核电消纳对策研究

郅泳萱 (中核工程建设管理中心,北京 100048)

Energy of China - - 卷首语 -

摘要:随着我国用电增长速度的放缓和火电等新增电力装机的快速增加,核电等新能源消纳问题逐步成为社会关注的焦点。电能的发出和使用必须是同步的,为了维持有功功率的平衡,保持系统频率稳定,就需要发电厂改变发电机的出力以适应用电负荷的变化,因此一部分电厂需要承担调峰任务。我国已投产的核电机组均是按照基荷运行设计的,如果核电参与电网调峰将导致核电机组反应堆堆芯轴向功率偏移、掉入碘坑,并带来放射性废液排放增加、影响核燃料燃耗深度、对大型核电设备运行安全带来较大冲击等问题。为了应对核电可能面临的调峰问题,核电企业应呼吁全社会认识到保持核电基荷运行的重要性和弃核的巨大危害性;开展区域群堆管理,有计划开展停堆换料维修适度参与调峰;自建或参股建设抽水蓄能电站等调峰电源;适度购买电力辅助服务;对东北、海南等特殊地区制定特殊的规则。在国家产业规划牵引下,核电企业通过有序规划,控制好核电开发节奏,并利用“一带一路”国家战略,积极开发国际市场,推动我国核电产业乃至整个核工业实现新的辉煌。

关键词:核电;消纳;对策中图分类号:F426 文献标识码:A 文章编号:1003-2355-(2017)07-0020-05 Doi: 10.3969/j.issn.1003-2355.2017.07.004 Abstract: With the development of electricity consumption and the rapid increase of new power installed capacity, the issue of new energy power dissolved such as nuclear power has gradually become the focus of social concern. Generation and use of power must be synchronized, in order to maintain the balance of active power, keep the system frequency stability, power plant should change the output of the generator to adapt to the change of electricity load, therefore, part of the power plants need to undertake the task load. If nuclear power involves in power grid peak shaving, it would lead to radioactive liquid waste emissions increase, affect the fuel burning depth, and have serious impact on large nuclear power equipment operation security. To cope with the peak shaving problem, nuclear power enterprises called on the whole society to realize its importance of keeping base load operation, put on regional heap management, moderately carry out peak shaving during the nuclear power shutdown for refueling and maintenance; build or take a stake in the construction of pumped storage power station, explore power station load compensation trade mechanism. In some areas, such as northeast China and Hainan, special rules should be taken. Under national industrial planning, also through the orderly planning and with the “Belt and Road” national strategy, the nuclear power enterprises should develop the international market and promote the nuclear power industry, and even China’s entire industry to achieve new glories.

Key words: Nuclear Power; Power Dissolved; Countermeasures

1 背景

随着我国供给侧改革的深入推进和稳增长、调结构持续发力,电力需求大的第二产业发展放缓,全社会用电量增长速度随之放缓。2016年,全国全社会用电量同比增长 5.0%,增速同比 提高 4.0 个百分点;而全国全口径发电装机容量16.5 亿 kW ,同比增长 8.2%[1] ,局部地区电力供应能力过剩问题进一步加剧。

从中电联、中国核能行业协会公布的近5 年来全国核电设备平均利用小时数分析, 2011—

2013 年期间核电设备平均利用小时数保持基本稳定,但 2014 年开始,核电设备平均利用小时数出现明显下滑,见图1。数据下滑的主要原因是受国内经济增长速度放缓,与全国供电形势总体宽松有关。据中电联预测,2017 年电力消费需求增长将比 2016 年有所放缓,全国电力供应能力呈现总体富余而部分地区相对过剩的状态。

2017 年 2 月 13日,中国核能行业协会发布2016 年我国核电运行情况报告。报告显示,除了正常的换料大修外,红沿河核电厂1 号至 4 号机组均多次出现应电网要求降功率运行、临停备用、季节性停运现象。宁德核电厂2 号机组和 3 号机组也出现应电网要求长时间降功率运行、临停解列现象。福清核电厂 2 号机组于 2016 年 2 月份应电网要求临停近半个月。

《国家发展和改革委员会、国家能源局关于改善电力运行调节促进清洁能源多发满发的指导意见》(发改运行〔2015〕518 号)文指出,“核电在保证安全的情况下兼顾调峰需要安排发电”。但随着我国全社会供电形势总体宽松和部分地区电力供应过剩现象的出现,核电设备年平均利用小时数下滑趋势越来越明显,如何使核电保持在基荷运行状态是核电业主难以回避的问题。

2 核电消纳困难原因分析

近 3年来,我国核电发电量均保持了两位数增长,但核电由于发电量基数低,不但新增装机量远远小于火电,而且新增火电装机远远大于当期全部在运核电装机。2014年全国火电新增装机 4729万 kW,2015年全国火电新增装机6400 万 kW, 2016 年全国火电新增装机 4836 万 kW左右,而截至 2016 年 12 月 31日,我国已投入商业运行的核电机组共 35台,运行装机容量为 3363 万 kW,仅占全国电力装机约 2.04% ,因此导致核电等清洁能源消纳困难的根本原因是火电新增装机过快。

3 核电机组堆芯设计负荷跟踪能力及调峰运行对核电的影响

电能不能贮存,因此电能的发出和使用必须是同步的。由于电网昼夜峰谷负荷特点,核电厂在夜间低谷负荷时降功率运行,而白天又恢复到高功率的运行方式称为负荷跟踪。压水堆堆芯运行考虑负荷跟踪模式有A模式和G模式。模式A(即黑棒控制)运行的反应堆,要求反应堆在满功率或接近满功率水平下稳定运行,反应堆功率调节主要是靠调节可溶硼浓度来实现。但考虑到反应堆可能出现快速升降功率运行,该模式又要求具有一定的控制棒调节功率的能力。模式G运行模式要求反应堆在85%循环长度内能进行功率变化形式为 12-3-6-3的日负荷跟踪。即反应堆在基准功率水平运行12h后,在 3h 内功率线性变化到 30% 额定功率以上任一功率水平,在该功率平台下运行6h 后又在 3h 内功率线性增长到满功率水平 [2],以适应电网日负荷变化的要求。然而,部分核电站两台机组共用一个硼循环系统,所以一台机组在一定功率水平下的负荷跟踪能力受另一台机组的影响。

目前,我国在运的压水堆核电厂有秦山、田湾、福清、大亚湾、岭澳、阳江、红沿河、防城港等电厂。其中秦山一期属于原型堆,负荷跟踪能力差,不能实现负荷跟踪;秦山二期采用A 模式,负荷跟踪能力差;田湾核电采用的是 AES-91堆型,堆芯设计上具备一定负荷跟踪能力;大亚湾、岭澳和 M310 改进型机组采用G 模式,堆芯设计上具备一定负荷跟踪的能力; EPR 的负荷跟踪能力较 G 模式有所改进,但仍需要调硼 [3]。

核电机组是一个复杂的发电系统,本文将从技术安全、环保、经济等三个维度分析核电机组参与电网调峰对核电机组的影响。

3.1 核电反应堆负荷跟踪运行带来的技术安全问题

3.1.1 负荷跟踪对反应堆堆芯的影响反应堆运行过程中,会发生由于功率不稳定变化进入碘坑的现象。在碘坑时间内反应堆无法启堆或者无法升至更高功率水平。该现象一般在一个循环寿期的中后期该效应显著,随着堆芯后备反应性越来越小,反应堆越易出现强迫停堆现象,因此需尽量避免功率波动。

堆芯功率变化将导致氙毒在堆内分布出现变化,这就是俗称的“氙振荡 ”。“氙振荡 ”可使反应堆的热点因子位置发生转移和功率密度峰值因子发生改变,并使堆内局部中子通量增加,造成

堆芯局部温度的升高,若不加以抑制甚至会使燃料元件熔化 [4]。

由此可见,核电机组参与负荷跟踪,会出现掉入碘坑和引发“氙振荡”现象,进而影响堆芯运行安全。

3.1.2 负荷跟踪对核电主设备的影响反应堆一回路是核电厂三道安全屏障之一,核电厂在运行期间必须保证一回路承压边界的完整性。一回路的管道、压力容器等设备,工作在高温、高压以及高放射性的条件下,随着工况的变化,它们的温度、压力会发生变化。温度的变化会使金属材料发生收缩与膨胀,由此产生的温度应力会导致热疲劳;压力变化会使金属材料产生相应的内应力,除了强度破坏外,还会导致机械疲劳。

蒸汽发生器是核电厂一、二回路之间的换热设备,是核电厂的关键设备。蒸汽发生器传热管数量多、管径很薄,对疲劳敏感,一旦管道发生疲劳泄露,一回路放射性水将进入二回路的管道及设备。为了避免蒸汽发生器疲劳裂纹的产生,就应该严格控制不利工况瞬态的发生,而调峰升降功率将直接导致瞬态的发生,进而减少蒸汽发生器的使用寿命,影响机组的安全运行,因此频繁参与调峰对反应堆压力容器是难以承受的。

另外,堆芯功率频繁变化对反应堆控制棒驱动机构、高能管道、主泵等安全运行产生不利影响,进而影响其使用寿命。因此,虽然为了应对可能出现的极端事件,反应堆堆芯设计具有一定的负荷跟踪能力,但核电反应堆堆芯功率变化能力难以满足电网调峰要求;核电调峰运行对核电设备影响较大,而核电在设计时并未予以充分考虑该因素对设备的影响。因此,国内外核电机组均不参与电网负荷跟踪。

3.2 核电机组参与调峰带来的环保问题

3.2.1 导致放射性废液排放增加如果核电机组参与负荷跟踪,当功率升降时需要对冷却剂进行硼浓度稀释和回收操作,这项操作比较复杂,不但增加能耗,而且会增加一回路废水排放。如果调节一回路硼浓度的操作少,产生的废液就少,反之产生的废液也就多。因此核电厂宜长期带基本负荷(指满功率或基本满功率)稳定运行。3.2.2 影响核燃料燃耗深度反应堆运行过程中积累的裂变产物会吸收中子,妨碍反应堆正常进行,因此达到换料周期后,都要更换核燃料。目前国内核电机组换料周期基本固定,一般为 12 个月或 18 个月。在每个换料周期 中,无论机组满发、降功率运行或停机备用,到期后都要求更换核燃料。机组在运行过程中如果频繁升降功率,将导致核燃料燃烧不充分,而多产生弃料,进而增加乏燃料后处理的难度和成本。

3.3 对经济效益的影响核电固定资产投资高于火电厂,加之建设周期长,其建设可行性研究都是基于机组作为基荷运行进行经济分析的,而且考虑机组运行时间也高于火电机组,从经济性角度考虑,核电厂应做为基荷运行。

4 核电消纳对策研究

我国提出到 2030 年将实现碳排放达峰并争取早日达峰,非化石能源消费在一次能源中的比重提升到 20% ,其中核电将占到 6%~8%。2016 年核电发电量为 2105.19 亿 kWh,约占全国总发电量的 3.56%[5],离目标值存在较大差距。虽然国家对核电行业的发展提供了增长空间,但面对经济发展的新常态和电力供需形势的新特点,核电行业应及早采取措施,应对电网提出的调峰问题。

4.1 呼吁全社会认识到弃核现象带来的不良后果2016 年 6 月 17 日, 福 建 省 经 信 委 下 发 了《2016年度全省差别电量发电调控计划的通知》,文件提出要全额安排可再生能源发电,优先安排水电、核电、资源综合利用机组发电,其中风电、水电发电量全额上网,核电在保证安全的前提下,按实际投产情况和调峰需要安排发电,核电机组年发电小时数被调至 6500h。而同年前9个月,红沿河 1 号—3号机组核电设备平均利用率仅分别为63.05%、72.28% 和 56.90%。由此可见,国内已经出现部分核电厂不能按基荷运行甚至弃核现象。

核电的弃核与风电、光电、水电等新能源企业的弃风、弃光、弃水现象不同,后者仅仅降低了资源的有效利用率,影响发电企业的经济性;而核电弃核,尤其是长期低功率运行,会大幅降低核燃料可靠性并增加核废料处理量,造成轴向功率偏移脱离正常区间,导致核电关键设备疲劳损伤,增加三废系统废液处理压力等风险。因此弃核比弃风、弃光、弃水现象危害更加严重。应通过适当的宣传报道让全社会认识到弃核带来的巨大危害,通过电网合理调度,保证核电基荷运行。

4.2 开展区域群堆管理,有计划开展停堆换料维修适度参与调峰

从核电厂的安全性和经济性考虑,核电业主通常利用换料期间,集中安排机组的部分预防性和纠正性维修项目以及部分改造项目,这就是通

常所说的核电厂换料大修。

在现有核电机组群堆管理的经验基础上,核电业主应组织权威专家根据电网负荷变化情况,开展所在电网区域范围内所有核电机组的维修计划论证,所有机组统一调度,优化群堆大小修、换料计划。以部分机组停堆换料或大修、小修的形式承担调峰责任,力求核电机组整体安全运行和效益最大化。

4.3 自建或参股建设抽水蓄能电站等多类型电源

抽水蓄能电站兼有“调峰”和“填谷”双重功能的良好特性,调峰幅度大,是国内外最常用的电网调峰手段。为了减轻核电厂调峰压力,确保核电基荷运行,满足核电厂的安全性和经济性,核电业主可结合电力产业规划和区域电网特点,积极参加抽水蓄能电站等调峰电源建设。通过建设运营抽水蓄能电站,在用电低峰时,把核电厂发的一部分电用来抽水储备;在用电高峰时开闸放水来进行发电,从而配合核电厂完成调峰工作。而在此期间,核电机组始终保持基荷安全稳定运行。

中核集团 ACP100 已经成为世界上首个通过核安全审查的小堆技术,核电业主可以结合核电基地实际,适度发展小堆。发展小堆既可以减少一次性投资,满足中小型电网的供电、城市供热、工业工艺供汽和海水淡化等特殊领域的需求,又可以灵活安排发电计划。

4.4 适度购买电力辅助服务电力市场辅助服务是指为维持电力系统的安全稳定运行或恢复系统安全,以及为保证电能供应,满足电压、频率质量等要求所需要的一系列服务。辅助服务分为以下几类:一是与频率稳定相关的服务,包括调速控制、自动发电控制、有功备用服务(旋转备用和非旋转备用);二是与电压稳定相关的服务,主要指无功支持和电压控制;三是与暂态稳定相关的服务,包括甩负荷及自动解列,PSS 稳定控制等服务;四是其他类型的辅助服务,如黑启动服务和电能质量服务。

辅助服务市场建设是电力市场建设的重要组成部分,核电企业应适当考虑参与电力辅助服务机制。按效果补偿的原则,建议核电企业将机组设备利用小时数超出 7000h 以上的发电收入的一部分用来购买辅助服务,保持核电和电网的安全运行。

4.5 建议国家引导居民和工业用电合理增长目前我国售电企业尚未完全建立与电网负荷变化之间的关联机制,仍存在用电高峰电力供应不足,用电低谷电力浪费现象,不利于通过价格 机制促进全社会用电平衡。建议国家结合电力体制改革,尽快研究制定政策,推动售电企业根据地方电网负荷峰谷变化情况,全面实施峰谷电价。鼓励居民和企业增加负荷低谷时段的用电量,减少负荷高峰时段用电量,从而降低电网峰谷差,降低电网压力,提高电力系统资源利用效率。

目前我国人均用电量还处于较低水平,人均用电量仅为发达国家的一半左右,用电需求增长潜力巨大。但用电成本较高,制约用电需求增长,建议研究进一步减少售电环节,降低企业、居民的用电成本,防止层层加价,让利于民,让利于企,促进全社会用电需求进一步增长。

4.6 对东北、海南等特殊地区制定特殊的规则由于受到近年来辽宁省电力需求增长缓慢、内蒙电力外送以及冬季需要优先安排热电联产的火电机组上网等因素影响,红沿河核电已经投产的核电机组在采暖季的负荷因子均有大幅度下调,并且其年平均利用小时数也明显低于全国核电机组平均水平。海南省发电装机容量小,仅为500 多万kW,而海南昌江1 号、2号机组投入商运后,其装机容量约占该省总装机容量的20%左右,出现“大机小网 ”现象。2016年春节期间,刚刚投入商运的海南昌江核电1号机组就应电网要求降功率运行,在2月下旬至3月中旬还进行了停机小修,随着海南省后续核电机组的陆续投产商运,该省也将面临明显的电力供应不均衡的问题。在东北、海南等电力供应过剩和核电比例较高的部分省份,如何解决已商运核电消纳问题已经成为核电企业面前的新问题。

我国北方地区冬季取暖消耗大量燃煤,根据国家能源局提供的数据,2016年全国供热耗用原煤约达 16446 万t。北方供暖季节由于增加了大量煤炭消耗,加剧了冬季空气污染。为了让群众温暖过冬,我国北方多数城市取暖季供暖室温达到20℃以上甚至更高,室内只需要穿单衣。偏高的供暖温度增加了热电联机组的运行负荷,导致燃煤量大幅增加,同时也给辽宁省的红沿河核电消纳造成了极大的困难。因此建议修改标准,将取暖季室内温度适度调低至 16℃ ~18℃做为保证温度,并随之降低取暖缴纳费用。居民利用少缴纳的取暖费,通过空调辅助将温度调整至各家庭需要的舒适温度;并建议适当给予居民供暖季优惠电价,鼓励居民采取电锅炉取暖,提高居民用电量,从而增加清洁电力的消纳量,并减轻部分社区燃煤取暖环保压力。

针对海南“大机小网”的问题,核电企业参股建设的南方电网主网与海南电网第二回路 500kV跨海交流联网工程已于 2015 年 7 月获得国家发展

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