CPR1000 核电机组参与电网调频的分析研究

引言

随着核电装机容量的逐步提高，在整个供电体系中所占比例逐渐加大，核电参与电网调峰、调频问题的日益突出。本研究系统性分析调频、调峰对核电安全运行带来的影响及措施，为核电机组高效稳定运行提供支持和实践参考；

1 核电机组调频现状

国家电网公司对核电机组一次调频执行火电机组标准，并对相关性能进行考核；南方电网公司要求新并入核电机组都必须投入一次调频功能，性能要求与火电机组基本相当。国内核电机组参与调峰的情况与所处地理位置、电网容量相关性较大，例如广西防城港电站调峰和减负荷情况较多，其他机组相对较少；针对一次调频投入情况由于机组类型不同而有所不同，早期设计机组在这方面能力不足，新投产的核电机组基本要求具备该能力，当前投入的死区通常为 0.033Hz ，转速不等率为 4～5% ，

法国 EDF 其中核电占比 64% ，所属核电机组都参与系统一次调频，其主要的性能指标要求死区为 ±0.02Hz ；转速不等率一般为 4% ；限幅最低为 2%-2.5% 额定功率，最高为 7% 额定功率；二次调频由指定核电机组参与。

当前国内整体核电机组的占比仍较小，其调频性能较弱；目前国内大量发展高压输电网络；在大容量输电负荷缺失时，系统机组的调频能力将直接关系到电网的安全稳定运行；

2 核电机组运行要求分析

2.1 CPR1000 核电机组功率调节

核电机组正常运行时为堆跟机模式，即反应堆的功率完全由汽机控制，频率控制的补偿量直接加到调节系统的负荷定值上，即一次调频通过前馈+PI 的方式迅速改变汽机主蒸汽流量，由于为堆跟机模式，因此对汽机的影响最终会直接影响到反应堆控制。所以核电站一次调频的死区，幅值设置都受核岛的反应堆控制的制约。

2.2 核电机组调频理论分析

根据核电汽轮机调节系统分析，当汽轮机转速频率发生变化时，功率的变化值为：

Δf 为给定转速与实测转速之差； K 为常数（调差系数），即不等率，； fn 为给定转速； ΔP 为功率变化值，即功率目标指令与实测功率之差； P 为发电机额定功率。可计算得出：

1、转速偏差 [1.5rpm ，7.5rpm]，蒸汽需求量变化=转速偏差/1500 ^∗25^∗100%=[0% ，10%]，负荷变化=转速偏差/1500*25*100%*1089MW=[0MW，108.9MW]，转速偏差大于 7.5rpm 蒸汽需求量变化增量保持 10% 上限不变。

2、若机组调频死区设置为[ -0.05Hz ， +0.05Hz] ，电网频率波动期间机组调节情况为：

当电网频率对应转速降至 1498.5rpm ，调频开始动作，蒸汽需求量增加---高压缸调节阀开大---电功率上升；

当电网频率对应转速降至 1492.5rpm ，蒸汽需求量达到理论稳定最大值；由于同时受高调阀特性曲线限制，蒸汽流量实际最大能到到 107%FP

机组常用高压缸阀门曲线表

2.3 核电机组关键影响因素分析

调频频繁动作，为补偿一回路冷热，温度调节棒（R 棒）频繁动作，引起△ I 和Xe 毒发生振荡；这种振荡的趋势是负荷变化越大、越快，且燃耗越深的情况下振荡越强烈。此时一旦△ I 超过限值，反应堆将偏离正常运行范围。

GRE 高调阀油压脉动，在满功率和超功率工况下汽轮机高压调节阀门开度控制处在阀门特性曲线拐点区域，即蒸汽负荷微小变化将导致阀门开度大幅度变化，此时对高压调节阀门动力油软管油压脉冲波动增大，带来的油压脉冲越强，最终导致金属波纹管发生疲劳开裂漏油。

频繁参与一次调频时，控制棒在堆芯内上下移动，每移动一步两者之间不可避免地会产生磨损；控制棒与控制棒导向筒之间也存在着磨损，这种磨损使得控制棒的可靠性降低，最坏的可能导致的结果是控制棒落棒事故、弹棒事故和一回路破口。

调频使工作介质的温度和压力的反复变化产生循环交变应力，这种交变应力引起的疲劳破坏机组的某些设备，可能影响一回路压力边界的完整性，从而增加放射性核素泄漏的风险。

一回路频繁升降温将导致放射性废水处理和排放量有所增加。

3 调频模拟验证及分析

通过全范围模拟机模拟满功率运行下，电网频率异常下降至 49.56Hz ，机组主要参数变化记录如下表（频率死区设置为 ）：

通过上表数据可以分析得出：当发生电网频率波动时，① 反应堆相关保护未触发，其中超温/超功率△ T 保护的裕度有所降低； ② 反应堆热功率将超过 102%FP （2963MW）； ③ 温度调节棒上提 6步，将引起Xe 毒和△ I 振荡，极易引起功率分布畸变； ④ 频率控制补偿功率增加为109MW，高调阀开度从 64% 至约全开，将产生高幅度的油压脉动。

从模拟机验证情况分析：

① 反应堆功率增加导致超温/超功率△ T 保护的裕度有所降低；

② 满功率运行时可能导致反应堆热功率将超过102%FP（2963MW）；

③ 温度调节棒快速提升，可能引起 Xe 毒和△ I 振荡，特别是在寿期末极易导致超出运行梯形图中规定正常范围，进而引起功率分布畸变；

④ 频率控制补偿功率增加过大时，高调阀开度从 64%至约全开，将产生高幅度的油压脉动，易冲击损坏阀门供油软管。

4 调频的必要性分析及建议措施

在核电机组调频的同时要确保核电机组的安全性，并且要满足核安全和辐射防护的最优化原则；因此核电机组的调频应作为一个长期项目进行研究，在两者之间找到平衡点。

关于核电机组一次调频涉及到电网安全运行与核电站安全运行两方面问题，通过分析应当从如下几个方面进行考虑和研究：

1）结合核电机组负荷占电网负荷比例变化趋势，分析其调节贡献的能力和影响；

2）根据实际情况制定核电机组参与调频的规则和准入条件，分析核电机组机组什么情况下不允许参与调节；

3）结合当前技术规范等相关要求，梳理禁止参与调频的相关限制，制定管理手段；

4）为确保核电机组不超功率不导致保护降级，核电机组的一次调频调节幅度设置要适当，且参与一次调频时，机组上限负荷需要考虑；

5）核电机组调节死区的设置，即与常规电站参与调频的先后序列；应当与常规电站有些区别，电网在什么时候需要核电机组参与调节；

6）加强核电机组辅助系统设备的运行管理，特别是影响机组负荷快速调节的缺陷管理应重视并得到跟踪。

7）在各阶跃试验中虽已验证汽轮机具备快速响应能力，但由于汽轮机采取饱和蒸汽，因此一次调频动作 GRE 阀门开大瞬间对汽轮机内蒸汽的影响，尤其是凝结和闪蒸的效应仍需要得到关注，特别是关注对汽轮机运行影响；

5 结论

近年来随着我国核电事业快速的发展，核电站在电力系统中占比逐步增加，对电网的稳定、安全、经济运行影响日益增加；通过本研究分析得出以下结论：

1、核电站理论设计具备一定的一次调频能力，但实际调频过程会对反应堆产生一定影响，尤其是超功率和堆芯扰动问题；

2、随着核电站的快速发展，核电站参与一次调频势在必行，因此应加强自身能力分析和设备论证

3、由于核电站与常规电站的区别，根据电站的设计理念和实际调节能力，结合电网的调节需求，需要保持与电网沟通，寻找到合适的平衡点；优化核电站一次调频的死区设置、幅度确定；

参考文献

[1] 王磊，蔡洁昌. CPR1000 机组负荷调节能力，中科华核电技术研究院.2015.2

[2] 王欣欣，蔡德昌.18 个月换料专项 ELPO 论证，深圳中广核工程设计有限公司.2010.4