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(jī)大省帶來了較大的調(diào)峰壓力?；诓煌瑖液穗姍C(jī)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(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)峰的安全性和經(jīng)濟(jì)性。通過國內(nèi)外核電機(jī)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(jī)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(jī)組33臺，總裝機(jī)容量3132萬kW。目前，中國在建核電機(jī)組21臺，裝機(jī)容量2393萬kW，在建核電機(jī)組容量居世界第一，在運、在建機(jī)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(jī)達(dá)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(jī)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(fù)荷分別為3046萬kW、1623萬kW、1943萬kW，其中核電機(jī)組出力占日均最低負(fù)荷比例分別達(dá)17.20%、40.31%、23.03%，導(dǎo)致負(fù)荷低谷時段負(fù)荷備用不足問題突出，汛期低負(fù)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(jī)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(jì)性的影響。通過國內(nèi)外核電機(jī)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(jī)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(jì)，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(jī)組的日負(fù)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(fù)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(jī)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(jī)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(fù)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(dá)國家的核電機(jī)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(jī)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(jī)占比超過50%，發(fā)電量占比超過70%，機(jī)組頻繁進(jìn)行日調(diào)峰運行；美國、德國核電機(jī)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(fù)荷特性要求，除在最小負(fù)荷時段安排檢修外，核電機(jī)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(jī)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(jī)組頻繁參與電網(wǎng)日調(diào)峰，現(xiàn)役機(jī)組中除個別機(jī)組不參與電網(wǎng)調(diào)峰外，其余機(jī)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(jī)組一年內(nèi)降出力次數(shù)達(dá)到130次左右。（2）參與調(diào)峰幅度大。通常法國核電機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)根據(jù)機(jī)組燃料壽命期統(tǒng)籌安排機(jī)組參與調(diào)峰的次數(shù)，以避免某些機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)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(hù)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(hù)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(qiáng)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(dá)34萬，自主避難人群達(dá)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(jì)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)組負(fù)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(fù)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(jī)組頻繁進(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)的末級葉片沖蝕更加嚴(yán)重。
3核電調(diào)峰對經(jīng)濟(jì)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(jì)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(fù)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(fù)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(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)，在折現(xiàn)率5%的情況下，負(fù)載率由90%降至70%時，核電LCOE上升約35%，遠(yuǎn)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(jì)性。
3.2.1核燃料利用率降低
核電機(jī)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(jī)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(jī)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(jì)性。
3.2.2廢水處理成本增加
若機(jī)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(jī)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(jì)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(jī)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(jī)構(gòu)依據(jù)并網(wǎng)調(diào)度協(xié)議安排核電機(jī)組停機(jī)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(jī)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(jī)組調(diào)峰次數(shù)已達(dá)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(jī)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(jìn)一步增大。因此，亟需對核電機(jī)組調(diào)峰能力進(jìn)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(jī)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(jìn)，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(jī)組33臺，主力機(jī)組類型是M310、CPR1000等；另外，在建21臺，裝機(jī)容量2393萬kW，主力機(jī)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(jī)型還可以選擇快速調(diào)節(jié)模式，負(fù)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(jī)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(jī)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(jī)組外，其他并網(wǎng)核電機(jī)組理論上均具備日調(diào)峰能力。運行中核電機(jī)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(jī)組可以降負(fù)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(jī)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(jī)組性能測試及運行人員培訓(xùn)也存在隱患。（2）核電機(jī)組涉網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不健全，使得核電機(jī)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(jī)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(jī)組調(diào)峰能力進(jìn)行研究，論證核電進(jìn)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(jī)占比超過50%，發(fā)電量占比超過70%，機(jī)組頻繁進(jìn)行日調(diào)峰運行；美國、德國核電機(jī)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(fù)荷特性要求，除在最小負(fù)荷時段安排檢修外，核電機(jī)組一般保持滿功率運行。
（3）國家電網(wǎng)并網(wǎng)核電機(jī)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(jī)組外，其他并網(wǎng)核電機(jī)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(jìn)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(jī)組現(xiàn)狀，借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗，制定滿足中國核電機(jī)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(jī)組調(diào)峰要求。
（3）對理論上具備日調(diào)峰能力的機(jī)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(jìn)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(jī)組日調(diào)峰運行。
（4）近期，完善并網(wǎng)發(fā)電廠“兩個細(xì)則”中關(guān)于核電的考核要求及補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)，加大對核電調(diào)峰的考核、補(bǔ)償力度，提高核電參與電網(wǎng)調(diào)峰的積極性；中遠(yuǎn)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。
