李煥新

摘 要：本文簡(jiǎn)述了世界核電機(jī)組發(fā)展現(xiàn)狀，中國(guó)核電機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)峰的必要性。結(jié)合國(guó)內(nèi)電網(wǎng)現(xiàn)狀論證了CPR1000機(jī)組參與調(diào)峰的可行性、主要調(diào)峰運(yùn)行方式及調(diào)峰面臨的實(shí)際問(wèn)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(fù)荷跟蹤

中圖分類號(hào)：TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）07-0149-02

1 核電機(jī)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(gè)國(guó)家在運(yùn)核電機(jī)組444座，裝機(jī)容量3.878億千瓦。另有14個(gè)國(guó)家正在建設(shè)62臺(tái)核電機(jī)組，總裝機(jī)容量為0.66億千瓦。27個(gè)國(guó)家計(jì)劃建設(shè)172臺(tái)核電機(jī)組，總裝機(jī)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(guó)共有33臺(tái)在運(yùn)核電機(jī)組，裝機(jī)容量29577MWe。21臺(tái)機(jī)組正在建設(shè)，裝機(jī)容量24036MWe。計(jì)劃建設(shè)42臺(tái)核電機(jī)組，總裝機(jī)容量48330MWe。2015年國(guó)內(nèi)核電發(fā)電量約為161.2TWh，約占國(guó)內(nèi)總發(fā)電量的3%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于核電在全球電力供應(yīng)中的比例10%。

1.2 核電機(jī)組參與調(diào)峰的現(xiàn)狀

目前，國(guó)際上核電參與調(diào)峰大致有兩類，一類以美國(guó)、日本、加拿大、韓國(guó)等為代表的核電大國(guó)，核電裝機(jī)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(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性考慮，大部分核電機(jī)組不參與電網(wǎng)的日負(fù)荷跟蹤，而是采用基負(fù)荷運(yùn)行。另一類以法國(guó)為代表，核電裝機(jī)比例大，核電裝機(jī)容量占總裝機(jī)容量的70%以上，除核電之外的調(diào)峰手段有限，法國(guó)核電機(jī)組都具有日負(fù)荷跟蹤能力，但盡量控制參與調(diào)峰的機(jī)組數(shù)和調(diào)峰頻率。

隨著國(guó)內(nèi)核電裝機(jī)比例逐漸提高，在某些地區(qū)核電裝機(jī)占地方電網(wǎng)裝機(jī)比例將達(dá)到10%～30%，核電機(jī)組的調(diào)峰能力日益成為影響系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和電網(wǎng)安全的重要因素。同時(shí)，由于中國(guó)經(jīng)濟(jì)進(jìn)入新常態(tài)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展增速放緩，部分地區(qū)用電量增長(zhǎng)緩慢甚至負(fù)增長(zhǎng)。風(fēng)電太陽(yáng)能等可再生能源大量投產(chǎn)，電力市場(chǎng)改革快速推進(jìn)。核電上網(wǎng)形勢(shì)發(fā)生了巨大的變化，多種因素導(dǎo)致核電電力市場(chǎng)環(huán)境形勢(shì)嚴(yán)峻，全國(guó)各地核電機(jī)組均面臨不同程度的外部減載，某些地區(qū)核電機(jī)組需低功率運(yùn)行參與調(diào)峰，甚至停機(jī)調(diào)峰。

2 CPR1000機(jī)組的調(diào)峰工作進(jìn)展

2.1 遼寧電網(wǎng)調(diào)峰需求

CPR1000機(jī)組在遼寧電網(wǎng)現(xiàn)狀。受東北經(jīng)濟(jì)環(huán)境影響，遼寧電網(wǎng)負(fù)荷增長(zhǎng)緩慢，2015年?yáng)|北電網(wǎng)全社會(huì)用電同比甚至負(fù)增長(zhǎng)，遼寧省全網(wǎng)全社會(huì)用電量同比下降超過(guò)2.5%，吉林、蒙東地區(qū)均出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，區(qū)域電源裝機(jī)增速顯著高于同期用電負(fù)荷增長(zhǎng)。供、用電矛盾突出。

從負(fù)荷特性上看，遼寧電網(wǎng)年負(fù)荷曲線總體呈扁平的U字形，年最大負(fù)荷一般出現(xiàn)在12月份，最小負(fù)荷一般出現(xiàn)的夏季5、6月份。冬季負(fù)荷相對(duì)較高，夏季負(fù)荷相對(duì)較低。日負(fù)荷特性曲線整體較有規(guī)律，晚上23：00-4：00為日負(fù)荷低谷，早10：00及下午16：00兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)為負(fù)荷高峰。日峰谷差在200～600萬(wàn)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(jī)容量較大比重的火電機(jī)組開始供熱，系統(tǒng)總體調(diào)峰能力大幅下降，同時(shí)冬季日峰谷差較夏季大，冬季大風(fēng)季風(fēng)電容量較大負(fù)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(jī)組積極配合參與調(diào)峰運(yùn)行。

2.2 CPR1000機(jī)組調(diào)峰進(jìn)展

核電機(jī)組參與調(diào)峰受到知識(shí)產(chǎn)權(quán)、技術(shù)能力、執(zhí)照申請(qǐng)、人員培訓(xùn)、現(xiàn)場(chǎng)改造等諸多因素的制約，項(xiàng)目實(shí)施難度大。在不違反FSAR、運(yùn)行技術(shù)規(guī)范及相關(guān)執(zhí)照申請(qǐng)文件的前提下，通過(guò)優(yōu)化核電廠靈活性運(yùn)行手段，力爭(zhēng)滿足電網(wǎng)調(diào)峰需求是目前工作的重中之重。經(jīng)過(guò)積極探索，CPR1000機(jī)組目前參與調(diào)峰的運(yùn)行方式為調(diào)硼長(zhǎng)期低功率運(yùn)行、日負(fù)荷跟蹤、合理安排大修、臨時(shí)停機(jī)等。

3 CPR1000機(jī)組的調(diào)峰運(yùn)行方式

3.1 長(zhǎng)期低功率運(yùn)行（ELPO）

長(zhǎng)期低功率運(yùn)行（ELPO）運(yùn)行模式為功率補(bǔ)償棒組全部抽出且運(yùn)行的反應(yīng)堆功率低于97%Pn，低功率運(yùn)行持續(xù)時(shí)間超過(guò)12小時(shí)的運(yùn)行模式。長(zhǎng)期低功率運(yùn)行是區(qū)別于基負(fù)荷運(yùn)行的一種特殊的運(yùn)行工況。

目前CPR1000機(jī)組長(zhǎng)期低功率運(yùn)行的特點(diǎn)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(yùn)行平臺(tái)運(yùn)行最長(zhǎng)運(yùn)行120個(gè)日歷天。在單次低功率運(yùn)行結(jié)束，返回滿功率后，長(zhǎng)期低功率運(yùn)行裕度可以緩慢恢復(fù)，以便再次低功率運(yùn)行。

長(zhǎng)期低功率運(yùn)行主要是應(yīng)對(duì)電網(wǎng)計(jì)劃性的短期負(fù)荷調(diào)節(jié)，在國(guó)家重大節(jié)日，極端惡劣天氣，供暖期等某些短時(shí)期電網(wǎng)低谷容量不足的情況下，通過(guò)安排核電機(jī)組計(jì)劃性長(zhǎng)期低功率運(yùn)行，適應(yīng)電網(wǎng)短期調(diào)峰需求。

長(zhǎng)期低功率運(yùn)行是CPR1000機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)峰最主要的運(yùn)行方式，能滿足大部分情況下電網(wǎng)調(diào)峰需求，但長(zhǎng)期低功率運(yùn)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(zhǎng)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(duì)機(jī)組運(yùn)行的不利影響，降低燃料失效概率，限制事故后果，對(duì)長(zhǎng)期低功率運(yùn)行時(shí)間和功率水平進(jìn)行限制，在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中計(jì)算長(zhǎng)期低功率運(yùn)行的允許功率水平和允許運(yùn)行天數(shù)，控制長(zhǎng)期低功率運(yùn)行在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)。第二反應(yīng)堆受堆芯設(shè)計(jì)、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(wú)法通過(guò)調(diào)硼實(shí)現(xiàn)深度長(zhǎng)期低功率運(yùn)行，或者在長(zhǎng)期低功率運(yùn)行后無(wú)法返回滿功率。在軸向功率偏差控制困難情況下，禁止進(jìn)行長(zhǎng)期低功率運(yùn)行。機(jī)組壽期末原則上也不允許進(jìn)行長(zhǎng)期低功率運(yùn)行。

3.2 日負(fù)荷跟蹤（LP）

日負(fù)荷跟蹤，是機(jī)組功率跟蹤電網(wǎng)晝夜循環(huán)負(fù)荷變化，實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)組功率的一種運(yùn)行方式，主要應(yīng)對(duì)電網(wǎng)日峰谷差調(diào)峰需求。目前核電機(jī)組還無(wú)法完全實(shí)時(shí)的跟蹤電網(wǎng)日負(fù)荷變化，主要通過(guò)典型的12-3-6-3運(yùn)行方式進(jìn)行日負(fù)荷跟蹤。12-3-6-3日負(fù)荷跟蹤是指在24小時(shí)之內(nèi)，基準(zhǔn)功率水平運(yùn)行12小時(shí)以上，在3小時(shí)內(nèi)先行降功率到50%功率以上水平，持續(xù)時(shí)間小于6小時(shí)，然后在3小時(shí)內(nèi)返回到基準(zhǔn)功率水平。

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

在CPR1000機(jī)組最終安全分析報(bào)告及相關(guān)核設(shè)計(jì)報(bào)告中，已經(jīng)進(jìn)行日負(fù)荷跟蹤模式的功率能力論證和相關(guān)安全分析。證明進(jìn)行日負(fù)荷跟蹤在理論上是可行的。

同樣，日負(fù)荷跟蹤也存在一系列技術(shù)限制，日負(fù)荷跟蹤幾乎包含了長(zhǎng)期低功率運(yùn)行所有的風(fēng)險(xiǎn)，此外還有一些特殊的問(wèn)題。因日負(fù)荷跟蹤一般通過(guò)插功率控制棒實(shí)現(xiàn)一回路跟隨二回路負(fù)荷變化，技術(shù)規(guī)范對(duì)功率控制棒插入堆內(nèi)時(shí)間有嚴(yán)格限制，任意24小時(shí)內(nèi)功率控制棒在堆內(nèi)的時(shí)間不能超過(guò)12小時(shí)。同時(shí)，因日負(fù)荷跟蹤期間機(jī)組在短時(shí)間負(fù)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(yùn)行范圍，或者功率控制棒插入堆內(nèi)時(shí)間超過(guò)12小時(shí)，違反技術(shù)規(guī)范產(chǎn)生運(yùn)行事件。

此外，日負(fù)荷跟蹤會(huì)使得汽機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)供油管線振動(dòng)加劇、閥門供油管線爆管風(fēng)險(xiǎn)增大，會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)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(dòng)過(guò)大，增加設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)。給水流量擾動(dòng)，高壓給水加熱器系統(tǒng)疏水波動(dòng)導(dǎo)致跳機(jī)跳堆風(fēng)險(xiǎn)增加。

因國(guó)內(nèi)核電機(jī)組沒有長(zhǎng)時(shí)間系統(tǒng)性的日負(fù)荷跟蹤經(jīng)驗(yàn)，需特別注意頻繁負(fù)荷跟蹤對(duì)ΔI控制、汽機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)閥門響應(yīng)等影響。國(guó)內(nèi)核電廠缺少日負(fù)荷跟蹤相關(guān)的輔助工具和配套程序，頻繁進(jìn)行日負(fù)荷跟蹤有一定風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)CPR1000機(jī)組實(shí)際情況，目前CPR1000機(jī)組12-3-6-3日負(fù)荷跟蹤運(yùn)行連續(xù)運(yùn)行天數(shù)一般不能超過(guò)三天，經(jīng)過(guò)三天的日負(fù)荷跟蹤后，需維持72小時(shí)基準(zhǔn)功率水平運(yùn)行后，方能再次進(jìn)行日負(fù)荷跟蹤。機(jī)組壽期末不允許進(jìn)行日負(fù)荷跟蹤。

3.3 合理安排大修

核電機(jī)組與火電機(jī)組顯著不同點(diǎn)在于壓水堆核電廠需要定期進(jìn)行換料大修。從新燃料組件的裝入到下次停機(jī)停堆換料稱之為一個(gè)燃料循環(huán)周期。目前通常采用18個(gè)月或12個(gè)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(jī)組停機(jī)，不具備隨時(shí)啟機(jī)能力。

通過(guò)合理安排大修，在電網(wǎng)年度用電負(fù)荷低谷進(jìn)行大修，可以滿足電網(wǎng)年度負(fù)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(guò)剩，通過(guò)合理優(yōu)化換料方式和換料大修安排，將核電機(jī)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(tái)機(jī)組在冬季大修。

同時(shí)，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(shí)間內(nèi)延遲停堆大修。通過(guò)進(jìn)行壽期末延伸運(yùn)行或滑功率功率，可以在機(jī)組到達(dá)設(shè)計(jì)燃耗后繼續(xù)運(yùn)行15天左右，配合電網(wǎng)調(diào)峰需求。延伸運(yùn)行與滑功率運(yùn)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(yùn)行。運(yùn)行控制難度較大，對(duì)核電廠運(yùn)行控制的要求較高。

3.4 臨時(shí)停機(jī)

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

4 核電廠壽期末機(jī)組調(diào)峰

機(jī)組進(jìn)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(bǔ)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(wú)可控手段增加反應(yīng)性補(bǔ)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(qiáng)而不可控地降低，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)M(jìn)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(shí)，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(dòng)。負(fù)荷調(diào)節(jié)使操縱員對(duì)△I的控制變得非常困難，超出運(yùn)行點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)比穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)大很多。因此，CPR1000機(jī)組80%燃耗后，禁止進(jìn)行日負(fù)荷跟蹤。同時(shí)，除非機(jī)組不需要返回滿功率，壽期末一般也不進(jìn)行長(zhǎng)期低功率運(yùn)行。

CPR1000機(jī)組在壽期末因意外原因停堆需要重新啟動(dòng)時(shí)，機(jī)組控制也面臨較大的困難。某次壽期末重新升功率時(shí)，在功率較低時(shí)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(jī)組控制帶來(lái)極大困難。通過(guò)提棒和稀釋升功率，升功率速率按1.5MW/分鐘計(jì)算，理論ΔI走勢(shì)圖如圖1所示。在48%FP功率平臺(tái)以下時(shí)，ΔI一直在Ⅱ區(qū)，且十分接近右絕對(duì)限制線。升功率至50%FP以上前，需要在48%FP平臺(tái)至少停留4個(gè)小時(shí)，等待ΔI緩慢掉頭進(jìn)入Ⅰ區(qū)后方能繼續(xù)升功率。如理論預(yù)測(cè)或現(xiàn)場(chǎng)控制出現(xiàn)偏差，極容易導(dǎo)致ΔI超出運(yùn)行圖或者觸發(fā)負(fù)荷速降報(bào)警信號(hào)（C21），導(dǎo)致汽機(jī)快速降負(fù)荷，嚴(yán)重影響機(jī)組安全。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)內(nèi)核電裝機(jī)比例逐漸提高，核電機(jī)組的調(diào)峰能力日益成為影響電網(wǎng)系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要因素。冬季遼寧電網(wǎng)調(diào)峰矛盾突出，需要CPR1000機(jī)組積極配合參與調(diào)峰運(yùn)行，積極研究多種運(yùn)行方式配合電網(wǎng)調(diào)峰。通過(guò)長(zhǎng)期低功率運(yùn)行方式，適應(yīng)電網(wǎng)短期調(diào)峰需求。通過(guò)日負(fù)荷跟蹤應(yīng)對(duì)電網(wǎng)日峰谷差調(diào)峰需求。通過(guò)合理安排大修應(yīng)對(duì)電網(wǎng)年度或季節(jié)性負(fù)荷調(diào)峰需求。在無(wú)法通過(guò)其他手段滿足調(diào)峰要求情況下，采取臨時(shí)停機(jī)的方式配合電網(wǎng)調(diào)峰。

CPR1000機(jī)組具備參與電網(wǎng)調(diào)峰的能力，但核電機(jī)組在某些特定的條件下參與調(diào)峰風(fēng)險(xiǎn)較大，如壽期末進(jìn)行機(jī)組長(zhǎng)期低功率運(yùn)行、長(zhǎng)期日負(fù)荷跟蹤運(yùn)行等。應(yīng)盡量保證核電機(jī)組的基荷運(yùn)行，因?yàn)槟承┎豢煽沽π枰穗姍C(jī)組進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整時(shí)，適當(dāng)參與調(diào)峰。