葉 青，楊 波，湯春桃，黨哈雷

(上海核工程研究設計院，上海200233)

負荷跟蹤機械補償運行策略研究

葉 青，楊 波，湯春桃，黨哈雷

(上海核工程研究設計院，上海200233)

經(jīng)濟、靈活及與電網(wǎng)匹配的運行控制是先進核電廠的設計目標之一。本文對核電廠典型的控制模式和機械補償運行控制策略進行了介紹，進一步以機械補償設計理念為基礎，研究分析了其在各種負荷跟蹤模式下的運行特性。分析結果表明，采用機械補償運行策略可實現(xiàn)多種模式下的負荷跟蹤運行，并且在絕大部分壽期內(nèi)可實現(xiàn)URD要求的50%額定功率以上不調(diào)硼日間負荷跟蹤運行。且在滿足功率負荷變化及能量輸出需求的前提下，功率峰因子還具有足夠的裕量。由此說明機械補償運行策略可以較大幅度地提升電廠的運行靈活性、經(jīng)濟性以及與電網(wǎng)匹配的適應性。

機械補償；負荷跟蹤；負荷調(diào)節(jié)

核電廠在基本負荷模式下運行具有最大的經(jīng)濟效益，同時能較為容易地實現(xiàn)電廠的有效控制。目前我國的整個電力市場中核電所占比重很小，可以不參與電網(wǎng)調(diào)峰。但是隨著核電市場份額的逐漸增大，以及風能等間歇性供電能源的并網(wǎng)，核電廠被要求更多的參與電網(wǎng)調(diào)峰，這對核電廠的運行控制方式以及負荷跟蹤運行能力提出了更高的要求。在壓水堆核電廠發(fā)展初期，基于硼的功率調(diào)節(jié)方式A模式被廣泛應用。隨著對核電廠負荷跟蹤能力要求的提高，采用黑棒和灰棒進行功率控制的G模式被提出。后來，為了對軸向功率分布進行更好的控制，法國提出了X模式。美國用戶要求文件(URD，Utility Requirements Document[1])對核電廠的一項要求是：在大部分壽期內(nèi)可以實現(xiàn)50%額定功率的不調(diào)硼負荷跟蹤運行。為了適應這一發(fā)展趨勢，機械補償運行控制理念被提出。機械補償是一種主要依靠控制棒進行反應性和功率分布控制的快速精確的先進控制策略，能夠提高電廠運行的靈活性和經(jīng)濟性，以滿足URD對負荷跟蹤運行的要求。

1 核電廠運行控制模式

核電廠功率的改變將引起燃料和慢化劑溫度、氙濃度和氙分布，以及軸向功率分布的改變。核電廠應采用合理的運行控制策略補償堆芯反應性的變化，控制堆芯軸向功率分布在合理的范圍之內(nèi)。目前核電廠運行控制模式主要包括：A模式、G模式、X模式[2]和機械補償控制模式[3-5]。

1.1 A模式

在壓水堆發(fā)展初期，核電廠主要以基本負荷模式運行，基于硼的功率調(diào)節(jié)方式(A模式)被廣泛應用。在該模式中，控制棒被同時用于堆芯冷卻劑平均溫度和軸向功率偏差的控制，化學和容積控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)堆芯硼濃度補償燃料燃耗、氙以及功率變化引起的反應性變化。在負荷跟蹤過程中，由于控制棒為黑棒，限值了其插入堆芯的深度，因此其對堆芯反應性的調(diào)節(jié)能力非常有限，主要還是通過硼濃度的改變實現(xiàn)功率的調(diào)節(jié)。因此，功率調(diào)節(jié)速率將受到化學和容積控制系統(tǒng)的限制，且隨著燃耗的加深，功率調(diào)節(jié)能力將大為減弱，產(chǎn)生的廢水量也將大幅上升。在負荷跟蹤過程中需要頻繁調(diào)節(jié)堆芯硼濃度，不僅會產(chǎn)生大量含硼廢水，還極大地增加了操縱員的負擔。

1.2 G模式

隨著核電市場份額的增加，核電廠需要參與電網(wǎng)調(diào)頻，因此必須具備快速負荷跟蹤能力?？焖儇摵筛櫟膶崿F(xiàn)必須依靠于控制棒。堆芯功率大范圍快速的變化，需要控制棒組較深地插入堆芯。而黑棒較深的插入堆芯將引起功率分布的畸變，從而導致堆芯安全裕量降低至不可接受的程度。G模式采用中子吸收效率較低的灰棒和黑棒補償快速功率變化引起的反應性變化。正常運行時，堆芯冷卻劑溫度調(diào)節(jié)引起的微小反應性變化由主調(diào)節(jié)棒(黑棒)進行控制。當反應堆功率降低時，堆芯冷卻劑溫度發(fā)生變化，導致軸向功率分布向堆芯上部偏移，而灰棒的插入將使得軸向功率向下偏移，從而實現(xiàn)對軸向功率分布的有效控制?；野舻囊胧沟肎模式中使用的硼酸量小于A模式。G模式可以較快地實現(xiàn)較大范圍的功率調(diào)節(jié)，減少了廢水的產(chǎn)生；有效地實現(xiàn)了功率偏移的控制。但是在降功率和低功率運行過程中，仍然需要調(diào)節(jié)堆芯硼濃度以補償氙毒引起的反應性變化，該過程需要操縱員高度關注堆芯狀態(tài)，并預測反應性變化趨勢。反應性控制和軸向功率分布控制未實現(xiàn)獨立控制，不易實現(xiàn)堆芯的自動控制。

1.3 X模式

為了提高機組的操作靈活性，并實現(xiàn)對軸向功率偏移更好地加以控制，法國開發(fā)了X模式。其采用控制棒控制軸向功率偏差和冷卻劑平均溫度，同時采用硼酸補償氙和燃料燃耗引起的慢反應性變化?？刂瓢糨S向位置采用重疊布置方式，X1棒組(灰棒)位于堆芯下半部，X2棒組(黑棒)位于堆芯上半部。兩組棒同時移動，以實現(xiàn)對軸向功率偏差的有效控制。在X模式中，所有控制棒組均用于調(diào)節(jié)冷卻劑溫度，使得冷卻劑平均溫度與參考溫度的偏差在±0.8℃以內(nèi)，X1和X2棒組用于控制AO，使得堆芯AO與目標值偏差在±1%以內(nèi)。

X模式提高了堆芯運行的靈活性，并較大程度地降低了運行過程中廢水的產(chǎn)生，同時有效地實現(xiàn)了軸向功率偏移的控制，避免氙振蕩的產(chǎn)生。但是，X模式控制相當復雜，而且部分控制棒插在堆芯下半部，增加了燃料軸向燃耗的不規(guī)則性。

1.4 機械補償運行控制策略

機械補償運行控制策略以常軸向偏移控制方式為基礎，采用兩種功能獨立的控制棒組(M棒組和AO棒組)分別進行堆芯反應性和軸向功率偏移的控制。M棒組采用價值相對較低的灰棒進行堆芯反應性控制，AO棒組采用價值相對較高的黑棒進行堆芯軸向功率部分的控制。核電廠在負荷跟蹤運行模式下，灰控制棒組依照一定策略較為精確地控制堆芯慢化劑平均溫度，快速補償因燃料溫度、慢化劑溫度和氙變化等因素引起的反應性變化。為了避免在反應性控制過程中控制棒的移動對堆芯軸向功率分布造成較大的擾動，灰控制棒組采用了鎢作為中子吸收體，以降低控制棒價值，M棒組共布置了四組，以滿足在較大范圍的負荷跟蹤過程中的反應性控制。AO棒組用于自動控制功率變化過程中堆芯軸向通量偏差在所要求的目標值附近，由于AO棒組價值較大，為了避免其對堆芯反應性造成較大的擾動，AO棒組通常插入堆芯較淺。由于堆芯反應性和軸向功率分布分別由M棒組和AO棒組進行獨立控制，因此機械補償運行方式可由棒控系統(tǒng)自動控制。

在負荷跟蹤運行中，機械補償運行控制策略依靠控制棒進行堆芯功率水平和軸向功率分布的自動精確控制，不需要或者很少進行堆芯硼濃度的調(diào)節(jié)，幾乎消除過程中廢水的產(chǎn)生，極大地減輕了操縱員的負擔。但是該運行模式對堆芯設計和棒控系統(tǒng)設計要求較高，目前國際上還沒有機械補償運行經(jīng)驗。

2 負荷跟蹤機械補償運行研究

為了檢驗機械補償運行控制策略對電廠控制的有效性，研究其在負荷跟蹤過程中對堆芯核特性的影響，本文對某百萬千瓦級核電廠負荷跟蹤過程機械補償運行控制策略進行計算分析。

2.1 模擬的運行模式

根據(jù)美國用戶要求文件(URD)要求，電廠應具有如下的24h日間負荷循環(huán)跟蹤的能力：在2h內(nèi)功率從100%線性下降至50%并在50%功率保持2～10h，再在2h內(nèi)從50%功率線性增加至100%并在其余時間保持100%功率。此外為了適應多種電網(wǎng)調(diào)峰運行要求，充分考慮電廠運行環(huán)境的復雜性，核電廠可以考慮如下幾種負荷跟蹤模式：

(1) 日間階躍負荷跟蹤：電廠在短時間內(nèi)將功率下降至目標水平，在完成低功率運行后以較快速度恢復至額定功率，該負荷跟蹤模式的最大功率變化率為5%RTP/min，該運行模式是衡量電廠快速負荷響應的重要指標。

(2) 負荷調(diào)節(jié)：通常情況下，電網(wǎng)頻率會由于用電負荷的變化產(chǎn)生相對較小但十分快速的波動，為了適應電網(wǎng)這一特性，核電廠應具備快速負荷調(diào)節(jié)能力。

(3) 周末降功率運行：周末時用電量通常保持在較低水平，為了適應電網(wǎng)要求，電廠應具備在整個周末期間降功率運行，并在新一周開始后平穩(wěn)恢復到基負荷運行模式的能力。

(4) 連續(xù)日間漸變負荷跟蹤：電廠在特定情況下實施以天為單位連續(xù)的負荷跟蹤運行，期間電廠可根據(jù)實際需要選擇每天的功率變化形式，該運行模式是衡量核電廠連續(xù)負荷調(diào)節(jié)能力的重要指標。

本文采用機械補償運行策略對某百萬千瓦級壓水堆核電廠進行了日間負荷漸變跟蹤、日間負荷階躍跟蹤模式、日間負荷調(diào)節(jié)模式、周末降功率運行模式、連續(xù)負荷跟蹤模式(連續(xù)兩天)的模擬。

日間負荷漸變跟蹤模式考慮了不同的功率變化幅度(70%、50%以及30%額定功率)以及不同的功率變化速率，詳細的日間負荷漸變跟蹤模式如表1所示。

表1 日間負荷漸變跟蹤模式

注：① 即負荷跟蹤過程中，在3h內(nèi)由100%功率降至70%功率，在此功率水平停留6h，之后在3h內(nèi)回升至100%功率，其余時間均在滿功率狀態(tài)。

日間負荷階躍跟蹤模式考慮了典型的功率變化幅度(50%額定功率)，并假設功率變化速率達到了設計最大值(5%RTP/min)。

對于負荷調(diào)節(jié)模式，本文在模擬時考慮了電網(wǎng)頻率波動的隨機性，使用隨機數(shù)產(chǎn)生堆芯波動的功率變化曲線。功率在90%～100%范圍內(nèi)以不超過5%RTP/min的速率變化。

在周末降功率運行模式的模擬中，假定在周末將要開始時堆芯在3h內(nèi)功率由100%RTP降至50%RTP，并在整個周末期間以50%RTP的低功率運行54h，而后在新一周工作時間將要到來之前，經(jīng)過3h重新恢復至滿功率。

連續(xù)日間漸變負荷跟蹤模式以某個典型的100-50-100負荷漸變跟蹤模式為基礎，進行了連續(xù)十天的負荷跟蹤模擬。

2.2 計算結果分析

圖1～圖4分別給出了典型的連續(xù)日間漸變負荷跟蹤運行、日間階躍負荷跟蹤運行、負荷調(diào)節(jié)運行以及周末降功率運行過程中堆芯重要核特性參數(shù)的計算結果。

圖1 典型的連續(xù)負荷漸變跟蹤100-50-100(12-3-6-3)機械補償運行計算結果Fig. 1 Typical Continuous Power Ramp Load Follow 100-50-100(12-3-6-3)Mechanical Shim Operation Results

圖2 典型的負荷階躍跟蹤機械補償運行模擬計算結果Fig.2 Typical Step Pulse Load Follow Mechanical Shim Operation Results

圖3 典型的負荷調(diào)節(jié)機械補償運行模擬計算結果Fig.3 Typical Load Regulation Mechanical Shim Operation Results

圖4 典型的周末降功率機械補償運行模擬結果Fig.4 Typical Weekend Power Descending Mechanical Shim Operation Results

模擬結果表明，反應堆在進行各種模式的負荷跟蹤運行中，堆芯的功率峰因子(如FΔH和FQ)在考慮相應不確定性后均在所要求的設計限值之內(nèi)，堆芯具有足夠的安全裕量。在大部分負荷跟蹤運行期間(50%額定功率以上的負荷跟蹤模式、日間負荷調(diào)節(jié)模式、連續(xù)負荷跟蹤模式)，M棒組和AO棒組可始終保持足夠的調(diào)節(jié)能力，將控制參數(shù)(如慢化劑平均溫度和軸向功率偏移ΔI)維持在較小的范圍之內(nèi)，且不突破插入極限和提升極限，因而無需化容系統(tǒng)投入運行。在部分負荷跟蹤模式中(包括某些壽期燃耗30%額定功率負荷跟蹤模式、日間負荷階躍跟蹤模式、周末降功率運行模式)，由于功率變化速率更快、功率變化范圍更大或降功率運行時間更長，導致堆芯的氙瞬態(tài)效應很強烈，導致控制棒組無法提供足夠的控制能力，此時需要綜合運用機械補償控制策略和化容系統(tǒng)的調(diào)硼能力，以實現(xiàn)上述較極限的負荷跟蹤模式。但此時所需的調(diào)硼次數(shù)也僅需1～2次。不同負荷跟蹤運行下的調(diào)硼情況如表2所示。所有模擬的負荷跟蹤運行結果的功率峰因子均在設計限值之內(nèi)，并有一定的裕量，最低約為5%。

表2 不同負荷跟蹤運行下的調(diào)硼情況

3 結論與建議

本文對核電廠典型的負荷跟蹤運行控制策略進行了簡要的比對，并針對機械補償運行控制策略模擬了各種負荷跟蹤運行，研究了相應的堆芯核特性。計算分析結果表明，機械補償運行控制策略具有強健的堆芯反應性控制能力，可實現(xiàn)多種負荷跟蹤運行控制，可大幅提升電廠的運行靈活性以及與電網(wǎng)匹配的適應性。此外，機械補償運行控制策略可以在大部分壽期內(nèi)絕大部分情況下的負荷跟蹤運行中不調(diào)節(jié)堆芯可溶硼濃度，可實現(xiàn)完全自動化的負荷跟蹤運行，并可大幅減少甚至避免在負荷跟蹤運行期間產(chǎn)生含硼廢水，對核電廠運行經(jīng)濟性有較大好處。

考慮到機械補償運行控制策略相對復雜的設計，后續(xù)還將從便于核電廠實際運行操作和控制的角度對負荷跟蹤機械補償運行模式開展進一步的研究。

[1] Advanced Light Water Reactor Utility Requirements Document，Volume III ALWR Passive Plant，1999.

[2] Technical and Economic Aspects of Load Following with Nuclear Power Plants，NEA/OECD，2011.

[3] Fausto Franceschini，Bojan Petrovic. Advanced operational strategy for the IRIS reactor：Load follow through mechanical shim(MSHIM)[J]. Nuclear Engineering and Design，2008，238：3240-3252.

[4] Fausto Franceschini，Bojan Petrovic. Core physics analysis of 100% MOX core in IRIS [J]. Annals of Nuclear Energy. 2008，35：1587-1597.

[5] Robert J. Fetterman. AP1000 core design with 50% MOX loading [J]. Annals of Nuclear Energy. 2009，36：324-330.

Load-follow Mechanical Shim Operation Strategy Analysis

YE Qing，YANG Bo，TANG Chun-tao，DANG Ha-lei

(Shanghai nuclear engineering research & design institute，Shanghai 200233，China)

The operation and control strategy with economy，flexibility，and adaptability to match with the grid is the design objective of an advanced nuclear power plant. This paper describes the results of mechanical shim control strategy for various power change profiles based on the mechanical shim design concept. From this study，it is concluded that the mechanical shim operation strategy performs the load-following operation very well over a wide range of scenarios that are expected，and it fulfills the URD requirement that the power change above 50% of the rated power for a 24-hour load cycle can be performed without the soluble boron concentration adjustment during most of the fuel cycle. The power peaking factors have adequate margin. It is found from the results that the mechanical shim operation and control strategy will be robust enough to enhance the flexibility，economy，and adaptability to match with the grid of the nuclear power plant.

Mechanical shim；Load follow；Load regulation

2015-12-30

葉 青(1980—)，男，浙江省寧波人，工程師，碩士研究生，現(xiàn)主要從事反應堆工程設計工作

TL36

A

0258-0918(2016)04-0459-06