背景

核电机组由于其技术和经济特性要求，适于承担系统基本负荷，国内已投产的核电机组也基本运行在负荷曲线的基荷部分，不参与电网调峰。未来10年，中国积极推进核电建设，预计2020年核电装机规模将达到7000万-8000万kW，广东、浙江、福建、海南4省的核电装机比例将分别达到19%,22%，21%和29%。随着装机比例的提高，核电机组的负荷跟踪能力，日益成为影响系统安全经济运行、电网及电源结构发展，乃至核电自身发展的重要因素。根据国家核电发展规划，压水堆核电技术是未来发展的主流。在广泛调查研究的基础上，对压水堆核电机组功率调节方式、负荷跟踪技术的演进以及主要堆型的负荷跟踪能力进行了综述，并介绍了国外核电机组参与负荷跟踪的实际经验1。

压水堆核电机组功率调节的主要手段核电机组的负荷跟踪能力，是通过调节核反应堆输出功率来实现的。压水堆核电机组调节功率主要有调节硼浓度和调节控制棒位置两种手段。调低硼浓度或提升控制棒在堆芯的位置，均可使反应堆功率上升；反之，则降低反应堆功率。硼浓度的变化速度较慢，因而调节反应堆功率的速度也较慢。另外，堆功率要进行频繁的升降时，如果单独以调节硼浓度的方式来跟踪这种升降，则要对一次冷却剂进行频繁的稀释和硼化，这样会产生大量待回收的硼溶液，使硼回收系统难以应付。因此，调节硼浓度这一方式，不能满足快速功率调节的要求，只能进行较缓慢的堆功率调节。控制棒调节功率的速度比较快，但在运行中，当功率控制棒从堆芯底部开始向上抽出，特别是当功率棒长期插入堆芯时，会导致堆芯轴向功率分布不平衡，由此还会引起堆芯轴向核燃料消耗程度不平衡等问题。因此使用该手段也有一系列的约束2。压水堆核电机组负荷跟踪能力的演进，主要是基于对第2种调节手段的改进实现的。

压水堆核电机组负荷跟踪技术的演进从“机跟堆”到“堆跟机”电力系统生产和消费实时平衡的特点，要求并网的所有发电机组协调发电功率，实时跟踪负荷变化。在这种协调中，会对核电站的发电功率产生一定的约束。对于这种约束，可以有两种处理方式，即核电站有以下两种运行模式。

（1）“机跟堆”模式

“机跟堆”模式不要求核电机组参与负荷调节。这种模式下，反应堆能输出多少功率的能量，发电机就向电网输出相应的电量。它优先考虑核电站，有利于核电站安全、经济地运行，而不要求反应堆功率做频繁调节。但这种模式对并网的其他发电机组不利，特别是缺乏合理的调峰辅助服务补偿机制的情况下，难以调动其他机组参与负荷调节的积极性。

（2）“堆跟机”模式

“堆跟机”模式要求核电机组在一定范围内调节发电功率，以跟踪电力系统负荷变化。它对核电站的反应堆功率调节系统提出了更高的要求，要求反应堆功率能够跟随核电站发电机功率的变化。反应堆这种频繁的功率变化对于其运行会产生一定的不利影响，需要采用相应的技术措施来解决。

世界上早期建造的核电站，基本上都采用“机跟堆”模式，即核电站不参与电网的功率调节。但随着核电的发展，核电机组单机容量越来越大，核电装机比例逐步提高，如果核电机组不跟随电网的需求来调节发电功率，会给电网运行带来较大的困难，核电机组不得不逐步改用“堆跟机”模式。例如，韩国近些年自主研发的APR1400型核电机组，采用了“堆跟机”模式的设计理念，具备一定的负荷跟踪能力。可见，核电装机比例的提高，客观上要求对核电调峰技术进行改进，从“机跟堆”到“堆跟机”的模式演变有其客观必然性。

从A模式到U模式早期建造的压水堆核电站，其各组功率控制棒都由同一种材料制造，其吸收中子的能力较强，称为R型控制棒。所有控制棒组的移动基本上是同步的、同幅的，这种控制模式称为A模式。在这种模式下，为避免控制棒快速移动而引起堆芯轴向功率分布不平衡，反应堆功率的变化速度不能太快，而且堆功率的调整会引起对一次冷却剂硼浓度的调节，产生大量待处理的硼溶液。因此，在A控制模式下，核电机组难以进行快速的功率调节，难以适应“堆跟机”的模式。

为了使压水堆核电站能够跟踪电网负荷的变化，快速改变反应堆功率，后期的压水堆核电站以G型控制棒替代了部分原有的R型控制棒组。G型控制棒组的特点是:它吸收中子的能力比R型棒组较弱，而且各组G型控制棒组的移动不完全同步。这些特点使G型控制棒组在移动时，不会造成堆芯功率在轴向分布的严重畸变，不需要调节一次冷却剂的硼浓度来配合功率调节。因而，通过G型控制棒调节反应堆功率，即G模式，可以达到较高的速度，满足“堆跟机”的要求。

从G模式到不调硼调峰在G模式中，硼浓度调节只用于补偿负荷跟随引起的氛毒反应性慢变化，对调节棒组插入只起微调作用。但在寿期末由于硼浓度低，调硼时废水产生量急剧上升使调硼系统无法承受，使负荷跟踪成为不可能。这一缺点使得G模式的负荷跟随能力只在80%的循环寿期内有效，即采用G模式的核电站循环寿期末尾的20%没有负荷跟踪能力。

为了克服这个困难，美国用户要求文件URD和欧洲用户要求文件EUR都要求新一代核电站具有不调硼负荷跟踪的能力。西屋公司在20世纪90年代初开发了具有不调硼负荷跟随能力的MSHIM(Mechanical Shim)运行模式。MSHIM控制系统由两组独立的控制棒组成，分别为轴向偏移(AO)棒组和M棒组。MSHIM负荷跟踪运行时，两组控制棒可提供足够的反应性价值以补偿瞬态反应性效应，而无需调节可溶硼。

现在已经知道的满足不调硼负荷跟随的堆型有：AP600， AP1000和Svstem80+。根据相关研究成果，M310型压水堆可以通过技术改造，实现不调硼负荷跟踪。

压水堆核电机组负荷跟踪能力目前，中国在运的压水堆核电厂有秦山一期、秦山二期、田湾、大亚湾、岭澳等电厂。其中秦山一期属于原型堆，负荷跟踪能力较差，主要通过长期低功率运行的方式参与调峰；田湾核电采用的是俄罗斯WWER-1000/428(即AES一91)堆型，堆芯设计上具备实现灵活的负荷跟踪模式的条件；秦山二期采用A模式，大亚湾和岭澳采用G模式。未来10年国内建设的压水堆核电站主要采用以CPR1000为代表的“二代加”核电技术和以AP1000, EPR为代表的三代核电技术，其中CPR1000按G模式设计，AP1000可以实现不调硼调峰，EPR的负荷跟踪能力较G模式有所改进，但仍需要调硼。下而分A模式、G模式、EPR和AP1000 4种类型，介绍压水堆核电机组的负荷跟踪能力3。

A模式压水堆机组的负荷跟踪能力该模式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，仅靠调节硼浓度来改变功率水平不够，因此，该模式又具有一定的控制棒调节功率的能力。设计要求在80%循环长度内能进行功率变化形式为12-3-6-3(低功率为50% FP(满功率))的日负荷跟踪，即在负荷高峰时带12h满出力，晚间负荷下降时用3h线性减负荷，在低功率平台上(一般为50% FP)上运行6h，最后在早间用3h线性加负荷至满出力。此外，还具有5%FP/min的线J哇功率变化及10% FP阶跃功率变化的调节能力。

G模式压水堆机组的负荷跟踪能力采用“G模式”的核电站，设计要求在前80%的循环寿期内具有日负荷跟踪能力，可以按照"12一3一6一3”模式参与调峰，最低运行功率为30% FP（满功率）。相比A模式，G模式机组还可以进行"16-8”的快速日负荷跟踪。此外，大亚湾和岭澳等机组可在50% FP（满功率），75% FP（满功率）两种功率平台上进行长期低功率运行(Extended Low PowerOperation，ELPO)。

EPR机组的负荷跟踪能力EPR机组具有较强的日负荷跟踪能力。在前90%循环寿期内，核电机组能按如下方式进行日负荷跟踪:从满功率开始，在2h内功率降至50%，在低功率平台上运行2-10 h，然后在2h内升至满功率;在80%循环寿期内，还可以按上述模式将功率降至25%运行。

此外，EPR还具有长期低功率运行的能力，机组出力在25%额定功率及以上时，可以长期低功率运行，不受功率水平及运行周期限制。

AP1000机组的负荷跟踪能力AP1000机组基本通过灰棒来控制反应性，调节功率，以适应电网负荷变化，代替过去用改变冷却水的硼浓度来跟踪负荷的方法，减少了废水量。在前90%循环寿期内，核电机组能按如下方式进行日负荷跟踪:在满功率运行10-18 h，然后2h内线性变化至50% FP，在50%功率平台上运行2-10 h，然后在2h内线性升至满功率。在长期低功率运行方而，AP1000与EPR相当。

压水堆核电机组负荷跟踪运行实绩目前，国内的秦山一期、大亚湾、岭澳一期核电机组在近两年春节、国庆等特殊负荷日均降负荷运行以参与调峰，其中秦山一期机组一般降功率至200 MW运行，大亚湾、岭澳一期机组一般降至760 MW，也有降至500 MW的运行实例。在上述长假期间，负荷水平降低，核电机组降功率运行，可以减少核电机组在基荷中的比重，缓解电网的调峰压力。据调查，目前国内核电机组尚未有以类似“12-3-6-3”模式参与日负荷跟踪的运行经验4。

在核电比重较大的法国、美国和日本等国家，核电机组均有进行日负荷跟踪的实例。法国EDF共有58台压水堆核电机组，大部分需要参与调峰运行，有些机组甚至通过周末停机的方式参与调峰。在美国西屋公司建造的多座压水堆核电机组，已具有很多日负荷跟踪运行的实际成绩，其中一个已在连续4个换料周期内进行了600次以上的日负荷跟踪运行。日本四国电力公司伊方核电站的#2机组于1987年10月-1988年2月间按“12一3一6一3”模式进行调峰，确认了运行性能完全没有问题。

主要结论与建议(1)随着装机比例的提高，核电机组的负荷跟踪能力，日益成为影响系统安全经济运行、电网及电源结构发展，乃至核电自身发展的重要因素。

(2)随着核电的发展，压水堆核电机组的负荷跟踪能力也不断进步，经历了从A模式到G模式、从G模式到不调硼调峰的技术演进，“二代加”和“三代”压水堆核电机组具备一定的负荷跟踪能力。法国、美国、日本等国核电机组负荷跟踪运行的实际经验，也验证了核电机组参与负荷跟踪的技术可行性。

(3)在规模化发展核电的背景下，有必要基于核电机组负荷跟踪能力和负荷跟踪成本，进一步研究合理的调峰电源配置方案和调峰辅助服务补偿机制。

(4)随着核电规模化发展，核电在一个系统中的比重加大，传统的年度运行方式安排，应结合核燃料的换料周期，延长运行方安排，合理制定机组检修计划。

(5)新建核电机组，特别是三代技术压水堆核电机组，应具备负荷跟踪能力，这不仅是对核电站本身运行安全，也是适应电力市场发展趋势，峰谷差加大的负荷特性需要，尤其在长假期和典型日系统调峰突出的时段。