核电机组一二回路耦合变工况分析研究

摘要：核电机组一二回路有自己的运行特点，二回路功率会受到一回路热功率的限制。本文以AP1000核电机组为例，结合一回路的运行特点以及二回路热力系统的计算方法，通过二回路的汽轮机组输出功率、蒸汽流量之间的关系把核电站的一二回路耦合起来，提出核电机组一二回路耦合分析方法。 关键词：核电机组；一二回路；耦合变工况；分析

随着核电在电力生产中的比例越来越高，核电厂越来越多地参与电网调峰，以满足电力电网的需求，这种核电厂的功率跟随电网需求而变化的运行方式一般叫做负荷跟踪运行模式。核电厂在运行中使用“堆跟机”的运行模式，也就是按照汽轮机组输出功率确定反应堆的功率，对于核电厂这种模式是非常灵活的运行模式。

1 研究的必要性

到2013年底，我国电力总装机容量是124738万KW，火电总装机容量是86238万KW，占电力总装机容量的69.14％，核电总装机容量是1461万KW，占电力总装机容量的1.17％。按照《核电中长期发展规划》，到2020年，我国的核电运行装机容量需要突破4000万KW，占电力装机的4％左右。福岛核泄漏事故出现后，安全问题成为各国核电业的重点问题。2012年10月，国务院常务会议决定，恢复正常建设，恰当控制建设速度，稳步有序推进，依据全球最高安全标准建设核电工程，新建核电机组应该符合三代安全标准。

在核电机组正常运行的情况下，汽轮机组输出功率会由于电网需求额调节，或由于时间变化而出现功率偏移，国内外学者的研究主要集中在对火电厂经济性评价以及故障判断、压水堆核电机组二回路热力系统计算、冷端改良以及经济性评价方面。针对二回路变工况运行和一回路的匹配性的研究非常少。所以本文对核电机组一二回路耦合进行研究。 2 AP1000核电厂的特点

废物产生量非常少，可以减少人员辐照以及保护环境。可以满足我国现行和安全法规以及国际安全标准的要求。采用非能动的安全系统。若出现事故，3天内，可以依靠自动投入的非能动安全系统确保核电厂的安全，不用工作人员进行干预。非能动安全系统的投入以及运行不用交流电源。运用简化型设计。和第二代、二代改进型以及能动型的第三代核电站比较，系统非常简单，设备显著减少。有利于减少建造的资金以及运行维护的资金。运用模块化的设计以及建造技术，促进缩短建设的时间，改变了先建房子后安装设备，也就是先土建、后安装的施工方法，把施工场地的串联作业变成工厂预制、现场吊装的并联作业。可利用度非常高，系统和设备的高可靠性，使得核电厂可利用度超过了93％；使用领先的燃料组件，燃料有着非常好的经济性。每18~24个月进行一次装换核燃料以及必要的维修，运行时间非常长，换料以及维修的时间非常短。AP1000核电厂的设计使用了非常成熟的、经过验证的技术，已经通过了美国核安全监管当局的独立审查，得到了设计许可证，能够用于商业建造。AP1000核电厂的设计能够很好地提高安全性以及经济型，是新型的设计.AP1000核电厂的技术成熟性可以从反应堆、冷却剂系统以及非能动安全系统这几个方面进行评估。AP1000核电厂的非能动安全系统是创新性的设计，但是反应堆系统和冷却剂系统运用了第二代压水堆成熟的技术。AP1000核电厂的反应堆使用西屋公司非常成熟的314型反应堆而稍有改良，是相同型号在不同建设时期的改进，是继承并改良的性质。AP1000核电厂的

反应堆冷却剂系统的设备是在已有运行实践的条件下选用以及改良的，是非常成熟的设备。 3 计算过程

核反应堆和动力设备在正常运行的条件下，反应堆热功率和各个运行参数之间的关系由实际的运行方案确定。AP1000核电厂使用一回路冷却平均温度程序方案。

电网需求的变化通过汽轮机控制系统直接表现为蒸汽流量的变化，要求核反应堆堆控系统对负荷的变化做出响应，以适应电网变化的需求。因为核电厂使用堆跟机的运行方式，所以能够通过二回路的汽轮机组输出功率、蒸汽流量、蒸汽压力、反应堆热功率之间的关系把核电站的一二回路耦合起来。

二回路参数的变化会使得汽轮机工况出现变化，最后会使得一回路热功率出现变化。但核电机组不可以超功率运行，一回路热功率仅仅在100％热功率之内调节，即使汽轮机能够超出额定功率运行，一回路也不可以超出热功率。二回路循环水温度、汽轮机输出功率以及一回路热功率的关系是循环水温度变化使得凝汽器真空改变，进而使得汽轮机输出功率偏离目标值，在一回路热功率可调范围内调节热功率使汽轮机输出功率返回目标值[1]。

一般情况下，凝汽器循环水温度会随着时间的变化而发生变化。所以，使得凝汽器背压发生变化。

以汽轮机组输出功率以及循环水温度为基础，假设主蒸汽流量。按照一回路特性曲线确定主蒸汽参数，然后进行二回路热平衡计算以及一回路热功率计算，还要考虑一回路热功能的限值，若计算获得的主蒸汽流量和假设值不一致，那么重新假设主蒸汽流量，直到计算值和假设值一致。

以本文的计算方法为基础，考虑负荷调节以及季节变化，在75％~100％的功率范围内，循环水设计温度取16℃，对循环水温度在6~30℃范围内对一回路热功率以及二回路汽轮机组输出功率加以计算。图一是不同的一回路热功率状况下，循环水温度对二回路汽轮机组输出功率的影响，从图中可以发现，在维持一回路热功率一定的条件下，汽轮机组输出功率随着循环水温度的提高而下降。当一回路满功率运行的时候，随着季节的变化， 汽轮机组输出功率会出现变化，夏天的时候汽轮机组输出功率不超过设计值，当一回路维持在满功率运行的时候，循环水的温度以冬天6℃、夏天30℃计算，汽轮机组输出功率相差在80KW左右。

图一

图二是不同汽轮机组输出功率下，循环水温度对一回路热功率的作用，从图中可以发现，因为核电机组使用了堆跟机的运行方法，因此反应堆热功率随着汽轮机组的输出功率的变化而出现变化。随着循环水温度的提高，一回路的热功率慢慢增大，这是因为循环水温度提高，凝汽器真空降低，蒸汽在汽轮机中的焓越来越少，要维持汽轮机组输出功率仅能加大蒸汽流量，然后提高一回路热功率[3]。但，一回路热功率的提升是有限度的，所以，当一回路热功率达到极限后，随着循环水温度的提高，汽轮机组输出功率会下降。

图二 结语

在75％~100 ％范围内，一回路热功率与主蒸汽参数的计算值和设计值的误差低于0.4 ％，说明本计算方法有着非常高的精确度。因为核电机组使用了堆跟机的运行方法，可以通过调节一回路热功率保持汽轮机的功率，但是一回路热功率

受到限值的制约，所以当一回路热功率达到极限后，汽轮机组输出功率随着循环水温度的上升的下降。 参考文献：

[1]武心壮.核电机组一二回路耦合变工况分析[J].节能技术，2016，3404：357-361.

[2]李建刚，李丽萍，杨小琨.压水堆核电二回路系统汽轮机功率计算[J].武汉大学学报（工学版），2005，03：141-144.