大亚湾核电站运营技术开发与实践

摘要：本文介绍了大亚湾核电站借鉴国际经验，在提高发电能力、缩短机组大修工期、减少非计划停机等三个重点领域，进行的一系列新技术研究与应用，提高核电机组的运营技术水平。

    关键词：核电站；运行；可靠性；技术创新

    1 立项背景

    大亚湾核电站是从法国引进的具有80年代末水平的压水堆核电机组，是国家改革开放，发展经济的重点项目之一，受到国内外专家、国务院以及国际核能界的普遍关注。投产初期也有许多专家学者对大亚湾核电站的技术可行性、经济性和环保性等方面有疑问和顾虑。虽然机组是引进的，但要取得良好的运行业绩单单靠引进的技术基础，没有消化、吸收和创新是无法实现的。引进大型成套发电设备，因运行技术跟不上，导致重大设备损坏，企业、国家蒙受重大损失的先例也是有过的。所以作为当时国内唯一的商用核电站，大亚湾核电站对迅速提高运营技术水平，创造良好的经济和环保社会效益，有很迫切的要求。

　　为此，大亚湾核电站投产之初就收集国内外的技术资料，跟踪国际核电运行技术最新动态，研究如何提高运营技术。90年代，国际核能界的运营技术水平大幅提高，机组的平均可用率从 1989年的62%提高到1999年的85.5%。根据美国核能研究所（NEI）提供的数据，美国核能界在没有新机组投产的条件下，近十年的核能发电量增长30%。同一时期内，每座核电站的非计划自动停堆中间值从1.2降至零，运行业绩令人瞩目。经归纳总结，国际核电站提高运行业绩主要在提高发电能力、缩短机组大修工期、减少非计划停机等三个重点领域，实施了一系列的新技术研究与应用，包括应用先进的堆芯燃料管理技术，实现长周期运行，提高机组电功率以增加发电能力；加强大修计划控制，开发大修新技术以缩短大修工期；应用以可靠性为中心的维修技术（RCM）和概率风险评价技术，以提高设备运行可靠性，降低机组运行风险，减少非计划停机等。

    大亚湾核电站积极借鉴国际核电站的技术经验，以达到国际一流核电机组运行水平为总体目标，有计划地研究和应用国际核电运营新技术。经过三年的研究和前期准备，在1996年正式启动"大亚湾核电站运营技术开发与实践"项目。

    2.1 技术研发总体思路

    大亚湾核电站从提高发电能力、缩短大修工期、减少非计划停机等三个技术领域着手，提高核电机组的运营技术水平。

    2.2 提高发电能力的技术开发与实践

    大亚湾核电站为900MW级核电机组经设计改进型机组，电功率已经在设计阶段作了提升。堆芯核燃料运行技术提升是大亚湾核电站商业运行后提高发电能力的主要途径。通过实施18个月换料长周期运行技术、延伸运行技术，解决投运初期存在的堆芯象限功率倾斜技术难题，增加机组能力因子2%-3%。

   （1）大亚湾核电站18个月换料长周期运行技术的研究与实施（实施高效低泄漏装料，提高燃料经济性，提高循环长度，提高电厂能力因子和经济性，延长反应堆压力容器寿命）
 
  　就安全性、重要性和占核电站总成本的角度看，核燃料都是核电站中最敏感、最核心和最重要的部分。燃料循环技术的水平直接关系到核电站的安全性和经济性。大亚湾核电站的原始核燃料在反应堆内的装载模式是比较落后的高泄漏（OUT-IN）模式，其主要缺点是燃料经济性较低，中子泄漏率高导致压力壳寿命降低（从而影响整个核电站的寿命）。18个月换料是世界上目前比较先进而复杂的换料技术。它是将原来落后的OUT-IN高泄漏短周期燃料循环模式改变为先进的IN-OUT低泄漏长周期循环模式，提高燃料经济性，大幅度提高机组能力因子和发电能力，减少乏燃料数量，使大亚湾核电站的燃料循环技术达到国际先进水平。法国EDF的少量 900MW机组和1300MW机组虽然也实施了18个月换料，但大亚湾核电站的18个月换料无论是在循环长度、堆芯参数、还是核燃料技术都领先于法国 EDF核电机组5年左右。18个月换料项目不但使大亚湾核电站的燃料运行技术达到世界先进水平，还推动国内先进压水堆核电站的自主设计能力的提高。此外，该项目还推动了新一代核燃料组件的国产化。18个月换料项目从可行性研究到新型燃料组件入堆，用了6年时间。项目实施后证明该项目的设计具有前瞻性和独特性，在满足电网的需要、适应电网的限制方面具有灵活性大的优势，总体技术水平和主要技术、经济指标，达到了国际先进水平，填补国内空白。有显著的经济效益和社会效益，所取得的经验使我国掌握了先进燃料管理技术并直接提高了百万千瓦级压水堆核电站核燃料设计能力。平均年经济效益增值约1.65亿元人民币。

   （2）核电站延伸运行技术的研究与实施（提高燃料经济性，增加额外发电效益，调节大修窗口）

　　延伸运行是指燃料循环结束时，通过特殊方式降低一回路冷却剂温度和降功率引入反应性，以保证反应堆继续满功率（或降功率）运行并加深燃耗的特殊运行模式。延伸运行是一项先进而复杂的运行技术。延伸运行主要目的是为了提高燃料使用的经济性，以及提高大修停机窗口安排的灵活性。
 
  　延伸运行是超出原堆芯设计循环长度的一种特殊运行方式，是大亚湾核电站原始设计不具备的运行方式。由于延伸运行超出了原始设计技术规范，需要进行相关的专门设计论证与安全分析；同时延伸运行需要降低一回路平均温度，将导致蒸汽发生器出口的蒸汽品质降低，湿度增大，因此需要专门论证延伸运行对常规岛所有的系统、设备安全运行的影响；另外在实施延伸运行时，堆芯平均温度的降低将引起反应性测量、控制、保护系统一系列参数及定值的改变。因此，延伸运行的论证过程比较复杂。延伸运行在实施过程中要不断调整多个反应堆系统的控制和保护定值，实施过程风险比较大。

  　大亚湾核电站研究制定了实施延伸运行的核心技术文件——质量安全计划，该计划从技术和实施过程上覆盖了堆芯控制、仪表控制和运行控制的全部内容，论证了由于延伸运行系统参数的变化而带来的安全裕量的改变及其措施。这份质量安全计划用于延伸运行的准备、执行，反应堆保护整定值的调整和延伸运行后的系统恢复，详细描述了延伸运行的操作步骤。2003年在大亚湾核电站1号机组第九次换料大修前成功应用，机组延伸运行9天，多发电0.3亿千瓦时，创造经济效益1740万元人民币，为今后30天的延伸运行积累了成功经验。

　　该项目属于国内首创，填补原始设计的空白和国内空白。

   （3）核电机组堆芯象限功率倾斜研究与抑制方法（研究并发现堆芯象限功率倾斜机理，找到有效的抑制措施，保证机组安全运行）

　　1995年大亚湾核电站在启动后曾经发生比较严重的堆芯象限功率倾斜问题,影响了机组的安全性和发电量（被迫在97%功率下运行一个月）。对于出现功率象限倾斜，以往的作法是采用重新安全评价，再重新进行安全执照申请，这是一种被动的处理方法。

  　1995-1996年期间，大亚湾核电站开始对堆芯功率象限倾斜进行机理分析研究。堆芯象限功率倾斜发生的原因很复杂，涉及反应堆工程堆物理试验、堆物理分析、核设计，同时涉及反应堆运行、反应堆热工水力及核燃料。应用微扰理论推导反应性平衡方程，引入燃耗系数、象限燃耗倾斜比及象限反应性扰动源等新的物理量或物理概念，奠定从反应性平衡入手研究堆芯象限功率倾斜的理论基础。利用所建立的理论和数值模型，分析研究大亚湾核电站和法国电力公司的实测数据，发现压水堆堆芯功率象限倾斜超限的根本原因。建立了分析研究堆芯象限功率倾斜的理论和数值模型，并找到了抑制堆芯功率象限倾斜的方法，处于国际领先水平。

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