%P/min之間，最高也不會超過5%P/min，同時還會有10%P的功率階躍變化的能力，這也是一般核電站功調系統的設計準則要求。所以，核電機組在低功率運行時，也有10%P 的階躍變化能力，但不能實現連續的階躍變化。這種負荷階躍變化對核電機組安全方面的影響不可忽略，這是我們要討論的重點。

功率頻繁的階躍變化會導致壓力容器的輻照脆化以及反應堆冷卻劑系統、主泵、穩壓器、安全閥、蒸汽發生器等重要設備某些部件的疲勞損壞，這會降低整個機組的壽命。此外，這還會加大硼濃度，冷卻劑壓力，主系統平均溫度，蒸發器水位等各方面的控制難度。一旦調峰對堆芯的功率分布會產生較大影響，如功率調節棒與軸向功率偏差ΔI的問題、溫度調節棒的棒位限制與ΔI的矛盾、壽期末的硼濃度稀釋與ΔI之間的矛盾。因此，核電機組調節功率時，不僅要加強對機組安全性各方面的操作，還要有效控制功率調節的深度和速度，才能保證核電機組安全運行。

3 參與調峰對CP-300核電機組安全性的影響

3.1 穩態工況下

在低負荷下，常規島的各個主要設備如發電機、汽輪機、勵磁機系統、主變和高壓廠變、主給水泵、高低加以及各水泵的負荷降低，但都在各自額定工作范圍內，不會有不利影響。CP-300的汽輪機采用節流調節，負荷降低，汽輪機的調門關小導致蒸汽的濕度減小，反而有利于汽輪機各級的安全。隨著蒸汽流量的降低，蒸發生器二次側壓力和溫度上升，蒸發器傳熱管內的冷卻劑平均溫度和進出口溫差都會減小，這會使得熱應力減小。

而從堆芯角度考慮，也可以分析一下調峰降功率時的有關影響。根據偏離泡核沸騰比DNBR的定義，燃料棒熱流密度的下降會導致DNBR增大（秦山核電廠在額定功率運行時其最小DNBR為1.42），在各種事故瞬態工況下（如給水喪失、彈棒、全廠失電、LOCA等），堆芯是偏安全的。由于堆芯上半部的溫度下降，會使堆芯上半部DNBR 增加，這對于包殼安全是有利的;冷卻劑的進出口溫差的下降，堆內構件的熱應力也會減小，這也是有利的。由于反應堆是負的溫度系數，堆芯上下溫差的降低使軸向功率功率峰上移，使得軸向功率分布更加平坦。

綜上，穩態工況下調峰降功率運行，對機組的安全運行是有利的。

3.2 瞬態工況下

階躍升降負荷操作時，堆芯頂部溫度可能會上升到1800℃，根據冷卻劑在CP-300反應堆內的流動可知，此溫度變化僅影響到堆芯上部的一些薄壁部件和冷卻劑的出口管嘴、蒸汽發生器一次側的入口等一些厚壁部件?？傮w來說，這種溫度變化也比較有限，不會產生安全方面的問題。

4 核電機組參與調峰的運行方式

下面探討一下如果核電機組參與調峰，可采用的集中調峰的方法。

4.1 日負荷跟蹤的運行方式

所謂日負荷跟蹤，就是一天24h都在參與調峰，例如可以采用“12h-3h-6h-3h”的方式和最大50%P的限值參與日調峰運行，即在一天當中，有12小時是滿功率的，接著用3小時降到低功率并保持運行6小時，最后再用3小時升回滿功率。

4.2 周調峰的運行方式

理論上，壓水堆核電機組完全能實現較長期的低功率運行。實際上，大亞灣核電的多臺機組目前就是在節假日期間，降功率至760MW運行2至3天的方式，只是這種運行方式受到總次數的限制，一般一年之內最好不要超過五次。

4.3 年的運行方式

電網的年負荷特性一般都是固定的，如果能將電網的負荷特性和機組的大修計劃統籌考慮，采用長短周期交替和延伸運行相結合的方法合理安排機組大修，避開電網用電高峰期，這也是一種很好的調峰方法。目前可以參考的年負荷運行方式是法國核電廠，核電機組的投運率與負荷率的變化趨勢基本一致。低負荷時，核電機組停運臺數多;高負荷時，核電機組停運臺數少。通過核電停機窗口的合理安排，實現了年負荷跟蹤。

5 國內現有參與調峰核電機組的運行方式以及運行狀況

根據國內外現有資料，壓水堆核電機組主要靠控制棒調節功率，而控制棒有兩種，一種是采用吸收中子較強的棒束（黑棒束），這種控制棒由于材料原因，能快速吸收大量中子，造成的功率變化也很大，稱為A控制模式。顯然在實際調峰過程中，A模式可能無法控制具體的調峰大小，且還會產生很大的功率畸變，所以A控制模式可能也無法滿足這種要求。還有一種是采用吸收種子較弱的棒束（灰棒束），這種方式吸收中子少，功率畸變小。

5.1 A控制模式

A控制模式，主要是通過堆芯的平均溫度控制系統來實現調節棒束（黑棒束）的自動動作，使反應堆運行在要求的功率數值上。為保證正常的軸向功率偏差，運行人員通過手動調節硼濃度，來限制調節棒的一定。A控制模式運行較簡便，只有平均溫度這一個調節回路，另外只要改變硼濃度;堆芯中總的控制棒的插入數量少，軸向和徑向的燃料都均勻，嚴格按照規程和技術規范可保證停堆深度。也正是由于堆芯中的控制棒少，改變功率一定程度受到硼濃度限制，也就無法在短時間內實現大幅度的負荷變化。

5.2 G控制模式

G控制模式也稱為灰棒模式，對反應堆的配置要求如下：

（1）所謂的灰棒模式，即一些稱為灰棒的棒束位于控制棒組件中，使反應堆的徑向功率畸變變得最小。分為控制棒組（溫度調節棒R、G和功率補償棒N）和停堆棒組S（灰棒G和黑棒N）。

（2）G模式一般具備兩個調節回路，一個開環回路隨汽輪發電機的功率變化調節控制棒的一部分棒組（補償棒組）;另一個回路則通過調節棒組來保證平均溫度（類似A控制模式）。

對比A控制模式，G控制模式的特點是它能實現負荷快速變化。在負荷發生變化時，黑棒組和灰棒組按照規定的順序，依次插入堆芯并保證一定的重疊度，其位置取決于汽輪發電機功率的給定值。另外，它的另一個優點是可實現各種階躍的負荷變化同時無須運行人員的干預，而且控制棒對功率分布的干擾還不會產生軸向震蕩。但G控制模式的缺點在于硼和棒的作用是分離的，在反應堆循環末期，如果緊急停堆又要馬上啟堆，可操作性較差。

6 結束語

CP-300核電機組參與調峰，總結起來主要如下：（1）由于沒有G模式和灰棒控制棒，無法滿足電網優化運行。（2）由于功率的頻繁調節會加劇反應堆壓力容器的輻照脆化和某些關鍵金屬部件的金屬疲勞，可能降低機組設備的壽命，需要嚴格遵守功率調節特性的要求。（3）CP-300的《最終安全分析報告》也提及規定階躍升、降負荷的次數各為1500次，即在核電廠30年設計壽期內每年5次，而如今機組服役已超二十多年，這對CP-300的調峰能力進行了一定的限制。（4）因為CP-300堆型是中國大陸第一座核電站，無論是堆功率，自動化程度，設備可靠性等與目前陸續投運新機組不可同日而語。特別是反應堆功率較小，由于電網調峰主要考慮的是一些大機組的影響，320MW機組如果參與調峰其能力和效果都非常有限，所以對其參與電網調峰一定要做好權衡利弊。

【參考文獻】

[1]單建強.壓水堆核電廠調試與運行[M].北京：中國電力出版社，2008.12.

[2]馬席朋.探討大型壓水堆核電機組參與電網中間負荷調峰[J].現代電力，2007，24（4）.