3. Автоматизация атомных энергетических установок (аэу)

Атомные (ядерные) энергетические установки являются самым сложным видом судовой энергетики. Область применения в морской технике – главные энергетические установки ледоколов, подводных лодок и крупных надводных боевых кораблей – обусловлена характерными особенностями ЯЭУ: большая агрегатная мощность, длительный период работы без перезагрузки топлива, возможность работы без взаимодействия с атмосферой.

Рис. 3.1 Функциональная схема основных контуров судовой ЯЭУ

1 - реактор;	7 – гребной винт;
2 - парогенератор	8 – главный конденсатор
3 - циркуляционный насос первого контура (ЦНПК);	9 – главный циркуляционный насос (ГЦН);
4 - приводы системы управления и защиты (СУЗ);	10 – конденсатный насос;
5, 6 – паровая турбина и редуктор;	11 – главный питательный насос (ГПН)..

На рисунке 3.1 приведена функциональная схема первого и второго контуров, которые служат для преобразования энергии ядерного топлива в тепловую энергию теплоносителя первого контура, передачи её теплоносителю второго контура и преобразования её в механическую энергию вращения гребного вала с винтом. Кроме этого, установка имеет замкнутый третий контур, обеспечивающий охлаждение оборудования первого и второго контуров, и разомкнутый четвёртый контур, отводящий тепло от третьего контура в окружающую среду.

Судовые атомные (ядерные) энергетические установки оборудуют:

• системами автоматического управления, обеспечивающими их пуск и остановку;

• средствами автоматического регулирования мощности реак­тора и частоты вращения ротора турбины;

• системами регулирования теплообмена (температуры, расхо­да) теплоносителя в первом контуре, уровня и давления сре­ды в парогенераторе;

• системами автоматического регулирования уровней, темпера­тур и давлений рабочих жидкостей в различных блоках АЭУ;

• устройствами автоматического контроля, сигнализации и за­щиты по установленным эксплуатационными требованиями па­раметрам.

Регулирование мощности реактора

Рис. 3.2. Структурная схема регулятора мощности реактора

В реакторах АЭУ происхо­дит цепная реакция деления ядер некоторых тяжелых элементов (изотопов урана, плутония или тория), и преобразование кинетической энергии выделяющихся нейтронов в тепловую. Мощность (тепловую энергию) в реакторе изменяют, воздействуя на поток нейтронов. Для этого в активную зону реактора вводят специальные стержни из бористой стали, кадмия, гафния и других металлов, способных погло­щать нейтроны. Чем глубже входят в активную зону реактора стер­жни управления, тем они больше поглощают нейтронов и тем меньше мощность реактора.

Стержни управления в верхней части (над реактором) механи­чески связаны со специальным плунжером из магнитного материала. Плунжер вмонтирован в подвижную катушку индуктивности (кольцевой электромагнит). Когда через обмотку катушки проходит ток, плунжер занимает в ее магнитном поле центральное положе­ние, и при подъеме или опускании катушки повторяет ее движения. Перемещение катушки (электромагнита), а вместе с ним и стержней управления обеспечивают с определенной скоростью специальные электрические, пневматические и гидравлические двигатели.

Датчик потока нейтронов (ДН), смонтированный в активной зоне реактора (Р), в зависимости от мощности реактора подает соответствующий сигнал в электронный блок сравнения (БС), где он сравнивается с сигналом заданной мощ­ности, и при их рассогласовании через усилитель (У) подается команда на исполнительный двигатель (ИД), который и обеспечивает перемещение стрежней управления (СУ).

В процессе пуска реактора автоматические средства обеспечи­вают его разгон с периодом удвоения мощности за 25÷30 с. В случае более быстрого разгона реактора на блок сравнения (БС) подается сигнал, и средства блокировки замедляют движение стержней.

Стержни автоматического управления обеспечивают поддержание заданного уровня нейтронной мощности реактора в процессе оперативного управления. Кроме того, имеются ещё два органа управления, воздействующие на нейтронную мощность с замедленной и ускоренной скоростями: компенсирующая решётка и стержни аварийной защиты.

Назначение компенсирующей решётки (КР) – компенсация постепенного выгорания ядерного топлива в течение всей кампании эксплуатации активной зоны (при регламентном режиме эксплуатации судна с ЯЭУ период между перезагрузками тепловыделяющих элементов со свежим топливом составляет примерно 4 ÷ 6 лет).

В начале кампании КР максимально погружена в активную зону и за счёт поглощения нейтронов подавляет избыточную реактивность. По мере выгорания топлива КР с помощью системы дистанционного управления и шагового электродвигателя постепенно извлекается из активной зоны.

Стержни АЗ, напротив, предназначены для экстренной остановки реактора при возникновении опасной ситуации. В этом случае сигналы приходят на электромагнитные захваты, удерживающие стержни АЗ, они размыкаются и стержни падают в активную зону, поглощая нейтроны и останавливая цепную реакцию.

Регулирование агрегатов первого конту­ра АЭУ

Одновременно с изменением мощности реактора проис­ходит регулирование и теплообмена (температуры и расхода теп­лоносителя) в первичном контуре. При компоновке схем теплообмена в первичном контуре обычно предусматривается из­менение расхода теплоносителя при постоянной температуре на входе, либо изменение температуры при постоянном расходе, либо изменение и температуры и расхода.

Агрегаты первич­ного и вторичного контуров обладают различной тепловой инерцией, поэтому средства регулирова­ния АЭУ представляют собой две взаимосвязанные автоматические сис­темы (рис.3.3).

Рис. 3.3. Общая схема системы автоматического регулирования АЭУ

В первый контур АЭУ включе­ны: реактор (Р), паро­генератор (ПГ), цир­куляционный насос (ЦН), а также датчик потока нейтронов (ДН) в реакторе, реле температуры (РТ) на выходе из реактора, реле давления (РД) в парогенераторе и регулятор расхода (РР) тепло­носителя.

Данные отдатчиков ДН, РТ и РД поступают в блок сравнения (БС), который сравнивает полученные сигналы с за­данным значением и в случае их рассогласования выдает коман­ду регулятору мощности (РМ) на изменение положения стерж­ней управления (СУ). Расход теплоносителя в первичном контуре регулируется регулятором РР.

С возрастанием скорости разгона реактора, уровня мощнос­ти, температуры активной зоны и теплоносителя выше допусти­мых значений; понижении давления в контуре; выходе из строя циркуляционных насосов; повышении уровня излучения сраба­тывает аварийная защита, и стержни управления входят в актив­ную зону реактора, уменьшая поток нейтронов до установленно­го минимума. При этом включаются звуковые и световые сигналы тревоги.

Регулирование агрегатов второго конту­ра АЭУ

Основными агрегатами второго контура являются: паровая турбина (Т), электрогенератор (ЭГ), конденсатор (К) и питательный насос (ПН).

Пар из парогенератора поступает в турбину, а из нее в конденсатор, где он превращается в воду, которая перекачивается питательным насосом (ПН) в парогенератор (ПГ). Уровень воды в парогенераторе поддерживается в заданных пре­делах регулятором (РУ).

При пуске и остановке турбины средства автоматизации с по­мощью специальных блокировочных устройств обеспечивают требуемую последовательность их выполнения.

Пуск главного турбозубчатого агрегата (ГТЗА), изменение режима его работы во всех диапазонах нагрузок от максимального переднего хода до полного заднего хода, а также остановка агрегата осуществляется с МПУ или дистанционно с ДПУ при помощи задатчика частоты враще­ния. Реверс обеспечивается отдельной турбиной заднего хода. На судах отечественной постройки применяются, как пра­вило, электрогидравлические системы автоматического управления, ре­гулирования и защиты ГТЗ.

Во второй контур АЭУ включены: регулятор скорости ро­тора турбины (РС); регуляторы уровня (РУ) в парогенераторе, главном конденсаторе и в деаэраторе; регуляторы давления (РД) в парогенераторе, в паровых магистралях, а также автоматичес­кие средства контроля, сигнализации и защиты.

Система регулирования скорости включает регулятор частоты вращения ротора (РС) и датчики давления пара. Система может осуществлять количественное, качествен­ное или смешанное регулирование. Количество пара изменяется путем открытия или закрытия части направляющих сопел. Каче­ство пара изменяют дросселированием потока в одном или не­скольких клапанах. Комбинируя то и другое, обеспечивают сме­шанное регулирование скорости.

В качестве измерительного элемента у регулятора скорости чаще всего используют импеллер (своеобразный центробежный насос), напор которого пропорционален квадрату частоты враще­ния. С изменением частоты вращения, а следовательно, и напо­ра, масло под определенным давлением воздействует на золотник, а последний, перепуская масло в соответствующую полость гид­роцилиндра, передвигает силовой поршень, шток которого свя­зан с быстрозапорным стопорным клапаном (БЗК).

Регуляторы давления пара и уровня воды в парогенераторе по принципу действия сходны с аналогичными устройствами, применяемыми в системах регулирования паровых котлов

Уровни воды в конденсаторе, деаэраторе и других цистернах поддерживаются в установленных пределах мембранными датчиками. С повышением уровня мемб­раны, прогибаясь, через шток и систему рычагов прикрывают регулирующие клапаны на соответствующие магистрали и, наоборот, при понижении уровня увеличивают проходное сечение клапанов.

Агрегаты второго контура снабжены также средствами автоматической сигнализации и защиты.

Система защиты осуществляет остановку турбогенератора при:

• увеличении скорости ротора выше допустимых пределов:

• сдвиге ротора в осевом направлении (обычно в сторону генератора):

• падении давления масла в системе:

• повышении температуры под­шипников выше установленных значений.

Защитные блоки ГТЗА мгновенно закрывают БЗК и обратные клапаны отбора мощности при:

- превышении номинальной частоты вращения роторов ТВД и ТНД на 13%;

- снижении давле­ния в масляной системе до 0,75 МПа;

- падении вакуума в глав­ном конденсаторе до 60 кПа;

- сдвиге роторов ТВД или ТНД более чем на 1 мм.

Автомат безопасности, прерывающий подачу пара в турбину при повышении скорости ротора, по принципу работы аналоги­чен инерционному выключателю дизеля. Боёк, смон­тированный в расточке ротора, при максимальной скорости сбра­сывает защелку, что приводит к быстрому закрытию стопорного клапана и прекращению подачи пара в турбину.

При аварийном сдвиге вала золотник, связанный с гребнем ротора, смещается в соответствующую сторону и через масляный выключатель (гидроцилиндр с силовым поршнем), воздействуя на БЗК, перекрывает главный паропровод.

Аналогично действует и вакуум-реле. С падением вакуума в конденсаторе до предельного значения мембрана реле, прогиба­ясь в соответствующую сторону, через шток и масляный выклю­чатель закрывает стопорный клапан.

Безопасность эксплуатации судовой ЯЭУ обеспечивается с помощью конструктивных барьеров, препятствующих распространению радиации при аварийных повреждениях оборудования, развитой системы централизованного контроля (более 1000 датчиков), высокой степени автоматизации и применения информационных диагностических технологий, снижающих вероятность ошибочных действий персонала, управляющего ЯЭУ.

Рис. 3.4. Пост энергетики и живучести (ПЭЖ) АПЛ

86