向文元，呂永紅，路廣遙，張臣剛

（中科華核電技術(shù)研究院，深圳 518124）

隨著核電技術(shù)的不斷進(jìn)步及核電設(shè)備加工制造水平的不斷提高，新建核電廠的建設(shè)規(guī)模發(fā)電效率和安全性不斷提高，核電的競(jìng)爭(zhēng)力也不斷加強(qiáng)。但是核電廠的投資大、建設(shè)周期長(zhǎng)，特別是新建核電廠在選址時(shí)對(duì)環(huán)境條件有很嚴(yán)格要求，加上許多地區(qū)的公眾出于對(duì)核電安全的疑慮不支持在本地新辟核電廠，因此建設(shè)一個(gè)新的核電廠越來(lái)越困難，許多發(fā)達(dá)國(guó)家政府也因此不得不放棄新建核電廠的規(guī)劃。另一方面，早期建設(shè)的核電廠退役技術(shù)復(fù)雜、成本高、周期長(zhǎng)，還涉及到非常嚴(yán)峻的環(huán)保問(wèn)題，淘汰這些落后的核電廠很困難。不過(guò)受當(dāng)時(shí)的技術(shù)制約，早期核電廠在最初方案設(shè)計(jì)和建設(shè)中一般多留有很大的發(fā)電余地。隨著核電技術(shù)的進(jìn)步，核電安全技術(shù)有了比較大的提高，充分利用新技術(shù)對(duì)早期核電廠進(jìn)行改造，可以挖掘早期核電廠的潛力，提升這些核電廠的發(fā)電能力。老廠通過(guò)延壽服役和發(fā)電能力的提升，可以用較少的改造費(fèi)用得到更大的發(fā)電量，業(yè)主在改造中獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。因此通過(guò)技術(shù)改造提高已建核電廠特別是行將退役的核電廠的發(fā)電能力和延長(zhǎng)這些核電廠的壽命，不但是必要的而且是可行的。一些發(fā)達(dá)國(guó)家核電產(chǎn)業(yè)發(fā)展比較早，老核電廠較多，因此反應(yīng)堆功率的提升和延壽服役得到了國(guó)內(nèi)外研究者的很大關(guān)注。本文將介紹目前核電機(jī)組功率提升的幾種主要的方法，以及這些方法的應(yīng)用情況。

1 功率提升的方法

根據(jù)核電機(jī)組反應(yīng)堆功率提升幅度不同，功率提升采用的方法主要有MUR、SPU和EPU三種［1－2］（SPU和EPU也可以結(jié)合使用）。其中MUR技術(shù)比較簡(jiǎn)單、功率提升幅度小，比較適合于短期發(fā)展策略；SPU和EPU方法比較復(fù)雜，功率提升幅度較大，更適合中長(zhǎng)期發(fā)展策略。

1.1 MUR功率提升

MUR功率提升（Measurement Uncertainty Recapture）采用提高給水流量測(cè)量精度的方法提高堆芯熱功率的控制精度，達(dá)到提高堆芯額定熱功率的目的。在二回路熱平衡試驗(yàn)中，給水流量測(cè)定方法的不確定度會(huì)直接影響到熱平衡試驗(yàn)中堆芯熱功率計(jì)算的不確定度。例如采用孔板給水流量計(jì)，核電廠堆芯熱功率不確定度是±2%，為了確保反應(yīng)堆的運(yùn)行安全，堆芯熱功率的上限為102%PN。但是如果采用更加精確的給水流量測(cè)量裝置，就可以使堆芯熱功率不確定度達(dá)到0.4%左右，那么堆芯熱功率在101.6%PN運(yùn)行，即在堆芯熱功率上限仍然是102%PN前提下，把堆芯額定熱功率提高1.6%左右。

壓水堆核電廠采用MUR提升功率當(dāng)然必須先進(jìn)行安全分析，但不需要對(duì)電站主要設(shè)備進(jìn)行改造，也不需要改變?nèi)剂显O(shè)計(jì)，只要對(duì)電站運(yùn)行技術(shù)規(guī)范書進(jìn)行適當(dāng)修改，因此對(duì)反應(yīng)堆熱工水力影響非常小。改造后核電堆運(yùn)行時(shí)偏離泡核沸騰比（DNBR）將略微有下降，但仍在設(shè)計(jì)要求的范圍之內(nèi)。另外，改造后一回路的平均溫度和壓力會(huì)有輕微的變化，給水流量將有所增加，因此需要對(duì)給水流量調(diào)節(jié)閥的流量調(diào)節(jié)能力進(jìn)行分析，確定是否需要更換給水調(diào)節(jié)閥或更換部件。

1.2 SPU功率提升

SPU功率提升（Stretch Power Uprate）的出發(fā)點(diǎn)是通過(guò)挖掘機(jī)組原設(shè)計(jì)多余的保守裕度提升功率。改造采用確定論的安全分析方法，對(duì)核電廠在特定運(yùn)行工況下的響應(yīng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果改造部分非重要設(shè)備，修改相關(guān)系統(tǒng)儀表設(shè)備原設(shè)計(jì)的整定值。核電廠采用SPU功率提升，還可以利用概率安全分析（PSA）對(duì)核電廠的安全和功率的提升進(jìn)行補(bǔ)充分析。

采用SPU可以提高功率2%～7%，由于功率提升的幅度較大，電站的常規(guī)系統(tǒng)例如汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)和變壓器可能需要改造，并且需要重新對(duì)系統(tǒng)的安全進(jìn)行全面分析，運(yùn)行技術(shù)規(guī)范需要修改的內(nèi)容也較多。

壓水堆核電廠采用SPU提升功率，涉及到核電廠反應(yīng)堆和電站的系統(tǒng)改造，包括反應(yīng)堆材料的選擇、機(jī)械、土建、電氣設(shè)備、儀表控制、安全殼的設(shè)計(jì)，還有輻射源和輻射后果的分析、功率升高過(guò)程和功率升高的風(fēng)險(xiǎn)分析等。不過(guò)功率一回路的參數(shù)雖然會(huì)有一定的變化，但一般不涉及到核電廠重大設(shè)備的改造，燃料不需要重新設(shè)計(jì)。

1.3 EPU功率提升

EPU功率提升（Extended Power Uprate）通過(guò)更換重大設(shè)備或采用關(guān)鍵技術(shù)和新技術(shù)對(duì)部分重大設(shè)備（如蒸汽發(fā)生器和上充泵水力部件等）進(jìn)行改造，挖掘原設(shè)計(jì)不必要的保守裕度，達(dá)到最大限度提高機(jī)組裝機(jī)容量的目的，機(jī)組功率可以提高7%～20%。

由于采用該方法一般需要更改燃料設(shè)計(jì)、并需要更換或改造蒸汽發(fā)生器、化容控制系統(tǒng)上充泵水力部件、汽輪機(jī)、凝汽器、汽水分離再熱器、主變壓器、主發(fā)電機(jī)及給水調(diào)節(jié)閥等，涉及的改造范圍較為廣泛，因此需要重新全面進(jìn)行安全分析，分析評(píng)價(jià)涉及的內(nèi)容與SPU基本相同，但由于功率提升的幅度更大，評(píng)價(jià)的內(nèi)容更多更深入，而且涉及的運(yùn)行技術(shù)規(guī)范修改的內(nèi)容也更多。

1.4 功率提升與延壽結(jié)合

核電廠的設(shè)計(jì)壽命通常為40年，目前有許多核電廠獲準(zhǔn)將壽期延長(zhǎng)至60年。為了把核電堆延長(zhǎng)到60年壽命，就必須對(duì)核電站進(jìn)行全面的安全和經(jīng)濟(jì)評(píng)估并進(jìn)行相關(guān)的技術(shù)改造。在改造延壽的同時(shí)，把核電廠重大設(shè)備改造與利用EPU方法提升功率結(jié)合起來(lái)，通過(guò)對(duì)主設(shè)備進(jìn)行翻新改造，可以提高核電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性，從而提升核電競(jìng)爭(zhēng)力［3］。Framatome的副總裁Tom Weir提出，核電廠提高功率的成本介于750～900美元／k W，如果功率提升的投資成本可以增加20年以上的使用壽命，在經(jīng)濟(jì)上就會(huì)對(duì)業(yè)主有很大吸引力［1］。

2 核電廠功率提升技術(shù)的應(yīng)用

國(guó)外已經(jīng)對(duì)提升核電廠反應(yīng)堆功率開展過(guò)大量的研究，并積累了相當(dāng)?shù)膽?yīng)用經(jīng)驗(yàn)，許多國(guó)家核電廠都已進(jìn)行了不同幅度的功率提升。從1977年以來(lái)，美國(guó)已經(jīng)批準(zhǔn)113臺(tái)在役核電機(jī)組進(jìn)行功率提升，總裝機(jī)容量增加4900 MW，目前還有11臺(tái)機(jī)組的功率提升申請(qǐng)正在審批中，預(yù)計(jì)裝機(jī)容量還可以增加1030 MW。

圖1表示1993—2006年期間，美國(guó)核電廠沸水堆和壓水堆功率提升的發(fā)展情況［4］，可以看到兩種反應(yīng)堆的功率提升量逐年增加。核電廠進(jìn)行功率提升，反應(yīng)堆的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用雖然有所增加，但還是可以帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益，設(shè)備改造的投資成本回收周期短。美國(guó)經(jīng)驗(yàn)表明，目前核電廠功率提升所需要的改造成本應(yīng)當(dāng)?shù)陀?000美元／k W，隨著功率提升技術(shù)的進(jìn)步和推廣有可能降低到500美元／k W［5］，而且今后還會(huì)進(jìn)一步降低。

圖1 美國(guó)核電功率提升歷史

隨著功率提升技術(shù)的日益成熟，越來(lái)越多的國(guó)家和地區(qū)開始進(jìn)行核電廠的功率提升。例如法國(guó)在2003年有4臺(tái)N4機(jī)組進(jìn)行了功率提升，功率從1455 MW提高到1500 MW；到2008年10月，法國(guó)電力公司成功把5個(gè)900 MW級(jí)核電機(jī)組的功率提升了3%，并計(jì)劃從2015年開始，把20個(gè)1300 MW的核電機(jī)組的功率提升7%。在德國(guó)，已經(jīng)有9個(gè)核電機(jī)組進(jìn)行了功率提升。在韓國(guó)，在2005年采用SPU方法完成了Kori核電廠3號(hào)機(jī)和4號(hào)機(jī)的功率提升，裝機(jī)容量增加693 MW。比利時(shí)從1994年到2002年，利用功率提升技術(shù)把核電裝機(jī)容量增加了219 MW。西班牙從1999年開始采用的方法是MUR和SPU對(duì)5個(gè)壓水堆核電機(jī)組的功率進(jìn)行提升。2009年9月，加拿大有2個(gè)核電機(jī)組完成了功率提升，提升幅度都在25 MW以上。

我國(guó)臺(tái)灣臺(tái)電公司自2003年即開始推動(dòng)核電廠功率提升研究，并于2005年與臺(tái)灣核能研究所簽訂“核二廠小幅度功率提升技術(shù)服務(wù)”計(jì)劃，委托核研所針對(duì)臺(tái)灣核二廠的兩臺(tái)機(jī)組進(jìn)行為期三年的MUR小幅度功率提升相關(guān)技術(shù)服務(wù)，將核電廠堆芯功率由原先的2894 MW提升至2943 MW，提升幅度為1.7%。臺(tái)灣核二廠于1974年開始興建，一、二號(hào)機(jī)分別于1981年12月及1983年3月商業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)，目前可考慮將核電廠延壽與功率提升結(jié)合實(shí)施。

3 我國(guó)核電機(jī)組的功率提升

目前，我國(guó)在運(yùn)和在建的核電機(jī)組共有27個(gè)左右，預(yù)計(jì)到2020年增加到約37個(gè)。隨著我國(guó)核電工業(yè)的發(fā)展投入的核電廠不斷增加，提高已建機(jī)組的發(fā)電能力和延長(zhǎng)機(jī)組的運(yùn)行壽命，將逐漸成為我國(guó)核電產(chǎn)業(yè)的重要工作。20世紀(jì)90年代，我國(guó)大陸的核電廠引進(jìn)國(guó)外原型堆進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案的反應(yīng)堆熱功率已經(jīng)比原設(shè)計(jì)略有增加。例如大亞灣的原型堆M310堆芯的原設(shè)計(jì)功率為2775 MW，在建設(shè)方案的設(shè)計(jì)中已把功率提高到了2905 MW，提高幅度達(dá)到了4.7%。大亞灣、嶺澳核電廠和國(guó)內(nèi)其他一些核電廠目前已經(jīng)積累了許多核電運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，核電廠的軟硬件技術(shù)及配套也得到長(zhǎng)足進(jìn)步，核電廠運(yùn)行、維修制度的建設(shè)也日臻完善，核電安全提高，設(shè)備故障率減少，為進(jìn)一步采用功率提升方法提高經(jīng)濟(jì)效益打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

表1是大亞灣、嶺澳核電廠功率水平和熱工裕量與國(guó)外機(jī)組的比較，可以看出大亞灣、嶺澳核電廠的功率水平較同類CPY機(jī)組已有提高，但與Ringhals3和Tihange2等一些機(jī)組相比仍有不小差距。目前大亞灣和嶺澳核電廠經(jīng)過(guò)18個(gè)月?lián)Q料和1／4換料項(xiàng)目，采用統(tǒng)計(jì)論進(jìn)行事故分析，核電廠一些安全指標(biāo)（如偏離泡核沸騰比DNBR）有所提高，核電功率也有可能進(jìn)一步提高。

表1 大亞灣、嶺澳核電廠熱工裕量與國(guó)際同類機(jī)組的比較

我國(guó)的核電廠大多在20世紀(jì)90年代之后建成投產(chǎn)，目前雖然尚未達(dá)到退役階段，但核電廠定期都要進(jìn)行安全審查，并要對(duì)核電廠系統(tǒng)或者老化設(shè)備進(jìn)行大修、改造，完全可以在進(jìn)行優(yōu)化改造或老化改造的同時(shí)，結(jié)合功率提升對(duì)核電廠非重要設(shè)備進(jìn)行更新、延壽。其中那些尚未達(dá)到服役期限或未出現(xiàn)缺陷的關(guān)鍵主設(shè)備，可采用MUR或SPU進(jìn)行中小幅度的功率提升；如表1所列大亞灣、嶺澳核電廠仍有余量可以挖掘，在保證安全的情況下，機(jī)組出力仍可以增加。今后一些核電廠進(jìn)入壽期末時(shí)，還可以考慮采用EPU對(duì)核電廠進(jìn)行功率提升，并同時(shí)進(jìn)行核電廠關(guān)鍵主設(shè)備的延壽工作。

我國(guó)的核電廠經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行研究積累了許多寶貴經(jīng)驗(yàn)，這些經(jīng)驗(yàn)將成為開展功率提升研究和實(shí)踐的基礎(chǔ)。建議我國(guó)核電廠結(jié)合國(guó)外成果，充分開展功率提升技術(shù)研究，提升核電競(jìng)爭(zhēng)力，滿足國(guó)內(nèi)電力需求。

4 結(jié)語(yǔ)

發(fā)展核電是我國(guó)能源戰(zhàn)略的重要組成部分，開展我國(guó)核電廠功率提升的相關(guān)研究，掌握功率提升方法，增加核電機(jī)組出力，并且可以為核電機(jī)組的設(shè)計(jì)優(yōu)化和核電技術(shù)自主創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)，從而充分發(fā)展核電優(yōu)勢(shì)，提高核電競(jìng)爭(zhēng)力，為群堆優(yōu)化打下基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)核電可持續(xù)發(fā)展。國(guó)外一些核電廠發(fā)電能力提升的成功經(jīng)驗(yàn)，為我國(guó)核電廠改造提供了很好的借鑒。例如，美國(guó)核動(dòng)力研究院（INPO）在總結(jié)了長(zhǎng)壽期和高出力堆芯運(yùn)行多年來(lái)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)后，提出了許多忠告和警告，并推薦了許多改進(jìn)建議。我國(guó)核電廠在進(jìn)行功率提升過(guò)程中，要充分借鑒國(guó)際成功經(jīng)驗(yàn)并吸取失敗教訓(xùn)，自主掌握核電廠功率提升技術(shù)，使我國(guó)從“核能國(guó)家”變成“核電技術(shù)大國(guó)”。

［1］ 郭志鋒.美國(guó)核電廠許用證展期與功率提升現(xiàn)狀［J］.國(guó)外核新聞，2005，（1）：19-20.

［2］ 郭志鋒，張永麗.美國(guó)核電廠的功率提升［J］.國(guó)外核新聞，2005，（7）12-17.

［3］ 戴忠華，劉 鵬，盧文躍，陳世均.大亞灣核電站的老化和壽命管理［J］.核動(dòng)力工程，2005，26（6）：87-89.

［4］ Glen Watford.Extended Power Uprates-Plant Modifications Assisting the Global Energy Demand［C］.World Nuclear Association Annual Symposium，2005.

［5］ 張 炎.核電廠功率提升—提高核電活力的同時(shí)加強(qiáng)推廣［J］.國(guó)外核新聞，2002（6）：17-19.