Анализ проектной документации блока ввэр-1000 и рбмк-1000 на аэс
Анализ технологической и электротехнической части проектной документации блока ВВЭР-1000 и РБМК-1000 в части применения частотно-регулируемого электропривода показал, что:
Частотно-регулируемый электропривод как оборудование или как часть АСУР ТП на действующих блоках ВВЭР-1000 и РБМК-1000 АЭС, а также в проектируемой документации до настоящего времени не применялся.
Комплексное внедрение частотно-регулируемого электропривода на АЭС в системах перекачки жидкостей, автоматического регулирования различными технологическими параметрами, системах вентиляции и кондиционирования воздуха позволит качественно повысить уровень работы систем автоматического регулирования и управления в целом, надежности работы оборудования; значительно уменьшить сроки выполнения пуско-наладочных работ, затраты на ремонт и техническое обслуживание оборудования; увеличить срок службы оборудования в 1.5…2 раза; уменьшить электропотребление на собственные нужды на 20 %, что составляет более 1% вырабатываемой блоком электроэнергии.
Укрупненное технико-экономическое обоснование комплексного внедрения чрп на аэс
На блоке с реактором ВВЭР-1000 АЭС установлено 1975 единиц различных трехфазных асинхронных электродвигателей, которые приводят в движение насосы, вентиляторы, компрессоры и другие исполнительные механизмы.
Суммарная установленная электрическая мощность всех электродвигателей равна 158147 кВт, что составляет 15,8 % от всей вырабатываемой блоком электроэнергии.
Если взять коэффициент использования данного оборудования равным 0,4, то потребляемая мощность будет равна 63259 кВт или 6,3 % от всей вырабатываемой блоком электроэнергии.
При внедрении частотно-регулируемого электропривода экономия электроэнергии будет составлять минимум 20 % от того потребления, которое было до внедрения ЧРП, что составляет 1,26 % от всей вырабатываемой блоком электроэнергии или 12652 кВт мощности.
Годовая экономия электроэнергии на одном блоке (КИУМ – 0,9; КПД ЧРП – 0,98) составит :
12652*24*365*0,9*0,98 = 97753400 кВт*час.
При стоимости электроэнергии, равной 0,9 руб. за 1кВт*час и с учетом коэффициента затрат на эксплуатацию и ремонт оборудования ЧРП равным 0,95 ежегодная суммарная экономия электроэнергии в стоимостном выражении составит: 97753400*0,9*0,95=83579157 руб.
Стоимость внедрения ЧРП на 1кВт мощности равна 9860 руб ($290).
Затраты на внедрение ЧРП на одном энергоблоке составят: 63259кВт*9860 руб.=623733740 руб.
Суммарные затраты с учетом изменения проектной документации составят 700 млн.руб.
Затраты на увеличение генерации 1кВт мощности за счет внедрения ЧРП составят:
700млн.руб/12652кВт = 55327руб на 1кВт ($1627).
При суммарных затратах на полное комплексное внедрение ЧРП для одного блока АЭС, равной 700 млн. руб., срок окупаемости внедрения будет равен около 8 лет только по одному критерию – энергоэффективности, а с учетом увеличения срока службы оборудования в 1,5…2 раза и уменьшения затрат на эксплуатацию, ремонт и техническое обслуживание оборудования, срок окупаемости от внедрения ЧРП может не превышать пяти лет.
При поэтапном внедрении ЧРП сроки окупаемости могут варьироваться от одного года до семи лет.
Суммарный объем инвестиций для реализации проекта внедрения ЧРП на 20 блоках составляет 14 млрд. руб ($411,765 млн).
Срок внедрения не более 5 лет с учетом проведения испытаний и изменения проектной документации на всех блоках.
НОВЫЙ ПОДХОД К СИСТЕМАМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГОЕМКИМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ОБОРУДОВАНИЕМ I, II и III КОНТУРОВ ЭНЕРГОБЛОКОВ АЭС С ВВЭР ПРИ РАБОТЕ РЕАКТОРНОЙ УСТАНОВКИ В РЕЖИМЕ СУТОЧНОГО МАНЕВРИРОВАНИЯ И СЛЕДОВАНИЯ ЗА НАГРУЗКОЙ (100-50-100)% от Nном НА БАЗЕ КОМПЛЕКСНОГО ПРИМЕНЕНИЯ МОЩНОГО ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
В соответствии с техническим заданием (ТЗ) проекта ВВЭР-ТОИ, в отличие от предыдущих проектов, появились новые требования по маневренным режимам – обеспечение возможности первичного и вторичного регулирования частоты сети, а также суточного регулирования мощности по графику (100-50-100)% от Nном .
Французская компания EDF исследованиями маневренных возможностей АЭС с реакторами PWR начала заниматься с 1971г. и в настоящее время является образцом проектных решений и обладателем большого накопленного опыта в этом направлении.
Все АЭС компании EDF эксплуатируются в маневренном режиме, включая:
– первичное регулирование частоты ±2% от Nном;
– вторичное регулирование частоты ±5% от Nном;
– суточное регулирование мощности (100-25-100)% от Nном;
– режим следования за нагрузкой;
– режим продолжительной работы на промежуточной и пониженной мощности.
В качестве примера изменения нагрузки и следования за ней мощности можно привести график работы АЭС «Каттенон» французской компании EDF (Рис.1).
Рис. 1 График работы энергоблока компании EDF при глубоком суточном изменении нагрузки
Тенденция ближайшего десятилетия для российской генерации, особенно это касается её европейской части, – невозможность поддержания АЭС в базовом режиме и, как следствие, эксплуатация их в режимах не полной мощности с большим разнообразием переходных и маневренных режимов, что предполагает другой подход к качеству систем регулирования мощностью реакторной установки (РУ) и энергоемким технологическим оборудованием энергоблока АЭС.
К энергоемкому технологическому оборудованию энергоблока АЭС можно отнести, прежде всего, мощные насосы с асинхронными электродвигателями по 7,5МВт каждый, такие как:
ГЦНА – главный циркуляционный насосный агрегат;
ПЭН – питательный электронасос;
КЭН – конденсатный электронасос;
ЦН – циркуляционный насос.
Всего, одновременно работающих насосов на номинальной мощности в базовом режиме около 10 шт., суммарная активная мощность которых равна 75,5МВт, что соответствует свыше 6% потребления электроэнергии на собственные нужды от общей генерации энергоблока АЭС с ВВЭР-ТОИ.
При работе энергоблока в режиме суточного маневрирования и следования за нагрузкой (100-50-100)% от Nном и соответствующем изменении мощности РУ работа этих насосов на номинальной мощности крайне неэффективна как с точки зрения потребления электроэнергии на собственные технологические нужды, так и с точки зрения качества систем регулирования и работы всего технологического оборудования I, II и III контура энергоблока.
При изменении мощности на АЭС с ВВЭР используются программы регулирования с постоянным, не зависящим от мощности реактора (Nр), расходом теплоносителя первого контура – GIк = const. Постоянный расход теплоносителя I-го контура, при изменении мощности РУ, приводит к существенному перераспределению температур в активной зоне реактора, вызывая дополнительные температурные напряжения в корпусе и других элементах конструкции реактора.
Постоянный расход теплоносителя I-го контура, при изменении мощности энергоблока, приводит к необходимости изменения средней температуры первого контура при поддержании постоянного давления в главном паровом коллекторе, что приводит к дополнительным температурным напряжениям в элементах основного оборудования реакторной установки и необходимости компенсации изменения реактивности активной зоны реактора. Использование программы поддержания постоянной средней температуры теплоносителя первого контура приводит к необходимости существенного изменения давления пара второго контура, что нежелательно как с точки зрения выбора уставок и алгоритма работы паросбросных устройств и аварийной защиты, так и для работы турбины, в особенности регулирующих клапанов на подводе пара в цилиндры высокого давления.
Работа энергоблока в переходных и маневренных режимах в сравнении с эксплуатацией в базовом режиме на постоянном (номинальном) уровне мощности создает дополнительные низко-цикловые термические нагрузки на оборудование, а также приведет к увеличению высоко-цикловых нагрузок, обусловленных повышенной вибрацией оборудования в нестационарных режимах эксплуатации, имеет место резонанс акустических колебаний теплоносителя в активной зоне реактора с собственными колебаниями ТВС
Регулирование расхода теплоносителя I-го контура за счет отключения/включения разного количества ГЦНА (четыре одновременно работающих ГЦНА) имеет деструктивный характер как с точки зрения управления электродвигателем ГЦНА (Iпуск>8,5·Iном, ограничение количества пусков - не более 1500 за весь срок службы), так и с точки зрения циклических изменений в параметрах I-го контура (изменение расхода теплоносителя порционально 25% от общего расхода 4-х ГЦНА).
Регулирование расхода воды во II-ом контуре энергоблока, подаваемой ПЭН и КЭН, в настоящее время осуществляется посредством изменения гидравлических характеристик напорных трубопроводов (использование регулирующих клапанов) или ступенчатым отключением насосов. Такой подход не является эффективным, поскольку приводит либо к неоправданным потерям потребляемой электроэнергии, либо к неустойчивому регулированию.
Регулирование расхода воды в III-ем контуре энергоблока ЦН в настоящее время осуществляется посредством изменения угла поворота лопаток насосных агрегатов. Такое решение технически сложное, снижает надежность работы насосов и требует продолжительного времени на ремонт в случае появления неисправностей.
Реализовать оптимальный режим работы энергоблока АЭС в переходных и маневренных режимах возможно с применением современных систем частотно-регулируемого электропривода (ЧРП) на насосах ГЦНА, ПЭН, КЭН и ЦН (Рис.2).
1 – активная зона
2 – датчик нейтронного потока
3 – органы регулирования реактора
4 – регулятор мощности реактора
5 – ГЦНА с ЧРП
6 – датчики температуры I-го контура
7 – парогенератор
8 – датчик давления II-го контура
9 – датчик уровня парогенератора
10 – датчик частоты вращения турбины
11 – датчик уровня деаэратора
12 – ПЭН с ЧРП
13 – деаэратор
14 – КЭН с ЧРП
15 – конденсатор
16 – датчики температуры ох/воды конденсаторов
17 – ЦН с ЧРП
18 – турбогенератор
19 – регулирующие клапаны турбины
20 – регулятор мощности турбины
Рис. 2 Схема автоматического регулирования энергоемким технологическим оборудованием в переходных и маневренных режимах на основе комплексного внедрения ЧРП
Внедрение ЧРП в этих системах открывает новые потенциальные возможности по увеличению уровня надежности, качества, оптимизации и эффективности регулирования мощностью РУ и работы энергоблока в манёвренных, динамических и переходных режимах, а также работы всего технологического оборудования.
Частотно-регулируемый электропривод может плавно и синхронно изменять производительность 4-х ГЦНА по заданному или изменяемому технологическому параметру или любой другой закономерности, сохраняя одинаковый поток теплоносителя во всех петлях РУ.
Перед включением технических решений по ГЦНА в рабочую документацию необходимо проведение комплекса НИОКР по обоснованию применения частотно-регулируемого электропривода на ГЦНА с проведением комплексных натурных испытаний на стендовом оборудовании по разработанной, согласованной и утвержденной программе и НИОКР по моделированию работы энергоблока в переходных и маневренных режимах с применением частотно-регулируемого электропривода на энергоемком технологическом оборудовании I, II и III контуров.
Снижение скорости вращения ротора электродвигателя насосов и вентиляторов на 10% даёт тридцатипроцентную экономию потребляемой электроэнергии:
Nпотр = Nном · (Gi /Gном)3
При работе ГЦНА с ЧРП в маневренном режиме (100-50-100)% от Nном при суточном изменении нагрузки в зависимости участка этого режима экономия потребляемой электроэнергии может достигать в среднем до 50% от номинальной потребляемой мощности (Рис.3).
Рис. 3 График работы 4-х ГЦНА с ЧРП и без ЧРП
Сроки окупаемости оборудования, в зависимости от режима работы энергоблока, могут составить от 2 до 5 лет эксплуатации.
Частотно-регулируемый электропривод является многофункциональным электротехническим оборудованием и при комплексном внедрении в энергоблоке может одновременно выполнять функции:
автоматического регулятора технологическими параметрами при базовых и маневренных режимах энергоблока;
энергосбережения;
увеличения ресурса и надежности работы технологического оборудования;
диагностики, контроля и полной электронной защиты электродвигателя насосного агрегата;
дополнительной автономной системы безопасности при длительном обесточивании энергоблока;
увеличения номинальной мощности генерации при пиках нагрузки.
В настоящее время в России появились разработчики и производители мощного высоковольтного частотно-регулируемого электропривода (ВЧРП - до 10МВт, 10кВ) на базе силовых модулей с использованием IGBT транзисторов и средней наработкой на отказ до 100000 часов, которые соответствуют уровню ведущих мировых производителей и требованиям, предъявленным к оборудованию, применяемому на объектах атомной энергетики. Наиболее перспективной схемой построения ВЧРП является схема многоуровневого инвертора напряжения питанием от многообмоточного трансформатора.