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您的位置:中国核电信息网 >  > 我国核电机组参与电网调峰的必要性分析
 

      摘要:针对我国核电机组是否应该参与电网调峰问题,介绍了国际核电先进国家的情况,并从技术和经济性两方面阐述中国核电机组最好不参与调峰,而从上网电价上对调峰机组予以适当经济补偿。

      关键词:电网调峰,核电,核电机组,常规机组,上网电价。

1 问题的提出

      在我国大陆地一座核电机组——秦山核电厂开工建设22年以后的2007年,我们终于盼来了国务院正式颁布的我国第一部《核电发展中长期规划(2005——2020年)》。按照规划要求,我国大陆核电将从目前的投运接近910万千瓦以较快的速度发展到2020年的投运4000万千瓦、在建1800万千瓦,而且按照进一步减少温室气体排放、调整能源结构的需要,这个指标很可能还会有大幅度提高。核电建设项目不仅正在沿海的浙江、广东、江苏等已有核电投运的省份开建,而且拓展到了辽宁核福建。内陆省份建设核电的积极性也非常之高。

      最近我与一些电力公司的同行交流核电发展时,谈到一个很有意思的问题。这就是核电机组能否参与电网调峰。特别是有的省份外向型经济成分较强,电力负荷的季节性差别很大,全省十多台核电机组全部投运后调峰就有些新困难。他们觉得如果大容量核电机组能参与调峰就好了。目前我国11台核电机组地处国内经济较为发达的浙江、广东和江苏,电力需求大,全都用作电网的基荷机组。随着核电向其他或内陆省份的拓展,这个问题的讨论总是要浮出水面。最近我专门调研了一下法国、日本等核电发达国家的情况,结合我国目前核电技术水平和我国电网状况,提出以下想法,借以与电力同行研讨。不妥之处,敬请指正。

2 核电厂运行的技术和经济特点

      核电厂是一个极其复杂的发电系统。人们可以粗略地从技术管理和经济性两个层面来分析核电的负荷跟踪性能。

      原则上讲,所有的核电反应堆均有根据电网需要调节其功率,亦即负荷跟踪的能力,但实际上真正能有效且安全地实现负荷跟踪的反应堆类型只是有限的少数。反应堆通常利用向反应堆内插入或抽出控制棒来快速调节其功率。大多数压水堆机组均能在30-100%的功率范围内以每分钟1-3%的速率进行负荷跟踪。特殊情况下,在有限的范围内调节速率也可以达到每分钟5%甚至10%。压水堆负荷跟踪程序主要考虑三个参数:冷却剂温度、控制棒数目和水中的可溶硼浓度。此外还要关注裂变产物氙-135浓度随反应堆功率变化而变化的影响。

      普通的控制棒吸收中子的能力非常强,又被称为“黑棒”。将黑棒插入反应堆堆芯后,将引起堆内中子注量率的剧烈变动,从而使堆内功率分布不均匀。所以在现代反应堆中,人们采用一种吸收中子能力稍弱的材料制成所谓的“灰棒”。将灰棒和调节水中可溶硼浓度有机结合的方法来实现负荷跟踪。例如,通过调节(增大)冷却剂中的可溶硼浓度可以补偿掉功率改变(下降)引起的大部分反应性变化,同时避免因功率调节引起反应堆堆芯中子注量率的过分扰动。但是带来的另一个问题是,当需要提升功率是,则要对冷却剂进行硼浓度稀释和硼回收操作。这项操作比较麻烦,增加能耗,弄得不好还要产生一回路废水。

      压水堆需采用厚壁的压力容器。功率变化还会引起压力容器及其他结构材料的热疲劳、燃料燃耗损失、运动设备部件磨损等较多的负面影响。例如核电机组用于调节电网频率时,可能导致控制棒每天发生多达数百次的低幅运动,这对控制棒驱动机构的使用寿命会带来很大的影响[1]。由温度(以及压力)的波动引起的热约束和热疲劳是评价反应堆压力容器及其它部件寿命时需要考虑的关键因素,功率调节会使这种负面影响更加恶化。所以从压力容器安全性和延长其服役年限来说核电机组用于基荷运行十分有利。

      现在再让我们来分析一下常规岛的情况。核电汽轮机为次高压的饱和蒸汽,进汽压力和容积流量相当于火电机组的中压缸,具有明显的低温、低压特点。单位工质焓降小,热效率低,相同功率下对应的蒸汽流量接近于超超临界机组的2倍,而容积流量则为4~6倍。由于主蒸汽是饱和蒸汽,汽轮机通流部分湿度大,蒸汽对叶片的腐蚀很大,高压缸的排汽不能直接排入低压缸或中压缸,必须在高低压缸之间或高中压缸之间设置汽水分离再热器,以避免汽轮机零部件因水蚀而损坏。

      据介绍,大容量的火电汽轮机普遍采用喷嘴调节配汽方式。这种配汽方式只有在最后开启的那组调节阀的汽流才会受到节流的影响,因此节流导致的能量损失不会很大,所以,对于变工况运行比较频繁的火电机组是最佳的配汽方式。核电机组蒸汽参数低、流量大,采用喷嘴调节的调节级动叶片的应力很高。同时,对于湿蒸汽在喷嘴出口会发生“凝结激波”,使叶片出汽处产生裂纹,影响机组安全运行[2],故而核电汽轮机普遍采用节流调节。在阀门全开或稍有节流的额定负荷下,节流配汽方式要比喷嘴配汽效率高;而在低于额定负荷运行时效率下降比火电机组明显。因此,核电主要是带基荷运行。
众所周知,与火电机组的建设相比,核电因其核安全和高质量引起的核电厂资本投资大约占总平正化成本的60%,运行和维修费占20%左右,燃料费不到20%。总的说来,核电的固定资产成本总是比火电厂的要高,再加上建设周期长,其建设可行性研究都是在机组作为基何运行的前提下进行的,而且考虑的运行时间也比火电机组高得多,即使如此,还贷压力仍然很大,这是核电厂倾向用于基荷运行的根本性经济原因。

3 日本和法国等核电发达国家电网的调峰

      日本和法国是西方世界核电发展相当发达德国家。它们都市从美国引进的核电技术,然后消化吸收再开发的。现在日本的核电占全部发电量的35%,而在法国该比例更高达80%左右,位居世界第一。

      日本的核电主力堆型为压水堆和沸水堆两种。据日本专家介绍,早在上世纪80年代,全部采用沸水堆的日本东京电力公司预计核电机组负荷跟踪很快就会势在必行,就已经开展了大量的功率范围在100%(运行14h)-75%(运行8h)-100%之间的日负荷跟踪试验。可能与沸水堆可以较为容易地调节冷却剂流量来调节功率有关,试验结果显示十分成功,所有运行参数均如预期落在限值以内。但是后来核电发展放缓,直到今日也没有实行日负荷跟踪运行。另一家全部采用压水堆的关西电力公司早期也曾计划实施负荷跟踪,但考虑到难以获得公众的接受,计划也被搁置了。所有的核电机组绝大多数时间均为满发,甚至在冬天由于冷却水温低而超发,只是在新年假期这样负荷极低的特殊时刻才会降功率运行。夏季海水温度太高时也会降低一些功率,但不是电网要求。电网的负荷跟踪全部由火电与水电机组承担。

      法国的情况十分特殊。1983年,法国大多数核电机组均在满功率运行,但一些核电厂有超过10%的时间降功率运行,以保证电力系统平衡之需。由于法国的电力市场开放缓慢,电力是分类计价。现今法国核电装机容量已达80%左右,大多数核电厂都必须有段时间降功率运行。一些机组必须有足够的负荷跟踪的运行灵活性,以保证电网的稳定。

      现在法国正朝着更加灵活的能源市场迈进。运行灵活性被视为一种高价值产品而经常被利用。在这种情况下,运行灵活的核电厂既可以因其稳定运行性而获得恒定的收益,又可以因其相对灵活性而满足系统的要求。灵活的运营管理可以带来巨大的机遇。这就使得核电机组更加受到联合投资方的青睐。在法国当电力需求不足时,法国电力公司挑选一些核电机组专门用于负荷跟踪,满足大的负荷变化。这样做或许费用要增加一些,但燃料的燃耗降低了。用这种办法可以使核电机组的换料时间可以更如人意地错开用电高峰季节。

      根据其他核电国家的经验,看起来除了法国外,其他国家均用水、火电调峰,让核电作为基荷运行,以保证核电的经济性和运行安全。这是值得我国考虑和借鉴的。

4 解决我国局部地区电网的调峰办法的思考

      核电厂的运行模式取决于电力需求、科技水平、电力管制、售电合同机制与经济性分析等许多因素。如上所说,除了少数极个别国家外,大多数国家的核电厂仍然是作为基本负荷电源点运行的,负荷跟踪仍然是相当特殊的运行方式。中国核电装机容量很少,即使到了2020年估计核发电量比例也不会超过个位数。在如此大的减排温室气体压力下,用水、火电机组来执行电网调峰显然更为妥当。
由于一座核电厂的停止运行,特别是其非计划停闭,会对电网运行产生冲击。作为一个世界通行的经验规律,对任何电网均不建议其中的某一个核电电源点的容量超过该电网总容量的十分之一。过去有的省份如福建省是一个独立电网,对大型核电机组的承受能力较弱。现在我国电网已基本实现全国相连,电力调度远比过去容易。跨出省际界限,在地区范围内寻找合适的调峰机组应当不是个难事。
虽然各国国情不一样,结论也可能会各不相同,但归根到底还是在于经济利益。日本和法国的一大特点是器电力公司手中同时拥有核电和常规电源。从电力公司的角度来说,何种机组参与调峰无所谓,“手心手背都是肉”。中国情况不一样,现有核电公司几乎都不拥有常规机组,的确有个经济效益问题。根据我国《上网电价管理暂行办法》的规定,“上网电价管理应有利于电力系统安全、稳定运行,有利于促进电力企业提高效率和优化电源结构,有利于向供需各方竞争形成电价的改革方向平稳过渡”。从这点讲,可能按照不同负荷种类、不同时段计及其上网电价较为合理。

参考文献

[1] Laurent POURET 、 William J. NUTTALL,Can Nuclear Power Be Flexible? Judge Business School, University of Cambridge,
Trumpington Street, Cambridge, CB2 1AG, UK

[2] 杨晓辉、单世超. 核电汽轮机与火电汽轮机比较分析.汽轮机技术, Vol.48 No6 Dec 2006.

 
 
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