4.1.5. Регулирование блоков аэс с реакторами на быстрых нейтронах

4.2.1. Регулирование блоков АЭС с реакторами ВВЭР

При разработке САР энергоблока прежде всего должна быть выбрана статическая программа регулирования, представляющая собой зависимость основных параметров установки (расходов теплоносителей первого и второго контуров, давления и температуры) от ее мощности на установившихся режимах. Выбор той или иной программы регулирования влияет на характеристики основного оборудования и представляет собой сложную технико-экономическую задачу.

Программа регулирования рассчитывается по основным балансовым соотношениям. Если пренебречь потерями теплоты в окружающую среду и принять теплоемкость теплоносителя и коэффициент теплопередачи в парогенераторе независимыми от температуры и нагрузки, то для тепловой мощности  можно составить соотношения:

для первого контура

N _тепл = G₁c _p(t _вых - t _вх);                                          (1)

для парогенератора

N _тепл = KF(t _ср - t _s);                                               (2)

для второго контура

N _тепл = G _пh _п – G _п.вh _п.в.                                        (3)

Здесь G₁ – расход теплоносителя первого контура; с_р – его средняя теплоемкость; k и F – коэффициент теплопередачи и поверхность нагрева парогенератора; G_п и G _п.в – расходы пара и питательной воды во втором контуре; h_п и h_п.в – энтальпии пара и питательной воды во втором контуре; t_вх и t_вых – температуры теплоносителя первого контура на входе и выходе активной зоны реактора; t_s – температура насыщенного пара на выходе из парогенератора; t_ср = (t_вх +t_вых)/2 – средняя температура теплоносителя в первом контуре.

На АЭС с реакторами ВВЭР расход теплоносителя первого контураG_l постоянен (он может меняться только за счет числа включенных петель). Поэтому подогрев теплоносителя в активной зоне реактора t_вых– t_вх  пропорционален тепловой мощности.

В парогенераторе при k = const и F = const передаваемая мощность N_тепл однозначно определяется температурным напором, т.е. разностью между средней температурой теплоносителя первого контураt_ср и температурой насыщенного пара во втором контуре t_s.

Основными программами регулирования энергоблоков с реакторами ВВЭР являются (рис. 1-4):

§       программа с постоянной средней температурой t_сртеплоносителя первого контура;

§       программа с постоянным давлением p₀ (p₂) и следовательно, постоянной температурой насыщенного пара t_s во втором контуре;

§       компромиссная программа с умеренным изменением средней температуры теплоносителя в первом контуре и давления во втором;

§       комбинированная программа с поддержанием постоянного давления во втором контуре при малых нагрузках и постоянной средней температуры теплоносителя первого контура при больших нагрузках.

Программа регулирования с постоянной средней температурой теплоносителя

Программа t_cp = const в течение длительного времени рассматривалась как наилучшая для реакторов с водой под давлением (рис. 1). Первые блоки с такими реакторами спроектированы и введены в эксплуатацию именно с этой программой.

Программа t_сp = const наиболее благоприятна для первого контура. При значительном отрицательном температурном коэффициенте реактивности для изменения мощности реактора требуется внести наименьшую реактивность, так как перемещение регулирующих стержней реактора должно скомпенсировать только соответствующую долю мощностного эффекта. При работе по этой программе поддерживается постоянный объем теплоносителя в первом контуре и требуются минимальные размеры компенсатора объема (давления). Существенно облегчается и работа подсистемы регулирования компенсатора объема. Серьезным недостатком рассматриваемой программы является повышение давления во втором контуре при снижении мощности, что удорожает оборудование второго контура. Термический КПД цикла оказывается пониженным при всех нагрузках, так как при большой мощности давление пара, поступающего в турбину, ниже допускаемого по условиям работы оборудования второго контура, а при малых нагрузках, когда давление пара велико, растет его дросселирование регулирующими клапанами турбины. Указанный недостаток этой программы привел к тому, что в настоящее время она не применяется и уступила место более совершенным программам.

Программа регулирования с постоянным давлением рабочего тела в парогенераторе

Программа регулирования p₂ = const, принятая для реакторовВВЭР-440 и ВВЭР-1000, повышает КПД цикла на номинальном режиме при одинаковой стоимости оборудования второго контура. Эта программа наиболее благоприятна для оборудования второго контура, так как давление, а, следовательно, и температура во втором контуре постоянны и в оборудовании второго контура не возникают термические напряжения при изменении мощности (рис. 2). К недостаткам программы следует отнести то, что для предотвращения закипания теплоносителя в первом контуре в нем приходится существенно повысить давление, а также то, что из-за изменения реактивности увеличиваются размеры и усложняется работа системы компенсации объема (давления). При быстрых изменениях режима работы реактора могут также возникнуть нежелательные температурные напряжения в оборудовании первого контура.

Другие программы регулирования энергоблоков с реакторамиВВЭР

Стремление улучшить условия работы оборудования как первого, так и второго контуров привело к разработке компромиссной программы (рис.3 ), где оба основных параметра t_ср и p₂ не остаются постоянными, а непрерывно изменяются в зависимости от нагрузки, однако в меньшей степени, чем в программах t_ср = const и p₂ =const. В комбинированной программе предельные отклонения параметров примерно такие же, как и в компромиссной (рис. 4). Преимущество комбинированной программы заключается в том, что в наиболее вероятных режимах работы – при больших нагрузках – энергоблок работает по программе t_ср = const, чем облегчаются условия работы оборудования первого контура, а в остальном диапазоне нагрузок используется программа p₂=const.

Для реализации выбранной программы регулируется средняя температура теплоносителя первого контура (программа t_cp = const) или давление во втором контуре (программа p₂ = const) либо используется комбинация импульсов по t_ср и p₂ (компромиссные и комбинированные программы),

На рис. 5, 6 показаны схемы регулирования мощности энергоблоков, предназначенные для работы в регулирующем режиме по программам t_сp = const и p₂ = const. В обеих схемах мощностью реактора управляет каскадный регулятор 2, получающий импульс по плотности нейтронного потока от ионизационной камеры 1 и воздействующий на приводы регулирующих стержней 3. Уставка регулятору 2 формируется его задатчиком 4 по командам регуляторов средней температуры теплоносителя первого контура 8 или давления пара во втором контуре 5. При отклонении частоты сети от номинального значения регулятор частоты вращения турбины 12 перемещает ее регулирующие клапаны 13, изменяя электрическую мощность, вырабатываемую в соответствии с требованиями энергосистемы.

Рис. 6. Схема регулирования энергоблоков с ВВЭР по программе p2 = const 5 – регулятор давления пара во втором контуре; 6 – датчик давления; 7 – задатчик регулятора давления пара во втором контуре; остальные обозначения те же, что на рис. 5

Благодаря положительному самовыравниванию реактора ВВЭРрассматриваемые схемы работоспособны и при отключенном регулировании реактора. При снижении частоты в энергосистеме, когда она требует большую мощность, регулятор частоты вращения турбины приоткрывает регулирующие клапаны и увеличивает пропуск пара в турбину. Давление р₂, а значит, и температура насыщенного пара t_s во втором контуре снижаются, и в него из парогенератора отводится большее количество теплоты. Температура воды в первом контуре на выходе из парогенератора t_вх падает, следовательно, уменьшается и средняя температура t_ср теплоносителя (замедлителя) в реакторе. Из-за отрицательного температурного коэффициента теплоносителя реактивность реактора растет, в результате чего увеличивается его тепловая мощность N_тепл. Теплоноситель в активной зоне реактора нагревается сильнее, и уменьшение температуры воды на входе в реактор t_вх несколько компенсируется ростом ее на выходе, так что средняя температура теплоносителя t_cр снижается в меньшей степени. В результате мощность реактора увеличивается и без перемещения регулирующих стержней. Реактор обладает, следовательно, значительным положительным самовыравниванием.

Регулирование реактора позволяет, однако, существенно уменьшить статические и особенно динамические отклонения давлений и температур в обоих контурах энергоблока. При включенном регулировании реактора в схеме рис. 5 уменьшение средней температуры теплоносителя первого контура воспринимается регулятором температуры 8, меняющим задание регулятору нейтронной мощности реактора 2. Последний перемещением регулирующих стержней реактора увеличивает его мощность. Температура теплоносителя на выходе из активной зоны растет, и средняя температура в первом контуре восстанавливается на прежнем уровне. Возрастание температурного перепада между контурами в парогенераторе на установившемся режиме работы определяется снижением давления и тем самым температуры во втором контуре.

В схеме рис. 6 изменение давления пара во втором контуре воспринимается регулятором давления 5, который с помощью регулятора 2 увеличивает мощность реактора. При этом выходная, а следовательно, и средняя температуры теплоносителя первого контура возрастают, перепад температур между первым и вторым контурами в парогенераторе увеличивается. Это приводит к росту генерации пара в парогенераторе, и при наличии интегральной составляющей в законе регулирования регулятора давления 5 давление во втором контуре возвратится к первоначальному уровню при новом положении регулирующих клапанов турбины.

Изменение заданной температуры t_ср (или давления р₂) и мощности, отдаваемой блоком в энергосистему, осуществляется воздействием на задатчики 7 и 10 соответствующих регуляторов и на механизм управления турбиной 11.

В качестве примера схемы, реализующей компромиссную программу, рассмотрим схему рис. 7. В ней выполняется каскадное регулирование нейтронной мощности реактора, заданное значение которой определяется регулятором средней температуры теплоносителя первого контура 8. Но, в отличие от схемы рис. 5, задание средней температуры, устанавливаемое регулятору 8 задатчиком 10,меняется линейно в зависимости от нагрузки блока. В качестве сигнала, пропорционального мощности блока, использовано давление за регулирующей ступенью турбины. Для этой цели могут быть также применены сигналы по активной мощности турбогенератора или расходу пара на турбину.

Для демпфирования колебаний давления теплоносителя в первом контуре на регулятор мощности реактора с помощью дифференциатора16 подается дополнительный импульс по производной давления. Наличие регулятора мощности блока 14, получающего сигналы по мощности блока от задатчика 15 и от регулятора энергосистемы 17, дает возможность блоку участвовать в статическом или астатическом регулировании частоты.

Каскадная схема регулирования средней температуры теплоносителя в первом контуре, заданное значение которой формируется пропорционально-интегральным регулятором давления пара во втором контуре, показана рис. 8.

Рис. 8. Схема регулирования блока с реактором с водой под давлением, работающего по комбинированной программе. Обозначения как на рис. 5 – 7

Регулятор средней температуры 8 непосредственно воздействует на приводы 3 регулирующих стержней реактора, меняя его мощность таким образом, чтобы сохранялось постоянное давление во втором контуре. Однако сигнал от регулятора давления на задатчик 10 поступает через блок ограничения, пропускающий его только при малых значениях мощности. Начиная с некоторой нагрузки, регулятор 5 поддерживает среднюю температуру теплоносителя постоянной. Таким образом, реализуется комбинированная программа с p₂ = const при малых нагрузках и с t_сp = const  – при больших.

На рис. 9 показана многофункциональная система регулирования энергоблока ВВЭР-440 АЭС «Ловииса».

Рис. 9. Схема регулирования блока с реактором ВВЭР-440 АЭС"Ловииса": 1 – ионизационная камера; 2 –регулятор мощности реактора; 3 – приводы регулирующих стержней; 4 – регулятор мощности блока; 5 – регулятор энергосистемы; 6 – устройство ограничения мощности блока; 7 – электрогидравлическая система регулирования; 8 – регулирующие клапаны турбины; 9 – регулятор давления компенсатора объема; 10 – нагреватели; 11 – клапан впрыска; 12 – регулятор уровня компенсатора объема; 13 – сливной клапан; 14 – подпиточный насос; 15 – регулятор уровня парогенератора; 16 – регулирующий клапан питательной воды; 17 – регулятор максимального давления; 18 –БРУ-К

По условиям энергосистемы большую часть времени между перегрузками топлива энергоблок должен участвовать в регулировании графика нагрузки, изменяя свою мощность в диапазоне (0,5 – 1,0) P_э^номсо средней скоростью (1 – 2) % Р_э^ном /мин, а также в быстром регулировании системных параметров – частоты и перетоков активной мощности в диапазоне (0,8 – 1,0) P_э^ном допуская изменения мощности на ±0,05 Р_э ^ном с максимальной скоростью 0,2 Р_э ^ном в мин. Энергоблок может участвовать в первичном регулировании частоты сети со степенью неравномерности, изменяемой оперативно в диапазоне 2 – 10 %.

Для повышения надежности реактор и турбина имеют независимые регуляторы мощности. Для блока принята программа регулирования = const, осуществляемая регулятором мощности реактора 2, получающим сигналы по току ионизационных камер 1 и давлению пара во втором контуре и воздействующим на приводы 3 регулирующих стержней. При работе АЭС с постоянной мощностью реактора регулятор 2поддерживает заданную нейтронную мощность реактора по току ионизационных камер.

Мощность блока устанавливается регулятором 4, который получает задание от регулятора энергосистемы 5 и обеспечивает экономичное ее распределение между двумя турбинами блока с учетом относительных приростов расхода теплоты и имеющихся ограничений мощности блока и скорости ее изменения. Сигнал ограничения мощности блока вырабатывается устройством 6 в зависимости от состава оборудования, находящегося в работе (от числа турбин, питательных и главных циркуляционных насосов).

Непосредственно мощностью турбины на всех режимах работы управляет электрогидравлическая система регулирования.

Поддержание заданного давления теплоносителя в первом контуре осуществляется регулятором давления компенсатора объема 9, который воздействует на семь групп нагревателей 10, последовательно включающихся при падении давления ниже заданного и выключающихся при его увеличении. В диапазоне давлений выше определенного значения регулятор последовательно открывает (закрывает) четыре пары клапанов впрыска 11.

Уровень в компенсаторе объема поддерживается регулятором 12,задание которому зависит от средней температуры теплоносителя в первом контуре и вычисляется в специальном устройстве, не показанном на схеме. При превышении допустимого уровня открывается сливной клапан 13, а при понижении включается подпиточный насос 14.

Уровень в парогенераторе поддерживается трехимпульсным регулятором 15, получающим сигналы по уровню в парогенераторе, расходам пара и воды и управляющим регулирующим клапаном 16 на подводе питательной воды.

При аварийном повышении давления пара во втором контуре, например при отключении генератора от сети или закрытии стопорных клапанов турбины, регулятор максимального давления 17 управляет сбросом пара в конденсатор. Клапан быстродействующей редукционной установки для сброса пара помимо турбины в конденсатор (БРУ-К) 18начинает открываться при повышении давления до 4,8 МПа (нормальное давление 4,5 МПа); открытие его пропорционально отклонению давления. Клапан полностью открывается при давлении 5,2 МПа, время полного открытия 3,5 с.

Во всех рассмотренных схемах автоматического регулированияАЭС мощность блока менялась с помощью регулирования турбины с последующим приведением мощности ЯППУ в соответствие с потребностями турбины в паре. Некоторые современные схемы управления АЭС предусматривают общеблочное регулирование с параллельным изменением мощности турбогенератора и ЯППУ по отклонению частоты в энергосистеме или по заданной мощности.

4.2.2. Особенности регулирования энергоблоков с реакторамиРБМК

Упрощенная принципиальная схема регулирования энергоблока с реактором РБМК для работы в базисном режиме показана на рис. 10. Как уже говорилось, контроль энерговыделения базируется на измерениях плотности нейтронного потока или интенсивности γ-излучения.

Рис. 10. Схема регулирования энергоблока с реактором РБМК: 1 – ионизационная камера; 2 – регулятор средней мощности реактора; 3 – регулирующие стержни; 4 – задатчик регулятора средней мощности реактора; 5 – регулятор давления в барабане-сепараторе; 6 – регулятор частоты вращения турбины; 7 – МУТ: 8 – регулятор уровня в барабане-сепараторе

Средняя мощность реактора поддерживается регулятором 2,работающим от ионизационных камер 1 и воздействующим на приводы соответствующей группы регулирующих стержней 3. Кроме них, функционально выделены группы стержней, обеспечивающие регулирование объемного энерговыделения и компенсацию эффектов выгорания, отравления и т. п. На уровне мощности (0,0025– 0,06) Р_э^номработает один регулятор средней мощности. В диапазоне (0,06–1,0)Р_э^ном используются два регулятора, из которых один находится в работе, а другой – в резерве. Резервный регулятор автоматически включается в работу при отключении работавшего из-за неисправности. Предусмотрен непрерывный автоматический контроль исправности измерительных и исполнительных каналов. В случае обнаружения неисправности соответствующий канал отключается. Регулятор в целом сохраняет работоспособность при выходе из строя любого одного из четырех измерительных или исполнительных каналов.

Изменение средней мощности реактора достигается воздействием на задатчик 4 регулятора 2.

Одним из основных регулируемых параметров энергоблока с реактором кипящего типа является давление пара в паровом контуре, поддерживаемое регулятором давления 5, получающим импульс по давлению в барабане-сепараторе и воздействующим через механизм управления турбиной 7 регулятора частоты вращения турбины 6 на ее регулирующие клапаны.

Уровень воды в сепараторах регулируется трехимпульсным регулятором уровня 8 с сигналами по уровню и расходам пара и питательной воды. Для обеспечения минимальной разности уровней воды в соседних барабанах-сепараторах их водяные и паровые объемы соединяются несколькими перемычками.

В реакторе РБМК невозможен непосредственный контроль ряда параметров, в том числе связанных с обеспечением безопасности работы АЭС, например энерговыделения и запаса до кризиса теплосъема в топливных кассетах, температуры графитовой кладки в каждой ячейке реактора и т. п. Эти параметры контролируются косвенно на основе оперативных расчетов, проводимых ЭВМ системы централизованного контроля "Скала", использующей в свою очередь результаты более сложных расчетов, периодически проводимых на внешней ЭВМ.

4.2.3. Регулирование блоков АЭС с реакторами на быстрых нейтронах

Регулирование АЭС с реакторами на быстрых нейтронах рассмотрим (рис. 11) на примере установки БН-600 (третий блок Белоярской АЭС).

Программа регулирования блока показана на рис. 12. В диапазоне малых нагрузок (до 0,25 Р_э ^ном) расходы теплоносителя в первом и втором контурах постоянны и, следовательно, разности температур теплоносителя пропорциональны мощности. При больших мощностях расходы теплоносителя в обоих контурах регулируются пропорционально мощности. При выбранных зависимостях расходов и температур от мощности обеспечивается постоянство температуры как свежего пара, так и промежуточного перегрева, причем последняя не регулируется.

Регулятор мощности реактора 3 (рис. 11) получает импульс по температуре теплоноcителя на выходе из реактора, а также через дифференциатор 10 сигналы по току ионизационной камеры 1 и по расходу теплоносителя через реактор.

Рис. 11. Схема регулирования блока с реактором на быстрых нейтронах: 1 – ионизационная камера; 2 – регулирующий стержень; 3 –регулятор мощности реактора; 4 – задатчик регулятора мощности реактора; 5 – регулятор давления пара "до себя"; 6 – МУТ; 7 – регулятор частоты вращения турбины; S – регулятор расхода теплоносителя третьего контура; 9 –корректирующий регулятор температуры теплоносителя второго контура; 10 – дифференциатор; 11 – регулятор расхода теплоносителя первого контура; 12 –общий задатчик регулятора мощности реактора и регулятора расхода теплоносителя первого контура; 13 – регулятор мощности блока; 14 – регулятор расхода теплоносителя второго контура; 15 – динамическая связь; 16 – корректирующий регулятор температуры перегретого пара

Расход теплоносителя первого контура регулируется по каждой петле в отдельности регуляторами расхода 11, задание которым устанавливается либо общим задатчиком 12, либо регулятором мощности блока 13, получающим сигналы по отклонениям частоты и мощности. При изменении мощности блока задатчик 12, воздействуя на регулятор 3, меняет заданное ему значение выходной температуры теплоносителя первого контура.

Регуляторы расхода теплоносителя второго контура 14 получают импульсы по расходу и температуре теплоносителя второго контура на выходе из теплообменника. Для улучшения динамики регулирования на регулятор 14 также поступают опережающий сигнал по расходу первого контура через динамическую связь 15 и сигнал от корректирующего регулятора 16 температуры перегретого пара.

Рис. 12. Программа регулирования блока с реактором на быстрых нейтронах БН-600

Подача питательной воды в парогенератор управляется регулятором расхода 8, задание которому изменяется корректирующим регулятором 9, поддерживающим постоянной температуру теплоносителя на выходе из парогенератора. Регулирование давления пара перед турбиной осуществляет регулятор давления «до себя» 5, воздействующий через механизм управления турбиной 6 на ее регулирующие клапаны.