大型核电压水堆的负荷跟踪控制模式分析

钱耀　吕迪

摘 要：随着我国核能发展的加快，核电在电网中的比重逐渐增大，核电站参与电网调峰的需求也日益迫切。由此，本文汇总了当今几种电站模式的负荷跟踪控制策略，指出了发展核电负荷跟踪运行的可行性和必要性，为改良我国现有主流机组的控制模式提供参考。

关键词：电网调峰；负荷跟踪；控制模式

1 前言

世界上第一座核反应堆于1942年在美国芝加哥的典型实验室中首次达到临界，苏联在1954年建成第一座5000 kWe实验性核电厂，三年后美国建成电功率90 000 kWe的希平港核电站，直到现在70余年之间核能技术迅速发展，在世界上得到越来越广泛的应用。因为煤炭、石油等能源价格经常受到国际军事冲突和政治外交的影响，环境问题也因温室气体排放造成的压力日益加剧，而核电运行的良好业绩和技术改进，以及核能的清洁、经济、安全、高热值等优点使得世界上许多国家把发展清洁能源的注意力转向核能，并认为这是人类当前解决能源紧缺问题的一个重要途径。

然而，福岛核事故使全球核电复苏势头遭到突如其来的遏制，中国立即出台新的政策加强核电管理，并对在运电厂和在建项目全面进行安全检查，随着我国环保观念和安全意识的逐步增强，提高对可持续发展的要求，核能发电作为现在唯一可大规模替代化石能源且清洁可靠的发电形式，在我国电力系统中所占的比例越来越大。现而今，社会逐渐增加了对核电的青睐，核能成为能源发展的支柱也将是能源结构调整的必然。但核电站不参与调峰调频的运行模式日益显示出它的弊端，若要使其参与进来就必须对核电站的控制性能提出更高的要求。

2 核电厂负荷跟踪运行的必要性

由于工业分布导致的电力需求使南方电网和华东电网的容量巨大，局部电力还常年短缺，鉴于国家电力系统相关政策的照顾，无论堆型和容量大小，总装机容量比重较小的核电机组均未参加电网调峰，始终运行在最大可能的满负荷上。但是，随着一大批核电机组的逐步建成和并网发电，尤其是百万千瓦级别大型机组的加盟，核电装机容量在区域电网中所占的比重会越来越大。此外，今后发电市场竞争规则会进一步完善，而电网日运行负荷的波谷与波峰的差值也将逐日增大，可以预见，将来大型压水堆核电机组参与到电网中势必也要进行负荷跟踪运行。电网中谷峰特征十分明显的典型日负荷变动曲线如图1所示。

电网每日的负荷波动都具有一定的规律性，从运行技术上看，参与并网发电的各类机组都需具备负荷跟踪能力。任何发电形式的电站收益都直接取决于年发电量，因此均希望带基本负荷运行，但参与电网日负荷的调节是发电市场商业化竞争的要求。根据图1所示的典型日负荷变化规律，大型压水堆核电机组可采取“12-3-6-3”（100%-50%）的方式参与负荷调峰，如图2所示，在负荷低峰时（半夜零点至早六点）维持六小时的低功率运行，早间用三小时线性升功率至100%负荷输出，随后在高峰时（早九点至晚九点）维持十二小时的满功率运行，最后在晚间用三小时线性降功率来跟随负荷下降。这样能将核电机组功率水平的调整速度维持在较小范围内，同时满足电网负荷的变化需求；还可以根据电网和核电站双方的实际情况改变调峰的深度和速度，应用其他的调峰模式。

3 适用于负荷跟踪的各种控制模式

3.1 G模式

目前，法国法玛通（Framatome）在西屋的基础之上，为提高反应堆灵活性采用了灰棒控制手段——G模式，并已有实现压水堆核电厂负荷跟踪商业运行的技术和成熟经验。引进法国技术并进行技术改进所设计的CPR1000堆型就是采用G模式，其主要特点为：

（1）硼的反应性效应很慢，硼稀释只用于补偿燃耗和氙毒的反应性效应，功率变化的反应性快效应完全由控制棒补偿。

（2）为了减少对功率分布的扰动，引入控制棒组G1、G2、N1、N2，其中G1、G2为灰棒，N1、N2为黑棒，负反应性变化范围为400 pcm～1000 pcm，按最佳叠步方式插入，从而使灰棒降低了对轴向功率分布的影响，易于控制軸向功率偏移。

（3）利用独立控制棒组R棒控制平均温度和堆芯反应性，具有约1100 pcm的较高反应性，被限制在堆芯顶部的机动带上，不会对轴向功率分布产生不利的影响。

3.2 T模式

EPR在G模式的基础上，结合运行操作经验反馈、做了进一步的优化和改进，取消了灰棒控制手段，形成了既能用于基本负荷运行又能用于负荷跟踪运行的T模式。反应堆的89组控制棒中，停堆棒有53组，调节棒有36组。36组棒又依序分为P1～P5子棒组，分别为4、4、8、8和12组。子棒组P1的4组棒主要用于慢化剂平均温度（ACT）的控制，P2～P5主要用于轴向偏差（API）控制，根据控制需要，从P2依序到P5可自动转变用于ACT控制。概括言之，EPR反应堆控制系统这些变化主要是在A模式基础上、结合运行操作经验反馈改进而成。此T模式既用于基负荷运行又用于负荷跟踪运行。其实现方式为：除了仅用于跳堆用的停堆棒（53组棒）外，EPR的P1～P5五个子棒组分为慢化剂平均温度控制棒（Pbank）和轴向功率偏移控制棒（Hbank），所有棒组都由黑棒组成，而Pbank和Hbank的组成是变化的。

3.3 MSHIM模式

调整硼浓度的优点是对堆芯功率分布影响小，但操作技术难度大，产生的废液多，尤其是到寿期末时，调控效果不显著，难于自动控制。控制棒的移动能迅速改变反应性，即能迅速改变反应堆功率，但同时也改变了功率分布。为了有效的控制反应堆，近年来出现的三代核电技术中，美国西屋公司设计的第三代压水堆AP1000利用了机械补偿（Mechanical Shim，MSHIM）手段，对难于操作的硼浓度变化采用固定的程序控制，取消了手动控制模式，形成了操作性强、自动化程度高的MSHIM运行模式。此外，人们想方设法把功率分布控制棒（AO棒组）和平均温度控制棒（M棒组）分离开，通过利用控制棒价值的变化和限制控制棒的运动范围，尽量减小AO棒的运动对功率水平的影响，同时M棒的运动对功率偏差的影响也尽量缩小，通过这种物理解耦的办法，降低控制的难度。AP1000堆芯有69个控制棒组[ ]，MA～MD为16个灰棒组件，每个灰组件中包括20个不绣钢棒和4个常规的Ag-IN-Cd棒；M1和M2是黑棒组件，每个黑组件为24个Ag-IN-Cd棒。M棒组包括MA～MD和M1、M2，总共6个棒组。AO棒组由9个黑棒组件构成，控制棒价值相对较高。在任何负荷跟踪运行之前，MA和MB棒束要全部插入堆芯。初始MB棒束的插入是用于补偿功率变化过程中引入的正、负反应性。

4 结语

负荷跟踪技术的实质就是核电厂在运行中，按照电网的需求发出功率；从满足电网要求方面看，主要的问题是堆跟机的升/降负荷速率、旋转备用能力等；从堆芯控制方面看，主要是功率水平控制（或称反应性控制）和轴向功率分布控制，控制手段已从经典控制向多变量控制、最优控制和智能化方向发展；从满足核安全方面看，主要是堆芯功率变化能力要好，且要运行裕度高或安全裕度高；负荷跟踪技术从环保要求方面看，排出的放射性废水量要尽可能少等。面对日益严峻的能源形式，核电比重也逐步增加，我国有必要根据各类主力堆芯特色进行具有前瞻性的负荷跟踪可行性研究。

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