秦山CP-300机组参与电网调峰的分析与探讨

何建盼

【摘 要】随着浙江电网负荷长期的连续增长，用电的峰谷差也逐步加大，另外随着我国核电的大发展，浙江省内将陆续有多台百万机组投入商运。由于环保方面的问题和核电在电网中的比重逐年增加，造成了很多常规火电厂的停运。而这又最终导致电网峰谷之间的缺口高达2000至3000兆瓦，同时还一定程度上造成电网调压、调频等方面的问题。理论上反应堆都具有一定的负荷跟踪能力以满足电网用电需求，但实际运行中，由于核电的特殊性，它的负荷跟踪能力会受到核安全等方面的一系列限制，所以需要做好权衡利弊。若CP-300机组参与调峰，本文从稳态和瞬态工况，对其安全性的影响进行分析，另外还介绍了几种可能用于CP-300核电机组参与电网调峰的运行方式。

【关键词】核电;调峰;CP-300

中图分类号： TM623文献标识码： A 文章编号： 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 核電机组的运行状况和参与调峰的分析

目前，从全球来看，核电在电网中的发电量占比约为10%。对我国而言，按照当前用电负荷逐年递增的速率推算，预计2030年全国的用电量会达到约8.5万亿至10.5万亿千瓦。如果想把我国核电的比例提高到现在的世界平均水平，中国的核电总装机容量还需要1.2亿-1.5亿千瓦。而这就意味着到2030年以前，每年需要开工建设的百万核电机组就要有八台。

随着核电机组占的发电比重越来越大，电网遇到的调峰压力也每况愈增。因为众所周知的原因，核电站和火电站比，核电不管是在调峰负荷的大小还是速率方面都不占优势，而且还要受到安全等很多其他方面的影响。

核电机组都会具备一定的负荷跟踪能力，但是在核电厂参与调峰后，如何保证安全性是必须要面对的问题。事实上，核电站参与调峰在国外已经实践了多年，法国和日本在这方面已经具备了一定的经验，特别是日本还做了日负荷跟踪。但总的原则无非是在电网负荷较低时，核电机组降功率运行，电网负荷增加时，核电机组升功率运行。同时考虑机组换料大修的周期，尽量避开电网的用电高峰，调峰的同时，兼顾了安全性和经济性。

目前国内的核电机组还没有日负荷跟踪的运行经验，但是秦山和大亚湾两大核电基地在逢年过节期间的降功率运行，其实就已经是参与了电网调峰，只不过降的功率角有限，一般只将机组功率降到70%至80%。

2 压水堆核电机组的运行特性

2.1 核电厂负荷跟踪的控制

在设计中，反应堆都会有一定的负荷跟踪能力。但在实际运行时，这种负荷跟踪能力受到核安全等方面的一系列限制。通常来说，從反应堆的功调系统、棒控、毒物、堆芯温度和燃料的不均匀程度等方面综合考虑核电机组的负荷跟踪能力。

压水堆的功率变化，可借用的手段有控制棒的移动，硼浓度的变化，中子毒物的控制，冷却剂温度的改变等。但在实际运行中，要实现负荷跟踪功能只能采用控制棒的移动和改变硼浓度来实现。其中，控制棒能提供快速的反应性变化，硼浓度提供慢速的反应性变化，实际过程两者兼用。

2.2 功率调节特性

快速调节压水堆核电机组功率可以通过移动控制棒来实现，一般来说这种功率调节范围能实现满功率的30%至100%的调节区间，但受燃耗的影响，控制棒调节方式在寿期末的功率调节范围会变小。当机组在可调节区运行时，功率变化速率一般在0.2%P/min至0.3%P/min之间，最高也不会超过5%P/min，同时还会有10%P的功率阶跃变化的能力，这也是一般核电站功调系统的设计准则要求。所以，核电机组在低功率运行时，也有10%P 的阶跃变化能力，但不能实现连续的阶跃变化。这种负荷阶跃变化对核电机组安全方面的影响不可忽略，这是我们要讨论的重点。

功率频繁的阶跃变化会导致压力容器的辐照脆化以及反应堆冷却剂系统、主泵、稳压器、安全阀、蒸汽发生器等重要设备某些部件的疲劳损坏，这会降低整个机组的寿命。此外，这还会加大硼浓度，冷却剂压力，主系统平均温度，蒸发器水位等各方面的控制难度。一旦调峰对堆芯的功率分布会产生较大影响，如功率调节棒与轴向功率偏差ΔI的问题、温度调节棒的棒位限制与ΔI的矛盾、寿期末的硼浓度稀释与ΔI之间的矛盾。因此，核电机组调节功率时，不仅要加强对机组安全性各方面的操作，还要有效控制功率调节的深度和速度，才能保证核电机组安全运行。

3 参与调峰对CP-300核电机组安全性的影响

3.1 稳态工况下

在低负荷下，常规岛的各个主要设备如发电机、汽轮机、励磁机系统、主变和高压厂变、主给水泵、高低加以及各水泵的负荷降低，但都在各自额定工作范围内，不会有不利影响。CP-300的汽轮机采用节流调节，负荷降低，汽轮机的调门关小导致蒸汽的湿度减小，反而有利于汽轮机各级的安全。随着蒸汽流量的降低，蒸发生器二次侧压力和温度上升，蒸发器传热管内的冷却剂平均温度和进出口温差都会减小，这会使得热应力减小。

而从堆芯角度考虑，也可以分析一下调峰降功率时的有关影响。根据偏离泡核沸腾比DNBR的定义，燃料棒热流密度的下降会导致DNBR增大（秦山核电厂在额定功率运行时其最小DNBR为1.42），在各种事故瞬态工况下（如给水丧失、弹棒、全厂失电、LOCA等），堆芯是偏安全的。由于堆芯上半部的温度下降，会使堆芯上半部DNBR 增加，这对于包壳安全是有利的;冷却剂的进出口温差的下降，堆内构件的热应力也会减小，这也是有利的。由于反应堆是负的温度系数，堆芯上下温差的降低使轴向功率功率峰上移，使得轴向功率分布更加平坦。

综上，稳态工况下调峰降功率运行，对机组的安全运行是有利的。

3.2 瞬态工况下

阶跃升降负荷操作时，堆芯顶部温度可能会上升到1800℃，根据冷却剂在CP-300反应堆内的流动可知，此温度变化仅影响到堆芯上部的一些薄壁部件和冷却剂的出口管嘴、蒸汽发生器一次侧的入口等一些厚壁部件。总体来说，这种温度变化也比较有限，不会产生安全方面的问题。

4 核电机组参与调峰的运行方式

下面探讨一下如果核电机组参与调峰，可采用的集中调峰的方法。

4.1 日负荷跟踪的运行方式

所谓日负荷跟踪，就是一天24h都在参与调峰，例如可以采用“12h-3h-6h-3h”的方式和最大50%P的限值参与日调峰运行，即在一天当中，有12小时是满功率的，接着用3小时降到低功率并保持运行6小时，最后再用3小时升回满功率。

4.2 周调峰的运行方式

理论上，压水堆核电机组完全能实现较长期的低功率运行。实际上，大亚湾核电的多台机组目前就是在节假日期间，降功率至760MW运行2至3天的方式，只是这种运行方式受到总次数的限制，一般一年之内最好不要超过五次。

4.3 年的运行方式

电网的年负荷特性一般都是固定的，如果能将电网的负荷特性和机组的大修计划统筹考虑，采用长短周期交替和延伸运行相结合的方法合理安排机组大修，避开电网用电高峰期，这也是一种很好的调峰方法。目前可以参考的年负荷运行方式是法国核电厂，核电机组的投运率与负荷率的变化趋势基本一致。低负荷时，核电机组停运台数多;高负荷时，核电机组停运台数少。通过核电停机窗口的合理安排，实现了年负荷跟踪。

5 国内现有参与调峰核电机组的运行方式以及运行状况

根据国内外现有资料，压水堆核电机组主要靠控制棒调节功率，而控制棒有两种，一种是采用吸收中子较强的棒束（黑棒束），这种控制棒由于材料原因，能快速吸收大量中子，造成的功率变化也很大，称为A控制模式。显然在实际调峰过程中，A模式可能无法控制具体的调峰大小，且还会产生很大的功率畸变，所以A控制模式可能也无法满足这种要求。还有一种是采用吸收种子较弱的棒束（灰棒束），这种方式吸收中子少，功率畸变小。

5.1 A控制模式

A控制模式，主要是通过堆芯的平均温度控制系统来实现调节棒束（黑棒束）的自动动作，使反应堆运行在要求的功率数值上。为保证正常的轴向功率偏差，运行人员通过手动调节硼浓度，来限制调节棒的一定。A控制模式运行较简便，只有平均温度这一个调节回路，另外只要改变硼浓度;堆芯中总的控制棒的插入数量少，轴向和径向的燃料都均匀，严格按照规程和技术规范可保证停堆深度。也正是由于堆芯中的控制棒少，改变功率一定程度受到硼浓度限制，也就无法在短时间内实现大幅度的负荷变化。

5.2 G控制模式

G控制模式也称为灰棒模式，对反应堆的配置要求如下：

（1）所谓的灰棒模式，即一些称为灰棒的棒束位于控制棒组件中，使反应堆的径向功率畸变变得最小。分为控制棒组（温度调节棒R、G和功率补偿棒N）和停堆棒组S（灰棒G和黑棒N）。

（2）G模式一般具备两个调节回路，一个开环回路随汽轮发电机的功率变化调节控制棒的一部分棒组（补偿棒组）;另一个回路则通过调节棒组来保证平均温度（类似A控制模式）。

对比A控制模式，G控制模式的特点是它能实现负荷快速变化。在负荷发生变化时，黑棒组和灰棒组按照规定的顺序，依次插入堆芯并保证一定的重叠度，其位置取决于汽轮发电机功率的给定值。另外，它的另一个优点是可实现各种阶跃的负荷变化同时无须运行人员的干预，而且控制棒对功率分布的干扰还不会产生轴向震荡。但G控制模式的缺点在于硼和棒的作用是分离的，在反应堆循环末期，如果紧急停堆又要马上启堆，可操作性较差。

6 结束语

CP-300核电机组参与调峰，总结起来主要如下：（1）由于没有G模式和灰棒控制棒，无法满足电网优化运行。（2）由于功率的频繁调节会加剧反应堆压力容器的辐照脆化和某些关键金属部件的金属疲劳，可能降低机组设备的寿命，需要严格遵守功率调节特性的要求。（3）CP-300的《最终安全分析报告》也提及规定阶跃升、降负荷的次数各为1500次，即在核电厂30年设计寿期内每年5次，而如今机组服役已超二十多年，这对CP-300的调峰能力进行了一定的限制。（4）因为CP-300堆型是中国大陆第一座核电站，无论是堆功率，自动化程度，设备可靠性等与目前陆续投运新机组不可同日而语。特别是反应堆功率较小，由于电网调峰主要考虑的是一些大机组的影响，320MW机组如果参与调峰其能力和效果都非常有限，所以对其参与电网调峰一定要做好权衡利弊。

【参考文献】

[1]单建强.压水堆核电厂调试与运行[M].北京：中国电力出版社，2008.12.

[2]马席朋.探讨大型压水堆核电机组参与电网中间负荷调峰[J].现代电力，2007，24（4）.