丁明
摘 要
秦山核电是中国大陆核电的发源地，是中国大陆装机容量最大、机组数量最多、堆型最丰富的核电基地。基地地处浙江海盐县，位于华东电网负荷中心区域，年发电量约520亿千瓦时。随着我国经济发展进入新阶段以及华东电网电力市场的新环境，核电的基荷电源地位逐渐受到挑战，设备利用小时数呈逐年下降趋势。近年来华东区外来电受入规模不断增加，区内电源尤其是风电、光伏新能源的高速发展，以及受经济影响电力市场需求侧增长乏力，目前核电机组在华东电网的消纳受到一定的限制。本文通过秦山核电参与电网负荷调节的现状入手，基于核电运行的优劣势进行深度剖析，旨在为相关专业技术人员提供参考。
关键词
秦山核电;清洁能源;负荷调节
中图分类号： TU832 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 82
0 概述
（1）华东电网及外部电力环境
华东电网是我国最大的跨省市区域电网，包括上海、江苏、浙江、安徽和福建四省一市。2019年华东电网全网调度口径用电量16753.57亿千瓦时，全社会最高负荷为297910MW。华东区内风电、光伏等新能源装机持续高速增长，最大用电峰谷差持续增大，跨区特高压直流送电能力逐步释放以及受经济影响电力市场需求侧增长乏力。华东电网的安全稳定运行面临更大的挑战，面临越来越大的峰谷差，负荷调节压力与日俱增。
（2）秦山核电概况
秦山核电基地位于浙江省嘉兴市海盐县，处于华东电网负荷中心区域，基地内共拥有9台核电机组，总装机容量660.4万千瓦，年发电量约520亿千瓦时，是我国装机容量最大、机组数量最多、堆型最丰富的核电基地。截至2019年年度，累计安全运行123.04堆.年，安全发电5889.8亿千瓦时，减少标准煤消耗1.86亿吨，减排二氧化碳5.70亿吨，二氧化硫约320万吨，相当于植树造林369个西湖，创造了良好的环境效益。
1 秦山核电参与华东电网调峰运行情况
秦山核电9台机组的反应堆设计均按照带基本负荷运行模式设计，不具备低功率运行和参与电网调峰调频的能力。由于机组调峰能力的关键设计的差异，秦山核电核电机组自投产以来，尚未参与过电网的日调峰运行，仅在法定节假日或者台风等自然灾害下负荷骤降等情况下，配合电网进行降出力调整，一般降至最低技术出力运行。
近五年来，秦山核电累积参与电网负荷调节运行139台次，其中降功率运行126台次，停机13台次。其中法定节假日调峰损失占比最大，占比达到95%以上。在法定节假日中，春节与国庆长假的调峰损失分别占比64.96%和20%，超过总损失的80%以上。秦山核电越来越频繁地参与电网负荷调节运行。
2 秦山核电参与电网负荷调节运行的限制因素
秦山核电现有机组的设计基于我国核电发展初期核电在全网总装机占比低，未考虑日负荷调节。机组仅在电网特殊时段下，在计划安排下降功率至最低技术出力参与电网负荷调整。限制核电机组参与调峰运行的主要因素有以下几个方面：
2.1 反应堆控制
参与节假日调峰导致的堆功率的变化将使反应堆轴向功率偏差运行控制困难，堆功率调节越多，氙毒产额越大，暂态效应越明显，反应堆难以控制，从而导致安全裕度下降。在寿期末，氙振荡比寿期初更剧烈，导致轴向功率偏差的振荡也更难控制，在寿期末更要避免功率的波动。同时频繁进行升降功率操作增加了核电站人因失误及设备故障的风险。
2.2 降低核燃料可靠性
由于燃料芯块与包壳的热膨胀系数不同，在核电机组负荷变化时，若速率或幅度较大，包壳局部可能产生过应力和过应变，芯块膨胀的更大，芯块与包壳相互作用容易导致燃料包壳的损坏。同时，裂变产物碘可使包壳内壁产生微裂纹，在过大的拉应力下这种裂纹会形成破口。若功率大幅下降，则同样因热膨胀系数不同导致芯块和包壳的间隙出现又闭合，这时快速提升功率且超过原负荷值时，包壳更易破裂。反应堆功率的频繁变化，严重时会危及核反应堆的安全。
2.3 环境成本增加
核电站是通过功率补偿棒、温度控制棒、硼浓度等方式控制堆功率，负荷变动都会涉及硼浓度调节。调节硼浓度时，在稀释过程中会从一回路释放出一定量的放射性水。对于百万千瓦机组来说，负荷跟踪期间系统平均每天需要处理的一回路水流量约为47m3，远远大于基本负荷运行时平均每天10 m3左右的水量。随着燃耗的加深，进行负荷跟踪将产生更多的放射性废水。这在很大程度上增加了系统的负担，增加了环境成本。
2.4 降低设备可靠性
核电机组频繁地参与负荷调节也影响一些关键设备的可靠性。一是控制棒与驱动机构，控制棒与导向筒之间存在着磨损，这种磨损会降低控制棒的可靠性，可能导致控制棒落棒事故、弹棒事故和一回路破口事故发生概率的增加。二是负荷调节过程中一回路温度和压力的反复变化引起的疲劳破坏对机组的某些设备可靠性会产生影响。如低功率下稳压器波动管热分层现象可能对波动管的完整性构成威胁等。
3 核电参与电网负荷调节运行的思考
3.1 核电与其他型机组调节能力的分析
3.1.1 出力的可控性方面
风电、光伏等可再生能源受自然条件影响出力随机性和波动性较大。而常规火电在最小技术出力范围内灵活控制，水电（抽蓄）机组除径流式水电站出力不可控之外，可实现出力的控制;核电机组在满足运行安全的前提下在一定范围内出力可控。
3.1.2 调节速率方面对比
抽蓄机组调节速度最快，非径流式水电机组其次，燃机低于水电机组但高于燃煤火电，核电机组在满足安全的前提下调节范围小，速度也相对较慢，而新能源机组在无储能时基本不可控。
综上所述，核电的主要优点在于运行稳定性和可靠性，缺点是调节能力不如常规电源，但优于风电和光伏等新能源。因此秦山核电机组更适合保持现阶段的调峰运行模式，即正常情况下带基荷运行模式，在电网特殊时段可降功率至最低技术出力，運行时限不超过并网调度协议规定的时间。
3.2 在调峰压力日益严峻情况下，核电机组的探索
基于秦山核电参与电网调峰的数据分析，秦山核电参与调峰主要集中在法定节假日，春节和国庆长假尤为突出。核电企业通过优化生产计划安排，尽可能将机组的检修工作（大修及消缺等）安排在春节及国庆长假期间执行，配合电网的负荷调节。
其次，为了面对日益严峻的调峰压力，后续的核电机组应按照具备调峰能力进行设计或引进。同时电网调度按照“新人新办法、老人老办法”对不同类型核电机组制定不同调峰政策。
4 结论
随着我国经济发展进入新阶段，华东区外来电受入规模不断增加，区内新能源的高速发展，大电网已逐步建成。核电在电网中的地位也将更加突出，也将更加频繁参与电网的安全控制，这就决定核电从业者更为开放、更为与时俱进，为核电及电网的稳定运行出谋划策。
参考文献
[1]华东电网2019年度信息发布会.
