一次調頻對核電廠運行影響的簡要分析

摘 要：近年來核電運行及在建機組逐漸增多，同時因經濟結構轉型，用電量增長放緩，電網要求核電大容量機組參與調頻調峰；同時華東電網通過特高壓直流吸納西南水電越來越多，2015年已發生數起因特高壓直流誤跳引起華東電網波動的事件；而核電由于其潛在的放射性危害，必須時刻將核安全放在首位，當電網因事故導致電壓、頻率發生波動時，核電站各主要參數特別是核安全相關參數必須限制在允許范圍內，因此有必要對核電機組在一次調頻動作時重要系統的響應及參數變化進行分析。

關鍵詞：一次調頻；核電廠；運行；影響

1 一次調頻動作對核電機組的影響

當電網供電側發生事故，如特高壓直流線路跳閘，在事故發生的瞬態，電網電壓、頻率下降，為維持電網穩定運行，供電側各電廠一次調頻動作，機組增加出力，彌補跳閘線路的缺額，最終使電網電壓頻率穩定在額定運行水平。在這一短暫的瞬態過程中，核電廠各主要系統的響應如下：

（1）電網頻率突降，而汽機轉速在瞬態開始時未下降，導致發電機功角δ變大，有功功率P開始上升（P=EUsinδ/Xd）。

（2）發電機有功功率在事故瞬態時突然增加，超出汽機調節系統設定的負荷目標值，調節系統動作使汽機調門開始關小，發電機功率迅速下降。

（3）因電網容量非常大，機組在并網情況下發電機電壓、頻率很快下降到與電網一致（視事故大小及電網調節能力而定），汽機轉速隨電網頻率下降而降低，汽機實際轉速小于轉速設定值，機組一次調頻動作，在頻差（δf）作用下，機組負荷開始增加，增加的負荷為Kδf（K值為調差系數，它根據每臺機組的實際情況以及電網要求來確定， K△f的作用就是在電網頻率發生變化時，為穩定電網回到50Hz而做補償或者稱為貢獻）。

（4）在電網頻率恢復到額定水平（50Hz）且未進入機組頻差動作死區前，Kδf會持續作用，機組負荷維持在一個較高的水平上，直至電網頻率、汽機轉速恢復到額定水平。

（5）由于汽機負荷增加，汽機調門開大，機組蒸汽流量增加，從而引起NSSS（核蒸汽供應系統）一系列參數變化及調節系統的響應：

a.蒸汽流量增加，蒸發器給水與蒸汽流量不匹配，蒸發器水位下降，在蒸發器水位控制系統及主給水泵轉速調節系統共同作用下逐漸恢復到正常值。

b.蒸汽流量增加，二回路從一回路帶走的熱量增加，引起主冷卻劑系統平均溫度下降，當實際平均溫度與參考平均溫度之差大于R棒動作值時，R棒提升，一回路引入正反應性，核功率上升，最終與二回路負荷相匹配，如果在瞬態之前一回路在滿功率水平，則核功率增加可能觸發反應堆保護系統動作。

c.由于熱脹冷縮，主冷卻劑系統平均溫度的變化會引起穩壓器水位及壓力的變化，穩壓器水位在平均溫度下降時下降，在活塞效應下，穩壓器壓力下降，穩壓器水位及壓力調節系統動作，上充流量增加，穩壓器電加熱器功率增大，正常情況下，水位及壓力能恢復到額定值。

d.由于電網電壓、頻率下降，廠用電電壓及頻率相應降低，主冷卻劑泵轉速下降，引起主冷卻劑系統流量降低，如果電網頻率下降過多，可能導致主冷卻劑泵轉速低與P7相與動作，導致機組進入孤島運行。

M310機組運行技術規范[1]要求，在機組連續運行期間，堆芯穩態熱功率不超過100%FP，禁止堆芯熱功率超過102%Pn，在一次調頻動作的瞬態期間，如果機組在100%FP運行，則機組一次調頻能力不應超過2%Pn，否則將超出運行技術規范要求。

2 方家山百萬機組在電網波動時主要系統的響應

方家山兩臺機組是額定功率1089MWe的百萬千瓦級M310壓水堆核電機組，汽機調節系統采用ALSTOM公司的P320 TGC控制系統[2]，2015年7月13日及2015年9月19日，兩次由于西南水電至華東電網特高壓直流跳閘，機組一次調頻動作，引起機組瞬態。以方家山2#機組為例，機組主要調節系統響應如下：

（1）2015年7月13日19：38分，由于外電網故障，500KV電網電壓由514.8KV突降至512.2KV，2#機組發電機頻率由49.94突降至49.78HZ，發電機功率由1059MWe突升至1074MWe左右，立即手動降功率至1040MWe，后又自動突升至1057MWe，手動降功率至1040MWe，后由于一次調頻頻繁動作，手動繼續降低發電機功率，最低降至940MWe，電網及機組穩定后，于20：54分重新升至1059MWe，在瞬態過程中，KδF值最高至32.6MWe，核功率最高至2912MWt，調門開度由52%最高開至64.6%，R棒提升兩步，穩壓器壓力波動最大0.4MPa，蒸發器水位最大波動0.15m。

在機組一次調頻動作后，對機組負荷有較大擾動，不利于機組安全穩定運行，后對機組一次調頻邏輯進行了優化，當核功率大于96%后，閉鎖正向調節功能。

（2）2015.9.19日21：58：01，2#機組KIC發“2KKO002KA機組故障錄波器啟動”、“2RGL021KA1功率偏差”、“2GRE359KA網頻擾動——出現”報警，機組功率下降至1036MW，頻率最低下降至49.54Hz，汽機轉速最低1490rpm，汽機MW回路及頻率死區均退出，檢查各調節系統響應正常，電網告知系統穩定后，投入2GRE400SY及2KCO100SY，升功率至1052MW。在瞬態過程中，調門最大開至52.39%，相比7月13日，一次調頻邏輯優化后，機組重要系統擾動明顯變小。

在對一次調頻進行優化后，閉鎖了機組正向調節功能，因此機組功率波動較小。

3 結束語

隨著核電機組裝機容量越來越大，核電將承擔越來越多的調峰任務；同時由于國家宏觀經濟結構調整，用電需求增速變緩，水電、風電的發展及西電東送等因素影響，華東電網供需矛盾日益突出，電網波動對核電機組影響可能會越來越頻繁，通過對方家山2#機組的實例分析可見，核電機組具備一定的調頻及抗電網擾動能力，當電網頻率在較小范圍波動時，機組各重要調節系統能及時正確的響應；同時從核安全角度考慮，應對核電機組的一次調頻能力進行限制，避免超出運行技術規范的要求，從而保證核安全。

參考文獻

[1]中核核電運行管理有限公司.方家山核電廠運行技術規范D版[S].2015-1-14.

[2]中核核電運行管理有限公司.一廠方家山1、2號機組高級運行培訓教材[Z].2013-4.