ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ЗАЩИТЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ
4.1 ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К СИСТЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ И ЗАЩИТЫ
Системой управления и защиты (СУЗ) ядерного реактора называется многофункциональная подсистема АСУ ТП блока, предназначенная для контроля мощности реактора, управления и быстрого гашения цепной реакции во всех режимах работы, а также поддержания реактора в подкритическом состоянии. Пуск и работа реактора без системы СУЗ запрещаются.
Основным требованием, предъявляемым к СУЗ, является обеспечение безопасности работы АЭС (см. § 1.1). Для обеспечения этого требования все устройства СУЗ должны обладать высокой надежностью, например для наиболее ответственных устройств вероятность отказа за кампанию (7000 ч) не должна превышать 0,0002. Кроме того, СУЗ должна обладать высокой живучестью, т. е. обеспечивать выполнение наиболее ответственных функций (гашение цепной реакции) даже при наиболее тяжелых авариях на блоке (полное обесточивание станции, пожары в помещении БЩУ~ и на кабельных трассах). Важным требованием является обеспечение защиты «в глубину», при котором последствия отказов одной подсистемы СУЗ воспринимаются и ликвидируются другой независимой подсистемой. Например, устройство подсистем дистанционного управления и автоматического регулирования исключает возможность ввода в реактор большой положительной реактивности. Однако, если в результате наложения ряда маловероятных событий реактивность будет введена, это воспринимается подсистемой защиты, которая вводит отрицательную реактивность.
По мере роста удельного веса АЭС в производстве электроэнергии все большее значение приобретает экономичность работы реактора. Это требует от СУЗ высокой статической и динамической точности ведения процессов, сокращения времени проведения таких операций, как перегрузки, пуски и остановы блока. Другим примером стремления к повышению экономичности АЭС является изменение подхода к аварийной защите. В первых системах гашение цепной реакции производилось при многочисленных, иногда и не слишком опасных нарушениях в технологическом процессе, что вызывало частые остановы блоков и большие экономические потери. В настоящее время вместо полного останова по многим из этих сигналов производится некоторое снижение мощности (см. гл. 7), а многие из таких сигналов вообще не приводят к срабатыванию защит.
Как и все устройства АСУ ТП, СУЗ должны обладать высокими эксплуатационными характеристиками, т. е. быть простыми и безопасными в обслуживании, быстро ремонтироваться и допускать замену отказавших устройств, в том числе и при работе реактора на мощности. Учитывая возрастающую сложность управления блоком, к современным СУЗ предъявляются и эргономические требования. Информация, передаваемая оператору устройствами СУЗ, должна быть наглядной и легко воспринимаемой. Органы, с помощью которых оператор управляет реактором, должны располагаться на пультах и щитах так, чтобы обеспечить максимальное удобство управления и уменьшить вероятность неправильных действий. Все устройства, размещаемые на пультах и щитах, должны быть по возможности компактными.
Система электропитания СУЗ должна обеспечивать электроснабжение не только в нормальных, но и в аварийных режимах, например при полном обесточивании блока, а также при авариях в самой системе питания.
4.2 ФУНКЦИИ И ПОДСИСТЕМЫ СУЗ
Системы управления и защиты ядерных энергетических реакторов выполняют следующие функции:
- измерение и контроль среднего нейтронного потока в реакторе;
- измерение и контроль периода, времени удвоения мощности и реактивности;
- измерение и контроль распределения нейтронного потока по реактору;
- дистанционное управление органами СУЗ;
- контроль положения органов СУЗ;
- автоматическое регулирование средней мощности реактора,
- регулирование распределения мощности реактора;
- автоматический вывод реактора из подкритического состояния;
- компенсацию изменений реактивности,
- автоматическое гашение цепной реакции в аварийных ситуациях;
- автоматическое снижение и ограничение мощности реактора при неисправностях технологического оборудования;
- вычисление тепловой мощности реактора;
- технологическую, предупредительную и аварийную сигнализацию;
- обмен информацией с другими подсистемами АСУ ТП;
- контроль исправности устройств СУЗ, сигнализацию неисправности и автоматическое включение резерва.
Существующие энергетические ядерные реакторы отличаются друг от друга по своей технологии, но даже для реакторов одного типа объем функций, выполняемых с помощью СУЗ, меняется. Часть перечисленных функций может быть передана другим П0дсистема1м АСУ (например, УВС). Объем выполняемых функций зависит также от режима, в котором работает реактор. Ниже мы рассмотрим особенности выполнения перечисленных функций для различных реакторов в зависимости от их режима.
Измерение и контроль среднего нейтронного потока в реакторе является одной из важнейших функций. Она осуществляется во всех реакторах, во всех режимах работы как при критическом состоянии реактора, так и в подкритическом, вплоть до минимально контролируемого уровня нейтронного потока, достаточного для контроля с помощью аппаратуры СУЗ. При работе реактора нейтронный поток в первом приближении пропорционален тепловой мощности и является основным сигналом при управлении реактором. При малых уровнях потока (менее 1% номинального значения) тепловая мощность определяется в основном остаточным тепловыделением (см. § 3.4) и не пропорциональна потоку. Однако контроль потока производится и в этих режимах для того, чтобы контролировать критичность реактора и не допустить незапланированного разгона реактора. Как указывалось в § 3 2, плотность нейтронного потока в подкритическом реакторе не всегда характеризует уровень подкритичности и более представительным является контроль значения периода, времени удвоения мощности (которые приближенно определяют реактивность, см. § 3.3) или самой реактивности, вычисляемой на основании измерения значения нейтронного потока специальными приборами— реактиметрами. Эти параметры контролируются также и при больших мощностях установки, однако скорости изменения мощности в нормальных режимах настолько малы, что период (реактивность) может достичь заметных значений только в аварийных ситуациях.
Для обеспечения необходимой надежности и безопасности реактор должен быть оснащен каналами контроля таким образом, чтобы в процессе пуска реактора и на любом уровне мощности, начиная с минимально контролируемого уровня (МКУ), контроль осуществлялся не менее чем тремя независимыми каналами измерения уровня мощности (регистрирующими нейтроны) с показывающими приборами и тремя независимыми каналами измерения скорости изменения мощности (или изменения реактивности) с показывающими приборами.
Измерение и контроль распределения нейтронного потока необходимы в связи с тем, что в современных больших энергетических реакторах возможны перекосы нейтронного поля,,в результате чего в некоторых местах тепловыделение достигает недопустимой величины, хотя общая мощность не превышает номинального значения. Очевидно, что эта функция должна осуществляться только на больших уровнях, так как при малых мощностях (менее 1—10%) превышение местного потока над средним в несколько раз не может привести к перегреву твэлов. Часто эта функция выполняется специальной системой внутриреакторного контроля ВРК, не входящей в состав СУЗ. В современных АСУ ТП выполнение этой функции реализуется с использованием ЭВМ.
Дистанционное управление органами СУЗ обеспечивает воздействие операторов на мощность реактора. Помимо передачи управляющих воздействий эта функция подразумевает выполнение ряда автоматических блокировок, благодаря чему исключается одновременный подъем большого числа органов, подъем их с недопустимой скоростью и т. д. Эта функция должна выполняться во всех режимах работы реактора. Осуществляемое в реакторах ВВЭР управление изменением концентрации бора в теплоносителе производится системами, не входящими в состав СУЗ.
Контроль положения органов СУЗ необходим как при ручном управлении, так и при автоматическом. В последнем случае положение органов СУЗ является одним из параметров, с помощью которых оператор контролирует работу автоматических систем. В реакторах типа ВВЭР и БН в режимах перегрузки положение органов СУЗ не контролируется (они находятся в крайних нижних положениях), при
этом принимаются специальные меры, исключающие возможность их перемещения.
Автоматическое регулирование мощности реактора осуществляется на всех современных энергетических реакторах. Это регулирование производится в широком диапазоне, начиная от 0,1% (в реакторе типа БН) до 100—120% номинальной мощности. На малых мощностях (до 10%) в качестве регулируемого параметра используется нейтронный поток. На больших мощностях в зависимости от типа реактора применяется регулирование по нейтронному потоку, по тепловым параметрам или комбинированные схемы.
В современных больших реакторах (типа РБМК, ВВЭР-1000) необходимо кроме средней мощности регулировать распределение мощности по реактору. Это осуществляется либо специальными регуляторами, входящими в СУЗ, либо путем совместной работы СУЗ и УВК.
В некоторых реакторах СУЗ выполняет также функцию автоматического вывода реактора из подкритического состояния. При этом регулирующие органы управляются таким образом, чтобы обеспечить выход на заданный уровень мощности (обычно около 1%) с постоянным периодом (30—40 с). Однако опыт эксплуатации АЭС показал, что эту редко выполняемую операцию целесообразно выполнять вручную и системы автоматического пуска не получили широкого распространения.
В процессе работы реактора происходит постоянное изменение реактивности, вызванное , выгоранием топлива, изменением температур и другими причинами. Эти изменения должны компенсироваться перемещением органов СУЗ или изменением концентрации бора в теплоносителе (в реакторах ВВЭР). Управление органами осуществляется автоматическими регуляторами СУЗ, оператором или по сигналам УВК.
Важнейшую роль в обеспечении безопасности реактора играет автоматическое гашение цепной реакции, а также автоматическое снижение и ограничение мощности реактора при неисправностях технологического оборудования. На малых мощностях основными импульсами для остановки реактора являются отклонения потока и периода, на больших мощностях к ним добавляются сигналы теплотехнических параметров, а также сигналы отказа технологических агрегатов. Современные СУЗ останавливают реактор только при наиболее тяжелых авариях, а в остальных случаях производится снижение мощности.
В некоторых системах для лучшего осуществления функции ограничения мощности СУЗ производит приближенное вычисление тепловой мощности реактора. Точное вычисление обычно осуществляется с помощью УВК (см. гл. 12).
Для обеспечения правильного ведения технологического процесса операторами СУЗ должна выдавать < необходимый объем технологической, предупредительной и аварийной сигнализации. С помощью этой функции оператор узнает о нарушениях в технологическом процессе (отклонения температур и других параметров), определяет причину срабатывания защит.
Для координации работы СУЗ с другими подсистемами АСУ ТП необходимо производить обмен информацией между ними. Так, СУЗ передает в УВК значения параметров, необходимых для контроля и управления блоком в целом: нейтронного потока, положения органов СУЗ и др. С другой стороны, СУЗ получает информацию от УВК и системы регулирования блока, аварийные сигналы об остановке ГЦН, турбин и других агрегатов.
Рис 4 1 Типовая структура СУЗ
В целях повышения надежности осуществляется контроль исправности устройств СУЗ. Такой контроль может проводиться оператором периодически. Более совершенным является непрерывный автоматический контроль исправности устройств. В последнем случае при выявлении неисправности осуществляется автоматическое включение резервных устройств или сигнализация неисправности операторам
При проектировании, изготовлении и эксплуатации устройств СУЗ их обычно объединяют в ряд подсистем. Типовая структура СУЗ и взаимодействие ее подсистем представлены на рис. 4. 1.
Подсистема контроля нейтронного потока 7, включающая датчики, усилители, соединительные кабели, осуществляет измерение плотности потока, периода, времени удвоения и реактивности и посылает эти данные в другие подсистемы, а также представляет их оператору. Подсистема управления исполнительными органами 2 включает в себя исполнительные двигатели 3, устройства силового управления электроприводами 4 и устройства формирования сигналов положения регулирующих органов 5. Команды на управление органами вырабатываются в заданной последовательности подсистемой логического управления 6. Подсистема автоматического регулирования 7, получая сигналы нейтронного потока и других регулируемых параметров, осуществляет управление исполнительными органами путем воздействия на (подсистему 6. Подсистема аварийной защиты, разгрузки и ограничения мощности 8 на основании сигналов по потоку и технологических сигналов определяет наступление аварийной ситуации и осуществляет воздействие на исполнительные органы При этом устройства аварийной защиты 9 воздействуют либо непосредственно на устройства силового управления 4, либо на подсистему логического управления 6. Устройства разгрузки и ограничения мощности 10 воздействуют на подсистему автоматического регулирования 7 или на подсистему логического управления 6. Ручное управление мощностью осуществляется через подсистему 6.
Электрооборудование системы СУЗ размещается в помещении щита СУЗ, в оперативном помещении БЩУ, в помещении РЩУ. В помещении щита СУЗ располагается аппаратура дистанционного управления органами регулирования, автоматического регулирования мощности реактора и аварийной защиты. В оперативном помещении БЩУ располагаются устройства индикации положения органов регулирования, а также аппаратура управления приводами, управления аварийной защитой, управления регулятором мощности, индикации перемещения ОР. В помещении РЩУ располагаются кнопки быстродействующей аварийной защиты.
