一次調頻對核電廠運行影響的簡要分析

董恩興

摘要：現階段，核電廠運行過程中，需根據電網要求投入核電機組的一次調頻功能，合理控制電網的電壓和頻率的波動。但由于核電廠本身的特殊性，還應在電網頻率、電壓改變時，重視一次調頻動作后對核電廠內關鍵系統參數變化的影響。因此，本文目的是討論一次調頻對核電廠運行的影響，并對調頻后核電廠內關鍵系統的參數的變化進行分析，確保核電廠在參與一次調頻后的安全。

關鍵詞：核電廠;一次調頻;核電機組

引言：核電廠運行過程中，會存在明顯的放射性安全隱患，所以在核電機組一次調頻動作產生后，應通過研究核電廠系統參數變化，判斷一次調頻對核電廠運行的影響。從而在核電廠運行過程中，科學應用核電機組調頻能力，減少核電廠安全事故風險，增強核電廠的運行穩定性及安全性能。

一、核電廠安全運行的基本要求

其一，合理控制核電廠動力機組內反應堆熱功率。核電廠運行期間，若核電機組處于持續運行狀態中，堆芯穩態功率應小于2895MW。具體實現方法為將堆芯熱功率控制在小于102%Pn，同時在任何一個運行值班的8小時內，堆芯的熱功率平均值不超過100%Pn。堆芯功率水平在102%Pn水平的累計運行事件不超過15分鐘。超過101%Pn的累計運行時間不超過30分鐘，超過100.5%Pn的累計運行事件不超過60分鐘。究其原因，在于核電廠安全事故分析中，如果反應堆熱功率超出額定值，使得反應堆概率安全值降低，安全性能難以保障，甚至造成嚴重的核事故。

其二，將反應堆功率升速率限制在穩定范圍內。核電廠運行中，為避免包殼、燃料芯塊出現相互作用現象，運行人員需嚴格遵守技術規范限制來控制反應堆功率變化，以免在反應堆超過當前功率水平后，功率提升速率變化過快導致反應堆內包殼、燃料芯塊和包殼間隙變化，產生相互作用，對燃料包殼造成損傷，甚至導致包殼破裂。除此之外，核電廠一次調頻動作速率要求高，若核電網因調頻導致堆芯功率產生較大波動，將影響核電廠穩定、安全運行[1]。

二、一次調頻對核電廠運行影響分析

一次調頻對核電廠運行的影響，主要是在電網電壓下降或線路故障等問題產生后，核電廠一次調頻動作、核電機組會瞬間提高出力，使電網電壓保持在額定水平。但是在一次調頻動作產生后，核電廠內蒸汽流量、堆芯功率水平都會出現相應變化。

（一）電網頻率

一次調頻后，核電廠電網頻率會逐漸降低，且核電廠汽機轉動速度同步下降，導致核電廠內發電機有功功率增加。而發電機在一次調頻瞬間中，有功功率數值在瞬間增大后，會超出核電廠汽機負荷范圍，使得汽機調節系統會自動將調門關小，之后，發電機功率會迅速降低。由于電網容量較大，核電機組在并網狀態下，發電機因汽機調節而功率迅速降低后，汽機頻率、發電機電壓將同時小于初始值。汽機轉速、電網頻率降低后，一次調頻動作會增加核電機組負荷，其所增加的機組負荷由汽機調差系數決定。該系數是在核電機組運行過程中，根據核電網基本要求確定。汽機調節系統的核心作用，就在于電網頻率改變后，通過調節發電機功率、補償電網所需功率，使核電網處于穩定狀態[2]。

（二）蒸汽流量

一次調頻對核電廠的影響，同樣體現在蒸汽流量中。具體來說，一次調頻動作產生后，汽機負荷隨著增加、核電機組內部蒸汽流量在汽機調門變大后增加，最終會導致核電廠蒸汽系統出現較多參數變化。第一，蒸汽流量增加后，核電廠蒸汽發生器在給水流量與蒸汽流量變化匹配度降低，導致蒸發器本身水位降低。直到蒸汽發生器水位控制系統，利用主給水泵轉速調節功能將蒸發器給水調整在正常范圍值數內，才能使蒸汽流量恢復穩定。

第二，蒸汽流量值數變大后，二回路所帶走的熱量變多，會造成核電廠內主冷卻劑系統溫度降低。而在實測平均溫度與參考平均溫度差大于溫度控制棒組動作定值后，R棒提升并引入正反應性，堆芯功率提升。如果一二回路負荷不匹配，核功率變化則很可能會觸發反應堆保護系統動作[3]。

第三，基于熱脹冷縮原理，反應堆冷卻劑系統內部溫度變化，會改變機組穩壓器的壓力、水位，使得穩壓器內部溫度、壓力產生波動。但在穩壓器調節系統作用下，上充流量會增加、電加熱器功率也會隨之增加，直到各項指標恢復到正常設定值范圍中。

（三）機組整體

一次調頻對核電廠運行的影響，主要集中在核電機組安全方面。一方面，一次調頻后，電網電壓頻率下降，核電廠內主冷卻泵流量、轉速降低。若電網頻率下降范圍大、持續時間長，核電機組可能會甩廠用電，并進入“孤島運行狀態”。另一方面，一次調頻在設置死區時，要求技術人員嚴格控制死區大小，若死區設置較小，會導致核反應堆安全性難以保障。比如一次調頻死區較小時，其功率會頻繁波動，并且在汽輪機、反應堆功率同步波動時，反應堆堆芯會因控制棒的頻繁動作，而出現堆芯分布畸變現象，在堆芯局部區域因畸變形成熱點，導致局部過熱將直接超過燃燒棒功率，使得堆芯局部產生泡核沸騰情況。該情況產生后，核電廠會存在包殼、燃料損壞風險，嚴重時會誘發核事故。

三、結語

綜上所述，我國核電機組正在陸續建設中，且核電機組的數量和、發電量占比也隨之增加。與此同時，核電廠調峰任務也愈發嚴峻，需憑借核電機組本身的抗干擾、一次調頻作用，合理控制電網頻率變化。同時由于一次調頻動作后，機組各系統參數也會產生變化，存在安全事故風險。為此，核電廠還需科學地制定一次調頻死區，以優化核電機組一次調頻功能，規范其調頻流程，以保障機組安全穩定運行。

參考文獻：

[1]劉波.核電站汽輪機組一次調頻邏輯優化方案[J].產業與科技論壇，2018（012）：51-52.

[2]楊東升，溫慶邦.某核電廠一次調頻功能優化及試驗風險分析[J].電工技術，2019（15）：66-67.

[3]方朝雄，李旭東，林章歲等.核電機組對電力系統一次調頻性能影響仿真分析[J].華北電力大學學報：自然科學版，2019（5）：55-60.