AP1000核电机组与抽水蓄能电站联合运行研究

李晓亮

（中核辽宁核电有限公司，辽宁 兴城 125100）

0 引言

为了保证核电的安全性和经济型，当前国内建成投运的核电机组在临界并网后均采用带基本负荷运行也就是满功率运行，然而，随着核电机组容量的不断增大，核电机组发电量占总发电量的比例也不断增加，电力系统调峰形势越来越严峻，这一点在一些电量需求不大的省份尤为明显，因此，后续新建的核电机组将面临着比较严重的调峰运行压力。

目前世界上运行的压水堆核电机组已有几十年的日负荷跟踪运行经验，在此期间这些参与日负荷跟踪的电站均安全稳定运行，验证了压水堆的可靠性及日负荷跟踪运行的可行性。在核电占电网总装机容量比重很大的法国（78%）、韩国（42%）、日本（36%）、美国（20%），核电机组都要适当地满足电网调峰的要求。中国在建和拟建的核电厂广泛采用新一代核电机组AP1000，其采用机械补偿燃耗的负荷调节形式，具有很好的负荷跟踪能力，还应用非能动理念设置安全系统和主要设备，具有良好的动态性能，能够满足参与电网调峰的需要。核电机组的调峰运行可能会对机组的安全性和经济性造成影响，而抽水蓄能电站具有良好的调峰性能，二者联合运行将能更好地满足电力系统的需要，并保证核电机组带基荷稳定运行。通过研究AP1000核电机组调峰运行的特性及影响因素，提出核电机组直接参与电网日负荷调峰及核电与抽水蓄能机组联合运行调峰的运行模式。

1 AP1000核电机组的功率调节方式

传统的压水堆核电站运行中一般采用控制棒和硼浓度作为控制量来实现反应堆的负荷跟踪控制，其中控制棒控制的是快速的反应性变化，主要用于补偿燃耗、堆芯毒物的反应性变化。AP1000主要依靠M棒组调节堆芯反应性快速变化，OA棒组控制堆芯功率分布，可以实现较快的功率响应，而且一回路此时不会产生大量的废水废液，增加三废系统的运行压力。因此，它的设计可以适应电网的快速调峰、调频任务。AP1000有三种运行控制模式，分别为基本负荷模式、负荷跟踪模式和负荷调节模式。基本负荷模式维持电厂在满功率状态下全天运行。负荷跟踪模式需要跟踪+10%～-10%阶跃变化和+5%/min～-5%/min线性变化的瞬态工况，并考虑“12-3-6-3制的负荷日循环方式”。所谓“12-3-6-3制的负荷日循环方式”是指在每昼夜内，负荷从高到低，在低谷期间运行一段时间，再返回到高负荷，如此每日循环。即在100%负荷运行12h，用3h由100%降到50%，在低谷运行6h后，再用3h恢复到100%负荷。负荷调节模式，也叫频率控制模式，是指变化速率为2%/min的总幅度不超过10%的功率变化。控制频率用于响应电网频率变化。

1.1 负荷调节介绍

负荷调节模式的存在允许AP1000机组在功率大于90%时参与电网调频。负荷调节工况下控制棒根据冷却剂平均温度和参考温度之间差值进行移动来调节反应堆功率，当冷却剂平均温度大于参考温度时控制棒下插，当反应堆冷却剂平均温度小于参考温度时，控制棒上提，提升反应堆功率。其中控制棒能够控制的反应堆功率为10%，旁路排放系统能够控制的反应堆功率是40%，快速降功率系统能够控制的反应堆功率是50%。负荷调节模式下，冷却剂平均温度控制死区会延展，ΔI运行区被放宽，降低系统灵敏性，减少由于机组参与调频引入微小扰动导致的控制棒棒组频繁动作，减少棒组的磨损和堆芯功率分布的扰动。这样的灵活控制方式不仅能很好的实现负荷跟踪同时也能降低机械部件的磨损。

1.2 AP1000参与调峰的必要性

由于AP1000机组具备负荷跟踪能力和自动负荷循环能力，并且可采用不调硼负荷跟踪模式，具有良好的动态性能。根据AP1000机组所在地区的电网负荷情况不排除该类型核电厂参与电网调峰的可能性。

2 核电与抽水蓄能电站联合运行的必要性

即便AP1000核电机组具有很好的负荷响应能力，但是我们还是优先考虑电站带基本负荷运行。压水堆核电机组不利于参加调峰的特性表现在：（1）控制棒插入过深将引发局部功率峰，降低安全裕量；（2）调节硼浓度会造成放射性水的产生和排放等系列问题；（3）中毒效应对堆功率改变有瞬态影响；（4）堆芯在寿期末将逐步失去跟踪负荷或参与调峰的能力；（5）燃料芯块与包壳的相互作用使反应堆升降功率的速率低于（3%Pn）/min。在安全性上，核电机组调峰对常规岛设备的安全、寿命有负面影响，对核蒸汽供应系统的个别组件带来金属低周疲劳、燃料包壳与芯块的相互作用问题，这限制了反应堆调峰的深度与速度。在经济性上，核电机组调峰降低了其经济性。

2.1 核蓄联合运行的优越性

为了提高电网和核电厂的安全性，采用抽水蓄能电站调峰辅助核电运行的方式，首先抽水蓄能机组是核电按基本负荷运行的有利保障，核电机组要带基本负荷运行，必须要解决调峰问题，若电网中水电比重不大，火电调峰能力有限，则只能靠抽水蓄能机组，因为它具有调峰和填谷的双重功能。其次抽水蓄能电站有助于核电厂的安全，保持核电机组完好性对核电厂安全有重要意义，而核电厂长期稳定运行是保证核电机组完好性的有利保障。为了做到这一点，在电网中配合抽水蓄能电站可以避免核电机组频繁升降负荷，大大节省了瞬变消耗，提高核电运行设备的安全裕度。

2.2 核蓄联合运行原则

核电机组带基荷运行，充分发挥抽水蓄能的调节作用，二者联合，也就是核蓄联合运行方式。运行的总出力率曲线有效跟踪日负荷率曲线变化。核蓄联合运行模式可分为3类：（1）完全跟踪模式。核蓄联合机组出力率完全跟踪电网日负荷率曲线；（2）三段制跟踪模式。根据电网日负荷曲线将一天划分为峰、平、谷3个时段，每个时段内，核蓄机组出力不变，核蓄联合机组的平均出力率与电网平均负荷率一致；（3）不完全跟踪模式。核蓄联合有多种不完全跟踪方式，考虑典型方式：抽水蓄能机组的抽水容量和总发电容量均为其全部容量，电网负荷高峰时发电，负荷低谷时抽水，日抽水电量与日发电量平衡；核蓄联合机组的日平均出力率与电网日平均负荷率一致。

3 结论

（1）AP1000机组具有多种负荷调节能力，在高功率投运负荷调节控制方式时具有良好的调峰能力，能够控制阶跃10%和变化速率小于5%/min的负荷变化情况，AP1000机组具有更优越的运行性能和更加灵活的运行方式，作为核电厂的运行人员，掌握AP1000机组负荷调节模式的设计特点，熟悉其对电厂系统运行的影响会有助于全面理解AP1000的先进技术，指导今后AP1000的运行实践，极大地提升核电的安全稳定性及调峰能力。

（2）核电与抽水蓄能机组联合运行可很好地满调峰的要求，并能保证核电机组带基本负荷安全运行，具有较高的安全性和经济性。核蓄一体化联合运营模式将会提高电力系统的运转效率，增强调节灵活性并提高可靠性。