摘要：随着核电的发展，电网中核发电量所占份额的增加，要求核电站必须进行负荷跟踪。本文详细分析了压水堆核电机组的负荷跟踪能力。
关键词：核电；压水堆；负荷跟踪
当前，随着装机比例的提高，核电机组的负荷跟踪能力，日益成为影响系统安全经济运行、电网及电源结构发展，乃至核电自身发展的重要因素。
一、压水堆核电机组负荷跟踪技术的演进
1、从“机跟堆”到“堆跟机”。电力系统生产和消费实时平衡的特点，要求并网的所有发电机组协调发电功率，实时跟踪负荷变化。在这种协调中，会对核电站的发电功率产生一定的约束。
1）“机跟堆”模式。“机跟堆”模式不要求核电机组参与电网的调峰过程。在这种模式下，反应堆通常以满功率水平运行，将输出的全部能量通过发电机转换为电能输送给电网。“机跟堆”模式着眼于核电站，在优先保障核电站安全运行的前提下，使核电站尽量可靠、经济运行。但该模式对并网的其他发电机组不利，尤其是在电力规划缺乏合理的调峰辅助服务补偿的情况时，通常要以关停部分水电、火电站为代价，极大降低电网调频手段的灵活性。
2）“堆跟机”模式。“堆跟机”模式是一种较为灵活的运行模式。该模式要求核电机组在事先设定好的功率运行范围内，以一定的响应速度跟踪用电负荷的变化。这种运行模式要求反应堆功率调节系统具有适当的快速调节能力和准确性，使反应堆核功率能以较快的速度跟踪负荷水平的变化。针对机组在这种快速且频繁的变化下可能出现的问题，一些新的安全标准及相关的应对措施也随之产生。“堆跟机”模式的出现，在一定程度上有效缓解了区域电网内其他电站的运行负担，确保了电网频率的稳定。
在核电发展早期，由于核电装机容量较低，各核电机组均以“机跟堆”为运行模式。然而，随着各国产业升级等技术进步，核电占发电总量的比例也不断上升，原有的运行模式不再适合电网需求。因此，“堆跟机”模式逐渐被各国所采纳。
2、从A模式到G模式。早期建造的压水堆核电站，其各组功率控制棒都由同一种材料制造，其吸收中子的能力较强，称为R型控制棒。所有控制棒组的移动基本上是同步的、同幅的，这种控制模式称为A模式。在此模式下，为避免控制棒快速移动而引起堆芯轴向功率分布不平衡，反应堆功率的变化速度不能太快，而且堆功率的调整会引起对一次冷却剂硼浓度的调节，产生大量待处理的硼溶液。因此，在A控制模式下，核电机组难以进行快速的功率调节，难以适应“堆跟机”的模式。
为了使压水堆核电站能跟踪电网负荷的变化，快速改变反应堆功率，后期的压水堆核电站以G型控制棒替代了部分原有的R型控制棒组。G型控制棒组的特点是：它吸收中子的能力比R型棒组较弱，而且各组G型控制棒组的移动不完全同步。这些特点使G型控制棒组在移动时，不会造成堆芯功率在轴向分布的严重畸变，不需调节一次冷却剂的硼浓度来配合功率调节。因而，通过G型控制棒调节反应堆功率，即G模式，能达到较高的速度，满足“堆跟机”的要求。
3、从G模式到不调硼调峰。在G模式中，硼浓度调节只用于补偿负荷跟随引起的氛毒反应性慢变化，对调节棒组插入只起微调作用。但在寿期末由于硼浓度低，调硼时废水产生量急剧上升使调硼系统无法承受，使负荷跟踪成为不可能。这一缺点使G模式的负荷跟随能力只在80%的循环寿期内有效，即采用G模式的核电站循环寿期末尾的20%没有负荷跟踪能力。
为克服此困难，美国用户要求文件URD和欧洲用户要求文件EUR都要求新一代核电站具有不调硼负荷跟踪的能力。西屋公司在20世纪90年代初开发了具有不调硼负荷跟随能力的MSHIM（Mechanical Shim）运行模式。MSHIM控制系统由两组独立的控制棒组成，分别为轴向偏移（AO）棒组和M棒组。MSHIM负荷跟踪运行时，两组控制棒可提供足够的反应性价值以补偿瞬态反应性效应，而无需调节可溶硼。
目前已知的满足不调硼负荷跟随的堆型有：AP600、AP1000和Svstem80+。根据相关研究成果，M310型压水堆可通过技术改造，实现不调硼负荷跟踪。
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二、压水堆核电机组负荷跟踪能力
目前，我国在运的压水堆核电厂有秦山一期、秦山二期、田湾、大亚湾、岭澳等电厂。其中，秦山一期属于原型堆，负荷跟踪能力较差，主要通过长期低功率运行的方式参与调峰；田湾核电采用的是俄罗斯WWER-1000/428（即AES-91）堆型，堆芯设计上具备实现灵活的负荷跟踪模式的条件；秦山二期采用A模式，大亚湾和岭澳采用G模式。今后我国建设的压水堆核电站主要采用以CPR1000为代表的“二代加”核电技术和以AP1000、EPR为代表的三代核电技术，其中CPR1000按G模式设计，AP1000可实现不调硼调峰，EPR的负荷跟踪能力较G模式有所改进，但仍需调硼。
1.A模式压水堆机纽的负荷跟踪能力。该模式要求反应堆在满功率或接近满功率水平下稳定运行，反应堆功率调节主要靠调节可溶硼浓度来实现。但考虑到反应堆可能出现快速升降功率运行，仅靠调节硼浓度来改变功率水平不够，因此，该模式又具有一定的控制棒调节功率的能力。设计要求在80％循环长度内能进行功率变化形式为12-3-6-3（低功率为50％FP（满功率））的日负荷跟踪，即在负荷高峰时带12h满出力，晚间负荷下降时用3h线性减负荷，在低功率平台上（一般为50％FP）上运行6h，最后在早间用3h线性加负荷至满出力。此外，还具有5％FP/min的线性功率变化及10％FP阶跃功率变化的调节能力。
2.G模式压水堆机组的负荷跟踪能力。采用“G模式”的核电站，设计要求在前80%的循环寿期内具有日负荷跟踪能力，可按“12-3-6-3”模式参与调峰，最低运行功率为30%FP（满功率）。相比A模式，G模式机组还能进行“16-8”的快速日负荷跟踪。此外，大亚湾和岭澳等机组可在50%FP（满功率），75%FP（满功率）两种功率平台上进行长期低功率运行。
3、EPR机组的负荷跟踪能力。EPR机组具有较强的日负荷跟踪能力。在前90%循环寿期内，核电机组能按如下方式进行日负荷跟踪：从满功率开始，在2h内功率降至50%，在低平台上运行2-10h，然后在2h内升至满功率；在80%循环寿期内，还可上述模式将功率降至25%运行。此外，EPR还具有长期低功率运行的能力，机组出力在25%额定功率及时，能长期低功率运行，不受功率水平及运行周期限制。
4、AP1000机组的负荷跟踪能力。AP1000机组基本通过灰棒来控制反应性，调节功率，以适应电网负荷变化，代替过去用改变冷却水的硼浓度来跟踪负荷的方法，减少了废水量。在前90%循环寿期内，核电机组能按如下方式进行日负荷跟踪：在满功率运行10-18h，然后2h内线性变化至50%FP，在50%功率平台上运行2-10h，然后在2h内线性升至满功率。在长期低功率运行方而，AP1000与EPR相当。
三、压水堆核电机组负荷跟踪运行实绩
当前，我国的秦山一期、大亚湾、岭澳一期核电机组在近年特殊负荷日均降负荷运行以参与调峰，其中秦山一期机组一般降功率至200MW运行，大亚湾、岭澳一期机组一般降至760MW，也有降至500MW的运行实例。在特殊长假期间，负荷水平降低，核电机组降功率运行，能减少核电机组在基荷中的比重，缓解电网的调峰压力。据调查，目前我国核电机组尚未有以类似“12-3-6-3”模式参与日负荷跟踪的运行经验。
在核电比重较大的美国和日本等国家，核电机组均有进行日负荷跟踪的实例。美国西屋公司建造的多座压水堆核电机组，已具有很多日负荷跟踪运行的实际成绩，其中一个已在连续4个换料周期内进行了600次以上的日负荷跟踪运行。日本四国电力公司伊方核电站的#2机组于1987年10月-1988年2月间按“12-3-6-3”模式进行调峰，确认了运行性能完全没有问题。
四、结语
电网中的电量需求是工业用电和生活用电的总和，它在昼夜和不同季节之间差别很大。由于电力无法储存，因此电厂必须根据电网的需求来调整其输出功率，以进行负荷跟踪运行，即在给定时期内生产的全部电能与用户所消耗的电能总量相匹配。
参考文献：
[1]余文奇.压水堆核电机组负荷跟踪能力综述[J].中国能源，2014.
[2]伍浩松.浅析核电机组的负荷跟踪能力[J].国外核新闻，2015.
[3]赵福宇.大型核电机组负荷跟踪控制技术分析[J].热力发电，2014.
论文作者:刘伟明,熊方勋
论文发表刊物:《电力设备》2018年第14期
论文发表时间:2018/8/21
标签：负荷论文; 功率论文; 核电论文; 机组论文; 模式论文; 控制棒论文; 能力论文; 《电力设备》2018年第14期论文;