核电机组参与电网调峰的运行方式及效益分析

核电机组参与电网调峰的运行方式及效益分析

摘要：核电面临着越来越大的调峰运行压力。研究了核电机组的功率调节、长

期低功率运行及延伸运行等调峰运行性能，提出了核电机组参与电网调峰的运行

方式。在计算分析核电机组的调峰成本和效益的基础上，提出了核电参与电网调

峰的运行位置、判据及调峰平衡算法，并结合实际电网算例作了计算分析。结果

表明，核电具有较好的调峰能力，且成本较低，可参与电网日调峰、周调峰及年

负荷跟踪，但其调峰深度和速度受到安全经济性的限制。核电机组适当调峰运行，可以提高系统安全性和灵活性，提高资源配置效率。

关键词：核电机组；调峰特性；运行方式

1压水堆核电机组的运行特性

1.1 核电厂负荷跟踪的控制量

在设计上，所有的反应堆都有适当的负荷跟踪能力以满足电网需求。但在实际运行时，

负荷跟踪能力受到核安全等方面的一系列限制。通常从反应堆控制系统性能、氙毒、反应堆

芯温度不均匀程度和波动幅度、燃料浓度等方面考虑核电机组负荷跟踪的能力。

在压水堆的负荷跟踪过程中，可使用的控制量有控制棒位移、硼溶液浓度和堆芯冷却水

入口温度变化等。在实际运行中，一般采用控制棒位移和硼溶液浓度作为控制量来实现压水

堆的负荷跟踪控制。其中，控制棒控制快速的反应性变化，硼浓度控制慢速的反应性变化。

1.2 功率调节特性

压水堆核电机组功率的快速调节通过调节控制棒的位移来实现。功率调节范围一般设计

为30%Pn~100%Pn，其受到燃耗水平的影响，寿期末的功率调节范围变小，如图1所示。

图1 压水堆核电机组的功率运行性能

压水堆核电机组运行于可调节区时，功率调节速率一般约为0.2%Pn/min~0.3%Pn/min，

最高不超过5%Pn/min，且具有10%Pn的功率阶跃变化能力。因此，当核电机组运行于低功

率水平时，具有10%Pn的即时旋转备用，但机组功率不能连续进行阶跃变化和线性变化。

核电机组功率的频繁调节会加剧反应堆压力容器的辐照脆化和冷却剂循环系统、蒸汽供

应系统的某些关键金属部件的金属疲劳，可能降低机组设备的寿命。核电机组输出功率的频

繁调节对冷却剂压力、体积、硼浓度的控制、蒸汽发生器给水的控制有很高的要求，核电调

峰对功率分布会产生不利影响，将经常面临一些困难，如规定时间内抽出功率棒与轴向功率

偏差∆I控制的矛盾、温度调节棒棒位限制与∆I控制的矛盾、寿期末硼稀释能力不足与∆I控制

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，保证核电机组安全运行。

1.3长期低功率运行特性

核电长期低功率运行是指功率控制棒组全部抽出且运行的功率水平低于基准功率水平，

其持续时间大于12h。在整个ELPO运行的过程中，分别以硼化和稀释的方式降低功率和提升功率。

ELPO运行对径向功率分布和核焓升因子的影响可以忽略不计，但∆I控制比较困难。ELPO运行期间，氙峰在堆芯上部，使堆芯上部的燃耗增大，升功率时氙振荡会使∆I更负。ELPO运行持续时间越长，∆I控制就越难；发生II类事故时，容易因芯块与包壳的相互作用而引起包壳破损。因此，对于ELPO运行的累计时间一般都有一定的限制，功率运行水平越低，限制天数越短。ELPO运行的允许天数如表1所示。

表1 长期低功率运行允许天数

1.4延伸运行特性

延伸运行是指反应堆运行到设计燃耗以后，依靠慢化剂温度和功率下降提供的反应性继

续以尽可能高的功率运行，以延长运行周期。

延伸运行的堆芯状态与自然循环相比有较大差异。在延伸运行开始阶段，通过增加汽轮

机进汽阀开度增大主蒸汽流量来降低慢化剂温度，之后汽轮机进汽阀保持接近全开状态。同

时利用燃料的温度效应，通过降低反应堆功率来增加反应性，使得反应堆继续运行。随着延

伸运行的进行，一回路平均温度不断降低，蒸汽发生器的蒸汽压力也不断降低，∆I随一回路

平均温度降低而向右变化。

延伸运行改变了一回路温度与功率对应的运行曲线，亦改变了汽轮机入口蒸汽的品质，

对二回路的参数控制造成了影响。因此，延伸运行前应准备好应变计划和操作导则。

我国大亚湾核电站已经积累了延伸运行的宝贵经验，其设计延伸运行时间限制为30d。

寿期末采用延伸运行模式，可以提高大修停机窗口安排的灵活性，同时也适当提高燃料使用

的经济性。

2核电参与电网调峰的运行方式

2.1日负荷跟踪运行方式

考虑到调峰的深度和速度限制，压水堆核电机组可采用“12-3-6-3”的方式和最大50%的深

度参与电网日调峰运行，即每日12h满功率运行，3h降功率，在低功率水平连续运行6h，

再以3h升功率至满功率稳定运行。第三代核电机组AP1000、EPR等具有更优越的性能，可

以在整个寿期前段90%的时间内，按“15-1-7-1”的方式参与电网调峰运行，即降功率和升功率

均在1h内完成。典型的核电机组日负荷跟踪模式如图2所示。该出力方式比较符合电网负

荷变化趋势，核电机组出力调节速度也较小。调峰的深度、速度和时间由电网和核电厂根据

实际情况确定。

(b)冬季日负荷跟踪

2.2周调峰运行方式

压水堆核电机组能以长期低功率运行方式参与电网周调峰。我国大亚湾核电厂曾有在节日、周末和台风过境期间降低功率至760MW运行2—3d的运行方式，但是该运行方式累计

天数和次数受到限制，1a不超过5次。

2.3年运行方式

结合电网年负荷特性，充分做好检修计划，采用机组长短周期交替及延伸运行的方法合

理安排机组大修停机窗口，避开电网负荷高峰期。

法国的典型年负荷特性曲线与核电机组投运台数曲线如图3所示。

综合分析可知，核电机组参与调峰受到安全方面的一系列因素限制，灵活性不足，且调

峰会使核电丧失边际成本和清洁能源的优势。因此，尽管核电的调峰成本略低于蓄能及燃气、燃油机组调峰的成本，但是系统一般优先安排蓄能、燃油机组调峰，在有特殊要求时才安排

核电调峰运行。

结论

1）核电机组调峰的深度和速度受到其安全性及经济性的限制，但其可按照“12-3-6-3”的

出力方式参与电网日负荷调峰。

2）核电能以长期低功率运行方式参与系统周调峰，以长短周期交替和延伸运行的方法

合理安排停机窗口实现年负荷跟踪。

3）核电机组具有较大的调峰深度和调峰容量，能够为电力系统提供有价值的调峰辅助

服务。

4）核电调峰的成本在各类高成本调峰手段中处于较低水平。核电机组调峰的合理次序

应在蓄能、气电和油电调峰之后，在火电启停调峰之前。

5）随着我国核电比例的逐步提高，建议加强核电厂与电力系统的合作，共同探索厂网

协调调度的最佳模式，对于保障厂网安全和提高经济效益具有重要意义。

参考文献

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