中國儲能網(wǎng)訊：中國核電自2015年重啟后發(fā)展迅速，一方面帶動了相關(guān)行業(yè)的發(fā)展,提供了更多可靠的清潔電力，另一方面也給中國電力需求放緩形勢下部分核電裝機大省帶來了較大的調(diào)峰壓力?；诓煌瑖液穗姍C組調(diào)峰能力及實際運行經(jīng)驗的收集整理，分析了核電機組參與電網(wǎng)調(diào)峰的安全性和經(jīng)濟性。通過國內(nèi)外核電機組類型、運行原理、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等方面的對比分析，研究了中國核電機組參與電網(wǎng)調(diào)峰的可行性。
0引言
經(jīng)歷自2011年福島核電事故后5年的蟄伏期，中國核電重新走上發(fā)展的快車道。截至2016年7月底，中國并網(wǎng)核電機組33臺，總裝機容量3132萬kW。目前，中國在建核電機組21臺，裝機容量2393萬kW，在建核電機組容量居世界第一，在運、在建機組容量居世界第3（僅次于美國、法國）。根據(jù)最新發(fā)布的《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，“十三五”期間全國核電投產(chǎn)約3000萬kW、開工3000萬kW以上，2020年裝機達到5800萬kW。
核電的快速發(fā)展一方面帶動了相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，提供了更多可靠的清潔電力;另一方面，由于近些年可再生能源發(fā)電在電力系統(tǒng)的比例不斷提高，對電網(wǎng)及其他電源的運行靈活性提出了更高要求，因此在中國電力需求放緩形勢下，核電保持額定功率運行增大了部分核電裝機大省電網(wǎng)調(diào)峰難度。2016年以來，浙江、福建、遼寧電網(wǎng)日均最低負荷分別為3046萬kW、1623萬kW、1943萬kW，其中核電機組出力占日均最低負荷比例分別達17.20%、40.31%、23.03%，導(dǎo)致負荷低谷時段負荷備用不足問題突出，汛期低負荷時段浙江、福建存在棄水風(fēng)險，供暖期遼寧大規(guī)模棄風(fēng)且供熱安全受到影響，2015年春節(jié)期間甚至出現(xiàn)風(fēng)電零接納的情況。
本文總結(jié)分析了不同國家核電機組的調(diào)峰能力及實際運行經(jīng)驗，重點從重大安全事故原因及調(diào)峰運行對組件和燃料的潛在風(fēng)險等角度分析了核電參與調(diào)峰對安全性的影響，并從投資成本、運維成本和燃料成本等角度分析了核電參與調(diào)峰對經(jīng)濟性的影響。通過國內(nèi)外核電機組類型、運行原理、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等方面的對比分析，研究了中國核電參與系統(tǒng)調(diào)峰的可行性。
1國外核電機組調(diào)峰情況
按照核電自身運行特點，以額定容量運行時最高效、經(jīng)濟，且運行方式簡單利于操作，但隨著核電比例的不斷升高，以及間歇性可再生能源的大量并網(wǎng)，歐美等核電大國對核電參與調(diào)頻、調(diào)峰也提出了相應(yīng)要求。
1.1調(diào)峰能力
歐洲對核電機組的日負荷跟蹤、一次調(diào)頻、二次調(diào)頻以及緊急情況調(diào)峰能力實施統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。
1991年，英、法、德等國家的電網(wǎng)和核電運營商共同組建了EuropeanUtilitiesRequirements（EUR），對核電調(diào)峰能力做出了具體要求：
（1）在前90%的燃料周期內(nèi)，能夠在50%~100%的額定容量內(nèi)以每分鐘3%額定容量的調(diào)節(jié)速率實現(xiàn)負荷跟蹤，但年累計跟蹤次數(shù)不得超過200次。
（2）具備一次調(diào)頻能力，能夠在±2%~±5%額定容量內(nèi)，以每秒鐘1%額定容量的調(diào)節(jié)速率調(diào)整出力，使得電網(wǎng)頻率穩(wěn)定在標(biāo)準(zhǔn)頻率±200mHz范圍內(nèi)至少15min。
（3）具備二次調(diào)頻能力，能夠在±10%額定容量范圍內(nèi)，以每分鐘1%~5%額定容量的調(diào)節(jié)速率調(diào)整出力。
（4）緊急情況下，能夠以每分鐘20%額定容量的速率降功率至最小出力位置運行。
歐洲現(xiàn)役主要核電機組基本可實現(xiàn)EUR整體要求，以歐盟EPR和俄羅斯VVER-1000/1200為例，其調(diào)控能力具體參數(shù)如表1所示。
1.2運行經(jīng)驗
核電機組實際運行方式一方面與所在電力系統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu)、負荷特性密切相關(guān)，另一方面也與電力體制相關(guān)。因此，雖然歐美、日韓等發(fā)達國家的核電機組在設(shè)計上大都具備了調(diào)峰調(diào)頻能力，也積累了調(diào)峰調(diào)頻經(jīng)驗，但實際運行中，各國依照本國國情對核電參與調(diào)峰采取不同策略。
根據(jù)調(diào)研，法國、美國PJM、加拿大Ontario、日本、韓國等國家和地區(qū)的核電裝機占比均接近或超過20%（詳見表2），發(fā)電量占比在20%~80%。其中，法國核電裝機占比超過50%，發(fā)電量占比超過70%，機組頻繁進行日調(diào)峰運行；美國、德國核電機組根據(jù)電網(wǎng)需求參與調(diào)峰運行；日本、西班牙、韓國等國家和地區(qū)由于具有充足的調(diào)峰電源，電源結(jié)構(gòu)適應(yīng)負荷特性要求，除在最小負荷時段安排檢修外，核電機組一般保持滿功率運行。
法國作為世界上核電比重最大的國家，其核電機組調(diào)峰主要有以下特點：（1）參與調(diào)峰頻度高。法國核電機組頻繁參與電網(wǎng)日調(diào)峰，現(xiàn)役機組中除個別機組不參與電網(wǎng)調(diào)峰外，其余機組平均年調(diào)峰次數(shù)為50次左右，調(diào)峰次數(shù)最多的機組一年內(nèi)降出力次數(shù)達到130次左右。（2）參與調(diào)峰幅度大。通常法國核電機組調(diào)峰安排在燃料前65%壽命期內(nèi)，降出力至27%額定功率運行；在燃料前65%~90%壽命期內(nèi)，最小技術(shù)出力逐步增大；到90%~100%壽命期和燃料延伸運行階段，出于燃料組件安全性考慮不安排機組調(diào)峰（如圖1所示）。（3）調(diào)峰安排合理。法國電力調(diào)度機構(gòu)根據(jù)機組燃料壽命期統(tǒng)籌安排機組參與調(diào)峰的次數(shù)，以避免某些機組長期運行在頻繁調(diào)節(jié)狀態(tài)?？傮w來看，在連續(xù)的2~3個換料期內(nèi)（1個換料期為12~18個月），各臺機組參與調(diào)節(jié)的次數(shù)總和基本趨于相同。
2核電調(diào)峰安全性的影響分析
2.1三次重大核安全事故原因分析
根據(jù)國際原子能機構(gòu)（IAEA）1990年起草并頒布的國際核事故分級標(biāo)準(zhǔn)（INES），核事故分為7級，災(zāi)難影響最低的為1級，影響最大的為7級。在世界核電60多年的發(fā)展進程中，共發(fā)生3次5級以上的核電安全事故。
1979年8月24日，美國三里島核電站由于操作判斷失誤及機械故障，導(dǎo)致堆芯熔毀的嚴(yán)重事故，至少15萬居民被迫撤離，不過該事故中由于主要的工程安全設(shè)施都自動投入，同時由于反應(yīng)堆自身的幾道安全屏障（燃料包殼、一回路壓力邊界和安全殼等）保護較好，因而無一傷亡，三里島事故對環(huán)境的影響較小，該事故后被評為5級核安全事故。
1986年4月26日，前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站由于人員誤操作及自身設(shè)計缺陷（反應(yīng)堆燃料棒的結(jié)構(gòu)和保護系統(tǒng)不合理）發(fā)生至今為止事故等級最高的7級核電事故。切爾諾貝利核電站爆炸造成30人當(dāng)場死亡，8t多強輻射物泄漏，使電站周圍6萬多平方千米土地受到直接污染，320多萬人受到核輻射侵害，造成人類和平利用核能史上最大一次災(zāi)難。
2011年3月11日，受日本東北部9.0級大地震和海嘯的影響，福島第一核電站和第二核電站遭受嚴(yán)重破壞，引起大規(guī)模放射性核素泄露，日本原子能安全保安院根據(jù)國際核事件分級表將福島核事故定為最高級7級。本次核事故的核損害賠償在如下5個方面創(chuàng)下了世界之最：（1）潛在的受害人數(shù)最多，政府疏散人群達34萬，自主避難人群達150多萬；（2）事故索賠案件數(shù)量最多，截至2014年2月28日，共有210萬份；（3）事故賠償金額最大，預(yù)計將支付賠償金額5萬億日元，約500億美元；（4）投入事故處理的人力最多，高峰期時13200名人員從事與事故賠償直接相關(guān)的工作；（5）賠償范圍最寬，涵蓋了精神損失、經(jīng)濟收入損失、傳聞?chuàng)p失、間接損失、自主避難損失等一般侵權(quán)行為會比較慎重考慮的領(lǐng)域。
總體看，導(dǎo)致3起重大核電事故的主要因素是核電站自身設(shè)計缺陷、人員操作不當(dāng)、抗極端自然災(zāi)害能力不足，與核電調(diào)峰運行方式無關(guān)。目前尚無由于機組調(diào)峰導(dǎo)致的堆芯爆炸、燃料泄漏等重大安全事故。
2.2核電調(diào)峰安全隱患分析
核電調(diào)峰的安全隱患主要來自2種運行狀態(tài)：一是長期低功率運行；二是頻繁調(diào)峰。但兩者可能導(dǎo)致的安全事故一般不超過2級核事件（安全措施失效，但仍具有足夠縱深防御，仍能處理進一步的安全問題），主要風(fēng)險隱患如下。
2.2.1放射性物質(zhì)泄漏風(fēng)險
核電機組功率調(diào)節(jié)過程中（以降功率為例），由于控制棒向下調(diào)節(jié)，反應(yīng)堆內(nèi)軸向核功率的變化與氙毒的變化呈相反趨勢，產(chǎn)生核功率的軸向偏差。伴隨著氙毒的衰變和控制棒檔位變化，軸向核功率偏差不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致軸向核功率振蕩。核功率振蕩導(dǎo)致核燃料包殼應(yīng)力不均衡，部分部位核功率過高使反應(yīng)堆包殼與水發(fā)生反應(yīng)，造成放射性物質(zhì)泄漏至一回路。在核燃料壽期末，軸向核功率偏差的振蕩更加難以控制，在核燃料壽期末應(yīng)避免功率的大幅調(diào)整。
2.2.2燃料組件破損風(fēng)險
由于核燃料芯塊與包殼的熱膨脹系數(shù)不同，核電機組負荷變化時，包殼局部可能產(chǎn)生超過材料應(yīng)力極限的現(xiàn)象。核燃料芯塊與燃料包殼的相互作用（PCI）容易導(dǎo)致燃料包殼的損壞。低功率運行持續(xù)時間越長，當(dāng)再次提升功率時，燃料包殼破損的概率越大。此外，對于頻繁的負荷變化，由于包殼應(yīng)力頻繁變化，可能導(dǎo)致包殼局部疲勞破損。
2.2.3降低設(shè)備可靠性
核電機組頻繁進行功率調(diào)整將降低核島和常規(guī)島的一些關(guān)鍵設(shè)備可靠性。一是控制棒與其驅(qū)動機構(gòu)及導(dǎo)向筒之間存在磨損，使控制棒的可靠性降低，可能導(dǎo)致控制棒落棒事故（停堆）、彈棒事故（核功率突增）和一回路破口（核泄漏）。二是功率調(diào)節(jié)過程中，一些關(guān)鍵閥門頻繁動作，可靠性降低。三是機組低功率運行時，二回路蒸汽品質(zhì)降低，濕度增大，對汽輪機的末級葉片沖蝕更加嚴(yán)重。
3核電調(diào)峰對經(jīng)濟性的影響分析
3.1核電調(diào)峰對發(fā)電總成本影響
平準(zhǔn)化發(fā)電成本（levelizedcostofgeneratingelectricity，LCOE）是衡量電源經(jīng)濟性的重要指標(biāo)。
式中：Invt、O&Mt、Fuet、Cart、Dect、Elct分別表示1個周期內(nèi)的投資成本、運維成本、燃料成本、CO2排放成本、停運成本及發(fā)電量；r表示折現(xiàn)率。
電源的LCOE受其負載率影響很大，這種影響程度隨著總成本中燃料成本和排放成本的比例變化而變化。最近的IEA/NEA研究報告分析了各主要電源的總發(fā)電成本構(gòu)成，如表3所示。對核電而言，由于其成本構(gòu)成主要是投資成本，燃料成本通常不超過總成本的20%，無碳排放成本，因此當(dāng)核電參與系統(tǒng)調(diào)峰時，由負載率下降（年發(fā)電量等比例減少）引起的LCOE變化相較其他電源更大。根據(jù)2010年國際原子能機構(gòu)數(shù)據(jù)，在折現(xiàn)率5%的情況下，負載率由90%降至70%時，核電LCOE上升約35%，遠高于煤電的10%和氣電的7%（如圖2所示）。
3.2核電調(diào)峰對運維及燃料成本影響
相較于大多數(shù)電源，雖然核電的運維成本和燃料成本在其總成本中占比不高，但調(diào)峰運行會使核燃料利用不充分，造成棄料；同時頻繁操作使得一些關(guān)鍵設(shè)備出現(xiàn)老化（例如閥），增加其運維成本；另外增加電廠廢水處理費用，影響核電經(jīng)濟性。
3.2.1核燃料利用率降低
核電機組的燃料裝載計劃一般需在換料期前確定，一旦確定并且裝載完畢后，在整個燃料的壽期內(nèi)，核燃料的裝載就不可改變，因此，若核電機組參與調(diào)峰或降出力運行，需提前做好調(diào)峰運行計劃，明確機組在整個燃料壽期內(nèi)的發(fā)電量以及利用小時數(shù)，做好燃料裝載計劃，以避免出現(xiàn)燃料使用不充分，最終造成棄料，影響核電的經(jīng)濟性。
3.2.2廢水處理成本增加
若機組參與調(diào)峰運行，會相應(yīng)地增加廢水的排放，對廢液處理系統(tǒng)的要求會有所上升。核電機組若非過于頻繁的參與電網(wǎng)日調(diào)峰，廢水排放量一般不會超出國家環(huán)保部門規(guī)定的范圍，但相應(yīng)的會對電廠廢水存儲能力和處理能力提出更高的要求，一定程度上將增加電廠廢水處理的費用，影響其經(jīng)濟性。
4“十三五”期間中國核電調(diào)峰前景分析
4.1中國核電運行現(xiàn)狀及調(diào)峰需求
正常情況下，中國核電機組一般保持額定功率運行，在節(jié)假日、惡劣天氣等特殊時段，調(diào)控機構(gòu)依據(jù)并網(wǎng)調(diào)度協(xié)議安排核電機組停機或降功率運行（一般降至75%~80%額定功率運行，但低功率運行持續(xù)時間一般不超過15天）配合電網(wǎng)調(diào)峰。2010—2015年，國家電網(wǎng)并網(wǎng)核電機組年平均調(diào)峰次數(shù)由1.4次/臺增加至4.3次/臺，單次降功率運行最長持續(xù)時間由199h增加至480h，2016年1—7月，國家電網(wǎng)并網(wǎng)核電機組調(diào)峰次數(shù)已達4.1次/臺。
中國現(xiàn)行的核電調(diào)峰方式部分緩解了特殊時段電網(wǎng)調(diào)峰壓力，但參與調(diào)峰頻次及深度仍不能完全滿足電網(wǎng)需要?！笆濉逼陂g，新增3000多萬kW核電機組全部布局在東部沿海地區(qū)（如圖3所示），屆時福建、浙江、遼寧等省電網(wǎng)調(diào)峰壓力將進一步增大。因此，亟需對核電機組調(diào)峰能力進行研究，論證核電日調(diào)峰的可行性。
4.2中國核電調(diào)峰可行性分析
從硬件及技術(shù)原理來看，中國已投運及在建的大部分核電機組具備調(diào)峰能力。中國核電技術(shù)主要從法國、美國、俄羅斯等國引進，本土化發(fā)展主要基于法國技術(shù)。截至2016年7月底，中國投入商業(yè)運行的核電機組33臺，主力機組類型是M310、CPR1000等；另外，在建21臺，裝機容量2393萬kW，主力機組類型是華龍一號、AP1000、EPR1750等。從國外實際運行經(jīng)驗看，M310作為法國第2代壓水堆技術(shù)的代表，可實現(xiàn)在前80%燃料周期內(nèi)，按照“12-3-6-3”（12h額定功率運行，3h降至50%額定功率，6h持續(xù)50%額定功率運行，3h升至額定功率運行）模式日調(diào)峰運行，該機型還可以選擇快速調(diào)節(jié)模式，負荷變動速率最快為5%/min；CPR1000是M310的升級版，調(diào)峰能力優(yōu)于M310技術(shù)機組；華龍一號、AP1000、EPR1750等第三代核電技術(shù)，在前90%燃料周期內(nèi)具有日調(diào)峰能力。
從實際運行情況看，國內(nèi)核電機組均具備2天以上中長期降功率運行配合電網(wǎng)調(diào)峰的能力，除田灣、秦山一期、秦山三期、大亞灣機組外，其他并網(wǎng)核電機組理論上均具備日調(diào)峰能力。運行中核電機組基本以2天以上中長期調(diào)峰為主。
但在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、操作規(guī)范、運行經(jīng)驗等方面，國內(nèi)核電實現(xiàn)日調(diào)峰與國外相比仍有不小差距。目前中國核電機組可以降負荷至額定容量的50%~80%連續(xù)多日運行，但不參加電網(wǎng)的日調(diào)峰，有以下2方面原因：（1）缺乏核電機組調(diào)峰技術(shù)規(guī)范及運行人員的相關(guān)培訓(xùn)。目前國內(nèi)核電廠技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與法律法規(guī)中，對于核電廠調(diào)峰運行能力尚無明確規(guī)定，相應(yīng)的機組性能測試及運行人員培訓(xùn)也存在隱患。（2）核電機組涉網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不健全，使得核電機組調(diào)度運行管理的要求無章可循，給電網(wǎng)安全運行帶來一定隱患。
5結(jié)論
5.1主要結(jié)論
（1）隨著核電發(fā)展逐步加快，福建、浙江、遼寧等省核電裝機容量不斷增加，電網(wǎng)調(diào)峰壓力也不斷增大，亟需對核電機組調(diào)峰能力進行研究，論證核電進行日調(diào)峰的可行性。
（2）從國外核電調(diào)峰情況看，法國核電裝機占比超過50%，發(fā)電量占比超過70%，機組頻繁進行日調(diào)峰運行；美國、德國核電機組根據(jù)電網(wǎng)需求參與調(diào)峰運行；日本、西班牙、韓國等國家和地區(qū)由于具有充足的調(diào)峰電源，電源結(jié)構(gòu)適應(yīng)負荷特性要求，除在最小負荷時段安排檢修外，核電機組一般保持滿功率運行。
（3）國家電網(wǎng)并網(wǎng)核電機組均具備2天以上中長期降功率運行配合調(diào)峰的能力。除田灣、秦山一期、秦山三期機組外，其他并網(wǎng)核電機組理論上均具備日調(diào)峰能力。
（4）目前中國實施核電調(diào)峰存在技術(shù)規(guī)范及相關(guān)運行程序中涉及日調(diào)峰運行的內(nèi)容不全、缺少專門的靈活性運行規(guī)程和輔助工具、運行人員未進行過系統(tǒng)培訓(xùn)等問題。
5.2如何開展調(diào)峰
（1）考慮到核電調(diào)峰存在一定風(fēng)險，且當(dāng)前中國在核電日調(diào)峰的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、操作規(guī)范、運行經(jīng)驗、運行人員等方面尚不具備條件，建議“十三五”期間核電可維持現(xiàn)行的調(diào)峰方式，即不參與系統(tǒng)日調(diào)峰。
（2）聯(lián)合組建核電調(diào)峰、調(diào)頻標(biāo)準(zhǔn)編制委員會，立足國內(nèi)核電機組現(xiàn)狀，借鑒國外先進經(jīng)驗，制定滿足中國核電機組及電網(wǎng)安全運行需求的調(diào)峰、調(diào)頻相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并考慮在核電廠簽訂并網(wǎng)調(diào)度時適時適度提高核電機組調(diào)峰要求。
（3）對理論上具備日調(diào)峰能力的機組，由能源主管部門組織相關(guān)科研單位、高校、核電企業(yè)等，進行相關(guān)技術(shù)改造、日調(diào)峰運行試驗、規(guī)程修編及人員培訓(xùn)，逐步開展核電機組日調(diào)峰運行。
（4）近期，完善并網(wǎng)發(fā)電廠“兩個細則”中關(guān)于核電的考核要求及補償標(biāo)準(zhǔn)，加大對核電調(diào)峰的考核、補償力度，提高核電參與電網(wǎng)調(diào)峰的積極性；中遠期，加快電力輔助服務(wù)市場改革，利用市場手段解決電網(wǎng)調(diào)峰困難問題。
