核电机组调峰工况的技术要求及堆芯控制策略的探讨

谭 杰 罗俊杰 吴 迪 朱东来 炊晓东

（核动力运行研究所，湖北 武汉 430074）

0 引言

近年来，随着能源结构调整和供需形势的变化，电力生产与发展出现了一些新的形势：核电机组并网容量增加、用电量增速放缓、风电等新能源装机容量扩大、电网负荷峰谷差逐年增大，导致以火电为调峰主体的电网调峰压力逐步增加，核电机组参与电网调峰运行的需求也越来越紧迫。

核电参与调峰运行是一项复杂的综合性活动，论证烦琐，涉及堆芯设计、燃料性能评价、事故安全分析、源项和放射性流出物计算、相关系统与设备论证、堆芯控制策略等诸多环节。其中，除了堆芯控制外，其他环节均在工程设计阶段进行了包络性分析论证，而堆芯控制，则需要在运行阶段，结合堆芯实际运行状态，比如轴向功率偏差参考值（△I）、控制棒棒位等，进行精细化的计算和评价，最终确定是否满足技术规范要求。

本文基于M310核电机组运行技术规范的强制要求，以典型的调峰工况为研究对象，制定了合适的堆芯控制策略，利用堆芯设计软件进行模拟计算，给出了调峰过程中的重要监控参数的演变趋势，为核电厂操纵人员提供参考。

1 调峰相关技术条件

核电机组的《运行技术规范》是核电厂《最终安全分析报告》（FSAR）的直接延伸，集中了机组运行过程（包括调峰）应该遵守的技术规定，以确保安全限值得以遵守，从而保证整个运行寿期内的安全。限定反应堆正常运行的边界是《运行技术规范》的一项重要作用，其中与调峰工况相关的要求如下：

（1）轴向功率偏差必须保持在运行图（见图1）的范围内。在任何情况下，都需满足表1列出的相关规定。

表1 运行图相关规定

图1 运行图

（2）温度调节棒组（R棒）必须在其低—低插入限值之上。

（3）功率补偿棒组（GN棒）不得低于由有效标定曲线确定的棒位。

（4）功率提升速率每分钟不得超过额定功率的5%FP。

（5）在功率水平高于参考功率水平（P）时，在任何情况下，都不得下插功率补偿棒组。在功率水平低于P时，功率补偿棒组的插入至多达到由相当于在P时，开始插入的有效标定曲线确定的棒位。

（6）在前30d功率运行期间，从反应堆至少持续72 h的最大功率以上提升功率时，必须将功率提升速度限制在3%FP/h之内。可以阶跃增加10%FP，然后稳定3 h，最后以3%FP/h之内的速率实现功率提升。

（7）当计划进行长期低功率运行时，必须在功率补偿棒组全部提出的前提下，通过硼化降功率。

（8）象限功率倾斜比必须低于1.02。

（9）失水事故热点因子限值是2.45。

其中，（1）、（2）、（3）和（4）是调峰运行重点关注的条款，且1是最大的风险点；（5）、（6）和（7）是长期低功率运行需要特别关注的条款；（8）和（9）是设计阶段就已进行验证过的条款，调峰期间加强监视即可。

2 典型调峰工况的堆芯控制策略

2.1 典型调峰工况

目前核电厂典型的调峰工况分为如下四个阶段：

（1）以2～3MW/min速率从100%FP降至80%FP，并在该平台停留若干小时；（2）以2～3MW/min速率从80%FP降至50%FP，并在该平台停留2 h；（3）以2～3MW/min速率从50%FP升回80%FP，并在该平台停留若干小时；（4）以2～3MW/min速率从80%FP升回100%FP，并在该平台停留若干小时。

2.2 堆芯控制策略的制定思路

堆芯控制策略主要考虑从调节控制棒位置（R棒或GN棒）和调节硼浓度（硼化或稀释）两种手段中选择合适的方式或者组合，以便满足技术规范强制要求（1）、（2）、（3）和（4）条款，从而达到调峰的目标。另外，需要遵循“常轴向偏移控制法”来抑制氙震荡的产生。常轴向偏移控制的要点在于：不管反应堆运行功率水平是多少，都力求保证在一定时间内相同的轴向功率分布形状，即基于△I来控制反应堆。

以典型调峰工况为研究对象，探讨堆芯控制策略的制定思路。

一阶段：推荐采用调节硼浓度的方式进行功率控制，辅助以下插R棒的方式进行ΔI控制。理由为：80%FP平台停留时长存在较大不确定性，电网可能根据负荷情况要求核电机组进行长期低功率运行，为了兼顾技术规范条款（7）的要求，因此选择硼化降功率更为稳妥；硼化降功率将触发氙震荡现象，导致ΔI向正发展，为满足技术规范条款1.h的要求以及常轴向功率偏移原则，因此辅助以下插R棒的方式进行ΔI控制，期间需要关注技术规范条款2的符合性。

二阶段：推荐采用调节硼浓度的方式进行。功率控制，辅助以下插G棒的方式进行ΔI控制。理由为：若完全采用插GN棒的方式，GN棒插入较深，有违反技术规范条款1.f的风险，同时，GN棒插入导致堆芯功率分布更加恶劣，氙震荡也更加剧烈，有违反技术规范条款1.g的风险，因此，不建议将GN棒作为功率控制的主要手段。而采用硼化作为功率控制的主要手段，辅助以插GN棒作为ΔI控制的手段，好处是硼化降功率导致的ΔI向正发展，此时R棒裕量已在上一阶段几乎消耗殆尽，正好利用G1棒下插来抑制ΔI，既减轻了GN棒下插的深度，又预留了G1棒作为抵消硼化对ΔI的正向效应的手段，一举两得缓解风险。

三阶段与二阶段的思路类似，四阶段与一阶段的思路类似。

2.3 堆芯控制策略的模拟计算

依照上述控制思路，利用堆芯设计软件对典型调峰工况的堆芯控制策略进行模拟计算，调峰期间的ΔI趋势图见图2，各阶段的计算结果见表2、3、4和5。可以看出，调峰期间各项参数均控制良好，满足技术规范要求。

图2 调峰期间轴向功率偏差运行轨迹

表2 阶段a（从100%FP降至80%FP）的堆芯计算结果

表3 阶段b（从80%FP降至50%FP）的堆芯计算结果

表4 阶段c（从50%FP升至80%FP）的堆芯计算结果

表5 阶段d（从80%FP升至100%FP）的堆芯计算结果

3 结语

本文梳理了核电机组运行技术规范中与机组调峰相关的技术要求，并按关注度进行了分类，便于工程技术人员快速获取和利用；以典型的调峰工况为研究对象，阐述了各项技术要求在实际调峰运行控制策略制定过程中的运用思路，从而制定了合适的堆芯控制策略，并利用堆芯设计软件进行模拟计算，给出了调峰过程中的重要堆芯参数的演变趋势。结果表明，在充分兼顾技术规范各项要求的前提下，能够较好的地实现核电机组调峰运行目标。