摘要：針對我國核電機(jī)組是否應(yīng)該參與電網(wǎng)調(diào)峰問題，介紹了國際核電先進(jìn)國家的情況，并從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性兩方面闡述中國核電機(jī)組最好不參與調(diào)峰，而從上網(wǎng)電價上對調(diào)峰機(jī)組予以適當(dāng)經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。

      關(guān)鍵詞：電網(wǎng)調(diào)峰，核電，核電機(jī)組，常規(guī)機(jī)組，上網(wǎng)電價。

1 問題的提出

      在我國大陸地一座核電機(jī)組——秦山核電廠開工建設(shè)22年以后的2007年，我們終于盼來了國務(wù)院正式頒布的我國第一部《核電發(fā)展中長期規(guī)劃（2005——2020年）》。按照規(guī)劃要求，我國大陸核電將從目前的投運(yùn)接近910萬千瓦以較快的速度發(fā)展到2020年的投運(yùn)4000萬千瓦、在建1800萬千瓦，而且按照進(jìn)一步減少溫室氣體排放、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的需要，這個指標(biāo)很可能還會有大幅度提高。核電建設(shè)項目不僅正在沿海的浙江、廣東、江蘇等已有核電投運(yùn)的省份開建，而且拓展到了遼寧核福建。內(nèi)陸省份建設(shè)核電的積極性也非常之高。

      最近我與一些電力公司的同行交流核電發(fā)展時，談到一個很有意思的問題。這就是核電機(jī)組能否參與電網(wǎng)調(diào)峰。特別是有的省份外向型經(jīng)濟(jì)成分較強(qiáng)，電力負(fù)荷的季節(jié)性差別很大，全省十多臺核電機(jī)組全部投運(yùn)后調(diào)峰就有些新困難。他們覺得如果大容量核電機(jī)組能參與調(diào)峰就好了。目前我國11臺核電機(jī)組地處國內(nèi)經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的浙江、廣東和江蘇，電力需求大，全都用作電網(wǎng)的基荷機(jī)組。隨著核電向其他或內(nèi)陸省份的拓展，這個問題的討論總是要浮出水面。最近我專門調(diào)研了一下法國、日本等核電發(fā)達(dá)國家的情況，結(jié)合我國目前核電技術(shù)水平和我國電網(wǎng)狀況，提出以下想法，借以與電力同行研討。不妥之處，敬請指正。

2 核電廠運(yùn)行的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)

      核電廠是一個極其復(fù)雜的發(fā)電系統(tǒng)。人們可以粗略地從技術(shù)管理和經(jīng)濟(jì)性兩個層面來分析核電的負(fù)荷跟蹤性能。

      原則上講，所有的核電反應(yīng)堆均有根據(jù)電網(wǎng)需要調(diào)節(jié)其功率，亦即負(fù)荷跟蹤的能力，但實際上真正能有效且安全地實現(xiàn)負(fù)荷跟蹤的反應(yīng)堆類型只是有限的少數(shù)。反應(yīng)堆通常利用向反應(yīng)堆內(nèi)插入或抽出控制棒來快速調(diào)節(jié)其功率。大多數(shù)壓水堆機(jī)組均能在30-100%的功率范圍內(nèi)以每分鐘1-3%的速率進(jìn)行負(fù)荷跟蹤。特殊情況下，在有限的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)速率也可以達(dá)到每分鐘5%甚至10%。壓水堆負(fù)荷跟蹤程序主要考慮三個參數(shù)：冷卻劑溫度、控制棒數(shù)目和水中的可溶硼濃度。此外還要關(guān)注裂變產(chǎn)物氙-135濃度隨反應(yīng)堆功率變化而變化的影響。

      普通的控制棒吸收中子的能力非常強(qiáng)，又被稱為“黑棒”。將黑棒插入反應(yīng)堆堆芯后，將引起堆內(nèi)中子注量率的劇烈變動，從而使堆內(nèi)功率分布不均勻。所以在現(xiàn)代反應(yīng)堆中，人們采用一種吸收中子能力稍弱的材料制成所謂的“灰棒”。將灰棒和調(diào)節(jié)水中可溶硼濃度有機(jī)結(jié)合的方法來實現(xiàn)負(fù)荷跟蹤。例如，通過調(diào)節(jié)（增大）冷卻劑中的可溶硼濃度可以補(bǔ)償?shù)艄β矢淖儯ㄏ陆担┮鸬拇蟛糠址磻?yīng)性變化，同時避免因功率調(diào)節(jié)引起反應(yīng)堆堆芯中子注量率的過分?jǐn)_動。但是帶來的另一個問題是，當(dāng)需要提升功率是，則要對冷卻劑進(jìn)行硼濃度稀釋和硼回收操作。這項操作比較麻煩，增加能耗，弄得不好還要產(chǎn)生一回路廢水。

      壓水堆需采用厚壁的壓力容器。功率變化還會引起壓力容器及其他結(jié)構(gòu)材料的熱疲勞、燃料燃耗損失、運(yùn)動設(shè)備部件磨損等較多的負(fù)面影響。例如核電機(jī)組用于調(diào)節(jié)電網(wǎng)頻率時，可能導(dǎo)致控制棒每天發(fā)生多達(dá)數(shù)百次的低幅運(yùn)動，這對控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)的使用壽命會帶來很大的影響[1]。由溫度（以及壓力）的波動引起的熱約束和熱疲勞是評價反應(yīng)堆壓力容器及其它部件壽命時需要考慮的關(guān)鍵因素，功率調(diào)節(jié)會使這種負(fù)面影響更加惡化。所以從壓力容器安全性和延長其服役年限來說核電機(jī)組用于基荷運(yùn)行十分有利。

      現(xiàn)在再讓我們來分析一下常規(guī)島的情況。核電汽輪機(jī)為次高壓的飽和蒸汽，進(jìn)汽壓力和容積流量相當(dāng)于火電機(jī)組的中壓缸，具有明顯的低溫、低壓特點(diǎn)。單位工質(zhì)焓降小，熱效率低，相同功率下對應(yīng)的蒸汽流量接近于超超臨界機(jī)組的2倍，而容積流量則為4～6倍。由于主蒸汽是飽和蒸汽，汽輪機(jī)通流部分濕度大，蒸汽對葉片的腐蝕很大，高壓缸的排汽不能直接排入低壓缸或中壓缸，必須在高低壓缸之間或高中壓缸之間設(shè)置汽水分離再熱器，以避免汽輪機(jī)零部件因水蝕而損壞。

      據(jù)介紹，大容量的火電汽輪機(jī)普遍采用噴嘴調(diào)節(jié)配汽方式。這種配汽方式只有在最后開啟的那組調(diào)節(jié)閥的汽流才會受到節(jié)流的影響,因此節(jié)流導(dǎo)致的能量損失不會很大,所以,對于變工況運(yùn)行比較頻繁的火電機(jī)組是最佳的配汽方式。核電機(jī)組蒸汽參數(shù)低、流量大,采用噴嘴調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)級動葉片的應(yīng)力很高。同時,對于濕蒸汽在噴嘴出口會發(fā)生“凝結(jié)激波”,使葉片出汽處產(chǎn)生裂紋,影響機(jī)組安全運(yùn)行[2]，故而核電汽輪機(jī)普遍采用節(jié)流調(diào)節(jié)。在閥門全開或稍有節(jié)流的額定負(fù)荷下，節(jié)流配汽方式要比噴嘴配汽效率高；而在低于額定負(fù)荷運(yùn)行時效率下降比火電機(jī)組明顯。因此，核電主要是帶基荷運(yùn)行。
眾所周知，與火電機(jī)組的建設(shè)相比，核電因其核安全和高質(zhì)量引起的核電廠資本投資大約占總平正化成本的60%，運(yùn)行和維修費(fèi)占20%左右，燃料費(fèi)不到20%?？偟恼f來，核電的固定資產(chǎn)成本總是比火電廠的要高，再加上建設(shè)周期長，其建設(shè)可行性研究都是在機(jī)組作為基何運(yùn)行的前提下進(jìn)行的，而且考慮的運(yùn)行時間也比火電機(jī)組高得多，即使如此，還貸壓力仍然很大，這是核電廠傾向用于基荷運(yùn)行的根本性經(jīng)濟(jì)原因。

3 日本和法國等核電發(fā)達(dá)國家電網(wǎng)的調(diào)峰

      日本和法國是西方世界核電發(fā)展相當(dāng)發(fā)達(dá)德國家。它們都市從美國引進(jìn)的核電技術(shù)，然后消化吸收再開發(fā)的?，F(xiàn)在日本的核電占全部發(fā)電量的35％，而在法國該比例更高達(dá)80％左右，位居世界第一。

      日本的核電主力堆型為壓水堆和沸水堆兩種。據(jù)日本專家介紹，早在上世紀(jì)80年代，全部采用沸水堆的日本東京電力公司預(yù)計核電機(jī)組負(fù)荷跟蹤很快就會勢在必行，就已經(jīng)開展了大量的功率范圍在100%（運(yùn)行14h）-75%（運(yùn)行8h）-100%之間的日負(fù)荷跟蹤試驗。可能與沸水堆可以較為容易地調(diào)節(jié)冷卻劑流量來調(diào)節(jié)功率有關(guān)，試驗結(jié)果顯示十分成功，所有運(yùn)行參數(shù)均如預(yù)期落在限值以內(nèi)。但是后來核電發(fā)展放緩，直到今日也沒有實行日負(fù)荷跟蹤運(yùn)行。另一家全部采用壓水堆的關(guān)西電力公司早期也曾計劃實施負(fù)荷跟蹤，但考慮到難以獲得公眾的接受，計劃也被擱置了。所有的核電機(jī)組絕大多數(shù)時間均為滿發(fā)，甚至在冬天由于冷卻水溫低而超發(fā)，只是在新年假期這樣負(fù)荷極低的特殊時刻才會降功率運(yùn)行。夏季海水溫度太高時也會降低一些功率，但不是電網(wǎng)要求。電網(wǎng)的負(fù)荷跟蹤全部由火電與水電機(jī)組承擔(dān)。

      法國的情況十分特殊。1983年，法國大多數(shù)核電機(jī)組均在滿功率運(yùn)行，但一些核電廠有超過10%的時間降功率運(yùn)行，以保證電力系統(tǒng)平衡之需。由于法國的電力市場開放緩慢，電力是分類計價?，F(xiàn)今法國核電裝機(jī)容量已達(dá)80%左右，大多數(shù)核電廠都必須有段時間降功率運(yùn)行。一些機(jī)組必須有足夠的負(fù)荷跟蹤的運(yùn)行靈活性，以保證電網(wǎng)的穩(wěn)定。

      現(xiàn)在法國正朝著更加靈活的能源市場邁進(jìn)。運(yùn)行靈活性被視為一種高價值產(chǎn)品而經(jīng)常被利用。在這種情況下，運(yùn)行靈活的核電廠既可以因其穩(wěn)定運(yùn)行性而獲得恒定的收益，又可以因其相對靈活性而滿足系統(tǒng)的要求。靈活的運(yùn)營管理可以帶來巨大的機(jī)遇。這就使得核電機(jī)組更加受到聯(lián)合投資方的青睞。在法國當(dāng)電力需求不足時，法國電力公司挑選一些核電機(jī)組專門用于負(fù)荷跟蹤，滿足大的負(fù)荷變化。這樣做或許費(fèi)用要增加一些，但燃料的燃耗降低了。用這種辦法可以使核電機(jī)組的換料時間可以更如人意地錯開用電高峰季節(jié)。

      根據(jù)其他核電國家的經(jīng)驗，看起來除了法國外，其他國家均用水、火電調(diào)峰，讓核電作為基荷運(yùn)行，以保證核電的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行安全。這是值得我國考慮和借鑒的。

4 解決我國局部地區(qū)電網(wǎng)的調(diào)峰辦法的思考

      核電廠的運(yùn)行模式取決于電力需求、科技水平、電力管制、售電合同機(jī)制與經(jīng)濟(jì)性分析等許多因素。如上所說，除了少數(shù)極個別國家外，大多數(shù)國家的核電廠仍然是作為基本負(fù)荷電源點(diǎn)運(yùn)行的，負(fù)荷跟蹤仍然是相當(dāng)特殊的運(yùn)行方式。中國核電裝機(jī)容量很少，即使到了2020年估計核發(fā)電量比例也不會超過個位數(shù)。在如此大的減排溫室氣體壓力下，用水、火電機(jī)組來執(zhí)行電網(wǎng)調(diào)峰顯然更為妥當(dāng)。
由于一座核電廠的停止運(yùn)行，特別是其非計劃停閉，會對電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生沖擊。作為一個世界通行的經(jīng)驗規(guī)律，對任何電網(wǎng)均不建議其中的某一個核電電源點(diǎn)的容量超過該電網(wǎng)總?cè)萘康氖种?。過去有的省份如福建省是一個獨(dú)立電網(wǎng)，對大型核電機(jī)組的承受能力較弱?，F(xiàn)在我國電網(wǎng)已基本實現(xiàn)全國相連，電力調(diào)度遠(yuǎn)比過去容易。跨出省際界限，在地區(qū)范圍內(nèi)尋找合適的調(diào)峰機(jī)組應(yīng)當(dāng)不是個難事。
雖然各國國情不一樣，結(jié)論也可能會各不相同，但歸根到底還是在于經(jīng)濟(jì)利益。日本和法國的一大特點(diǎn)是器電力公司手中同時擁有核電和常規(guī)電源。從電力公司的角度來說，何種機(jī)組參與調(diào)峰無所謂，“手心手背都是肉”。中國情況不一樣，現(xiàn)有核電公司幾乎都不擁有常規(guī)機(jī)組，的確有個經(jīng)濟(jì)效益問題。根據(jù)我國《上網(wǎng)電價管理暫行辦法》的規(guī)定，“上網(wǎng)電價管理應(yīng)有利于電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行，有利于促進(jìn)電力企業(yè)提高效率和優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，有利于向供需各方競爭形成電價的改革方向平穩(wěn)過渡”。從這點(diǎn)講，可能按照不同負(fù)荷種類、不同時段計及其上網(wǎng)電價較為合理。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 楊曉輝、單世超. 核電汽輪機(jī)與火電汽輪機(jī)比較分析.汽輪機(jī)技術(shù), Vol.48 No6 Dec 2006.