研究与探索 ２０１６ 遣农机ＵＪＩＡＮ ＮＯＮＧＪＩ 一次调频对核电机组动力一回路运行安全影响的研究 陈峰 （福建电力调度控制中心，福建福州３５０００３） 摘 要：通过对核电机组一回路运行安全要求的了解，以及电网一次调频死区设置对汽机自动机械调节影 响的深入分析，指出一次调频对ＣＰＲＩＯ００核电机组运行安全的影响，并得出目前福建省ＣＰＲ１０００核电机组不 宜频繁参与电网的一次调频的结论。 关键词：核电机组；动力一回路；一次调频；安全运行 中图分类号：ＴＭ６２３－３文献标识码：Ａ １核电机组功率调节系统简介 目前福建省投运的核电厂多采用ＣＰＲ１０００技 术，其动力一回路功率调节采用了反应堆功率跟踪 频率控制的补偿量直接加到ＧＲＥ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，以响应电网调频。由于为堆跟机模式， 因此一次调频对汽机的影响最终会直接影响到反应 汽轮机功率的模式（Ｇ模式），其特点是设有温度调节 棒（Ｒ棒）、功率补偿棒组（Ｇ棒）和停堆棒（ｓ棒），通过 调节Ｇ棒组以及调节Ｒ棒组和硼浓度来协制反 应性，使电站一回路具有一定的自动机械快速跟踪 负荷变化的能力。Ｇ棒调功率，响应较快，最快为 ５％Ｐｎ／ｍｉｎ，这是由控制棒步进式的移动原理决定的 （功率棒最快７２步／ｍｉｎ）。 汽机调节系统（ＧＲＥ）通过调节汽机进汽阀开度 堆控制，即通过改变反应堆功率来响应一次调频。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核电机组一回路运行安全要求 为保证运行过程核控制的安全，核电厂的运行必 须遵守以下要求： １）反应堆热功率范围。连续运行期间，堆芯 对机组实施转速控制、功率控制和频率控制，并对机 组的负荷和转速实施超速、超加速、负荷速 稳态热功率不超过１００％ＦＰ（一回路稳态热功率不超 过２９０５ ＭＷ，堆芯稳态热功率不超过２８９５ ＭＷ）。详 降，以满足供电的频率和功率的要求。功率控 制是指根据电网功率需求自动或手动调节汽机进汽 细要求为：禁止堆芯热功率超过１０２％ＦＰ；任何连续 ８ ｈ内，堆芯热功率在１０２％ＦＰ水平的累计运行时间 不超过１５ ｍｉｎ；超过１０１％ＦＰ的累计运行时间不超过 ３０ ｍｉｎ；超过１００．５％ＦＰ的累计运行时间不超过６０ ｍｉｎ。 阀开度，以调节发电机有功功率；频率控制则是对电 网频率偏离额定值进行补偿。 由于核电一次调频为堆跟机的自动机械调节模 因为在ＦＳＡＲ（核电厂最终安全分析报告）事故分析 式，即正常运行时，反应堆的功率完全由汽机控制， 中，假设的反应堆初始热功率为１０２％ＦＰ，若反应堆 作者简介：陈峰（１９６７一），女，高级工程师，主要从事电力系统调度运行工作。 俞２０１６ 连农机ＦＵＪＩＡＮ ＮＯＮＧＪＩ． 功率超过１０２％ＦＰ，则超出了设计准则中安全分析的 论证范围，反应堆的安全得不到保证。 ２）反应堆机械功率的提升速率。为了防止 燃料芯块一包壳相互作用，反应堆功率提升速率每 ｌｍｉｎ不能超过额定功率的５％。因为当超过某一辐 照水平时，燃料芯块一包壳的间隙一旦闭合，在功率 提升期间的膨胀差就会引起在锆锡合金中的热应力 集中，不管是否有应力腐蚀现象，都很可能引起包壳 破裂。而一次调频的动作非常迅速，当电网出现较大 波动时，若一次调频单次机械动作过大，将会直接使 反应堆的功率提升速率超过５％，超出技术规范要求。 ３）反应堆功率分布畸变，防止堆芯内形成局 部热点。ＡＩ（轴向功率偏差）是衡量反应堆的轴向功 率分布的指标。反应堆必须在较小的轴向功率畸变 条件下运行，也就是反应堆运行必须将△Ｉ在运 行梯形图的范围内。△Ｉ的主要目的是堆芯 的最大线功率密度及其分布，同时防止发生偏离泡核 沸腾。当反应堆偏离正常运行范围，将导致反应堆轴 向功率分布不均匀加剧，使得燃料包壳出现局部热 点，最终有导致燃料包壳和燃料芯块烧毁的风险。 同时限定：反应堆功率在１５ Ｐｎ％以上，１２ ｈ内， 功率棒必须提到堆顶，以防止轴向功率分布出现 畸变。 ３ 一次调频死区设置对汽机自动机械调节影 响的分析 以宁德核电厂机组为例，根据核电汽轮机调节系 统控制逻辑分析可以得出机组一次调频组态逻辑、核 机一回路机械转速与实测转速之差以及当汽轮机转 速频率发生变化时发电机功率变化值之间的关系。 转速偏差［１．５ ｒ／ｍｉｎ，７．５ ｒ／ｍｉｎ］（对应频率变化 ０．０５～０．２５ Ｈｚ），蒸汽需求量变化＝转速偏差／１５００￣ ２５￣１００％＝［Ｏ％，１０％］（总蒸汽需求量受流量、压力限 值），负荷变化＝转速偏差／１５００ｘ２５ｘ１００％￣１０８９ 研究与探索 ＭＷ＝［０ ＭＷ，１０８．９ ＭＷ１，转速偏差＞一７．５ ｒ／ｍｉｎ（即外 电网频率降至４９．７５ Ｈｚ）蒸汽需求量变化增量保持 １０％上限不变。 若机组一次调频死区设置为卜０．０５ Ｈｚ，＋０．０５ Ｈｚ１，宁德核电厂机组某Ｅｔ电网波动期间机组调节情 况如下： 当电网频率对应转速降至１４９８．５ ｒ／ｍｉｎ后一次调 频动作，蒸汽需求量增加一高压缸调节阀开大一电功 率上升； 当电网频率对应转速降至１４９２．５ ｒ／ｍｉｎ，蒸汽需 求量达到稳定最大值；由于同时受ＧＲＥ高调阀特性 曲线（阀门全开对应蒸汽流量为１０７％），即蒸汽 流量最大能到１０７％ＦＰ。 通过理论计算分析，可以得到如下结论： １）核电机组参与一次调频，理论上引入最大正向 负荷变化为１０％ＦＰ（１０８．９ ＭＷ）； ２）高压缸调节阀全开对应蒸汽流量为１０７％ＦＰ （含汽机空载用汽４％），即满功率运行下，实际汽轮机 最大提升功率幅度为３％ＦＰ（３２．６７ ＭＷ）；若一次调频 死区设置为［＿＿０．０５ Ｈｚ，＋０．０５ Ｈｚ】，则转速负偏差达到 ３．３ ｒ／ｍｉｎ（频率４９．８９ ｒｔｚ）时，高调阀即会全开； ３）若忽略蒸汽品质的变化，根据热量平衡，在满 功率下，一回路核功率和热功率会上涨３％左右。 ４一次调频对ＣＰＲ１０００核电机组运行安全的 影响及其结论 ４．１一次调频死区设置过小不利于核反应堆安全稳 定运行 １）若正向死区设置过小，一次调频负向动作（减 少功率）时，高调阀关小一汽轮机功率降低一反应堆 功率降低一功率调节棒（Ｇ棒）／温度调节棒（Ｒ棒）下 插，导致堆芯通量分布发生严重畸变，使堆芯局部出 现热点，局部甚至超过燃料棒最大线功率密度限值， 研究与探索 ２０１６ 速农机ＦＵＪＩＡＮ ＮＯＮＧＪＩ 以及出现局部偏离泡核沸腾，进而有导致燃料包壳烧 毁和燃料芯块融化的风险，严重威胁核安全；同时由 ４．２一次调频频繁动作对机组设备及系统的不利 影响 于汽机动作迅速，反应堆本来响应速度就偏慢，再加 上响应能力的（功率控制棒下插受棒速），结 果极有可能造成汽机旁路阀开启。核电站汽机旁路 １）对ＧＲＥ高调阀油压脉动的影响。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 阀开启对机组运行来讲是非常大的扰动，将引起蒸发 器水位、反应堆温度和压力波动等一系列的扰动，风 险较大，如果蒸发器水位波动至＋Ｏ．９ ｍ将导致停机停 堆，从而对电网产生冲击。 ２）若负向死区设置过小，当电网频率出现较大波 动时，一次调频单次正向动作（增大功率）过大将可能 会直接使反应堆的功率提升速率超过５％ＦＰ／ｍｉｎ，直 接超出技术规范要求。此时会导致ＰＣＩ效应（核燃料 芯块与燃料包壳的相互作用）增强，最终可能导致燃 料包壳破损（放射性屏蔽第一道屏障被破坏），燃料中 的放射性物质进入一回路中，影响核安全。同时，若 一次调频动作导致汽轮机负荷快速大幅度增加，当超 出功率调节棒（Ｇ棒）调节能力时，则会导致一回路过 冷，并可能触发反应堆过冷保护动作（为了维持一、二 回路功率匹配，反应堆过冷度，将可能导致机组 直接甩负荷，从而对电网安全产生一定影响）。以上 影响在机组长期低功率运行时尤为明显，机组长期低 功率运行时Ｇ棒已在堆顶，不能提供反应性补偿，同 时，ＧＲＥ阀门离１００％开度有较大裕度，可以快速开 大，而此时一次调频正向动作过大的话，汽轮机负荷 将短时间大幅增加，仅依靠Ｒ棒和温度效应来补偿， 有可能导致严重过冷，机组直接甩负荷，从而对电网 安全产生一定影响。 门特性曲线拐点区域，高压调节阀门开度控制不稳 定，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，即高压调节阀门动作越频繁，动作幅度越大，则带 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，进而影响高压调节阀供油系统的油位和油 压，甚至导致跳机跳堆（汽机进汽阀门供油系统 （ＧＦＲ）油位低和油压低将触发汽机自动跳闸，高功率 下汽机跳闸后将进一步触发反应堆自动停堆）。 ２）核电机组频繁参与一次调频时，控制棒在控制 棒驱动机构的驱动下在堆芯内上下移动，每移动一 步，两者之间不可避免地会产生磨损，同时，控制棒与 控制棒导向筒之间也存在着机械磨损，这种机械磨损 使得控制棒的可靠性降低，甚至可能导致控制棒落棒 事故、弹棒事故和一回路破口。 ３）核电机组频繁参与一次调频，一回路升降温将 导致放射性废水处理和排放量有所增加。 综上所述，一次调频对核电机组特别是一回路的 运行安全有较大不良影响，所以目前ＣＰＲＩＯ００核电 机组不宜频繁参与电网的一次调频。 参考文献： 【１】单建强．压水堆核电厂调试与运行【Ｍ］．北京：中国电力出 版社．２００８．
