Хотя в настоящее время во всем мире эксплуатируется всего несколько энергетических реакторов на быстрых нейтронах и выработка электроэнергии на них составляет небольшую долю от производства электроэнергии на АЭС, перспективность этих реакторов делает необходимым описать особенности их систем регулирования Так как во всех построенных или строящихся энергетических реакторах на быстрых нейтронах теплоносителем служит жидкий натрий, мы рассмотрим системы управления реакторов только этого типа.
Технологические схемы энергетических реакторов на быстрых нейтронах показаны на рис. 9 11 и 9.12 Все реакторы, охлаждаемые натрием, имеют трехконтурную схему первый и второй контуры — натрий, третий — вода (пар). Это делается во избежание контакта воды с радиоактивным натрием первого контура при появлении течей в парогенераторах. Схема установки БН-350 показана на рис 9.11 Натрий первого контура прокачивается ГЦН1 через реактор Р, нагревается и поступает в про межуточный теплообменник ПТ Через ПТ с помощью ГЦН2 прокачивается натрий второго контура, поступающий затем в парогенератор На установке БН 350 имеется барабанный парогенератор с естественной циркуляцией. Вода из барабана Б проходит через испаритель Я, где частично испаряется Пар, поступающий из барабана, перегревается в пароперегревателе ПП и направляется в машинный зал. Натрий движется противотоком, сначала попадая в пароперегреватель, а затем в испаритель. Подача питательной воды осуществляется в барабан Всего на установке имеется шесть петель, каждая из которых имеет ГЦН1, ГЦН2, ПТ и парогенератор.
Рис 9.11 Схема регулирования энергоблока с реактором БН-350
Схема установки БН-600, имеющей прямоточный парогенератор, показана на рис 9.12. Основное отличие от рис. 9 11 заключается в схеме парогенератора. Поток горячего натрия второго контура разделяется одна часть поступает в основной пароперегреватель ПП, а вторая — в промежуточный ППП. Затем оба потока объединяются и поступают в испаритель И. Вода питательными насосами ПН подается в испаритель Я, где образуется слабо перегретый пар, который перегревается в пароперегревателе ПП и направляется в ЦВД турбины. Пройдя ЦВД, пар возвращается в парогенератор (ППП) и, нагреваясь до температуры, близкой к температуре свежего пара, направляется в ЦНД. Всего на установке имеется три петли, каждая из которых имеет ГЦН1, ГЦН2, ПТ, парогенератор и турбину с относящимся к ней оборудованием. Важной особенностью установки является баковая компоновка первого контура, при которой реактор, ПТ и ГЦН1 заключены в одном корпусе Это повышает безопасность, так как при течах трубопроводов первого контура потерь теплоносителя не происходит Программы изменения параметров. Выбор программы различается для установок с переменным и постоянным расходом теплоносителя. На установке БН-350 расход теплоносителя не регулируется. Поэтому подогрев теплоносителя в реакторе пропорционален мощности (см § 9.1). По условиям работы парогенератора давление в нем выбрано постоянным (5 МПа).
Рис 9 12 Схема регулирования энергоблока с реактором БН-600
Рис 9 13 Программу регулирования энергоблоков с реакторами на быстрых нейтронах. а - БН-350, б - БН-600
Температура теплоносителя второго контура на выходе из парогенератора (на входе в ПТ) слабо растет с ростом мощности из-за увеличения температурного напора (рис 9 13,а). Температура на входе в реактор t1Вх также несколько увеличивается Заданная температура вх. однозначно определяет для каждой мощности температуру на выходе реактора по уравнению (9 1) Температуры теплоносителя на входе в парогенератор t2 вых и перегретого пара tne растут с ростом мощности, несколько отставая от Вых. Снижение температуры пара при уменьшении мощности допустимо для турбин и для установки опреснения морской воды, которая также потребляет пар, вырабатываемый парогенераторами.
На реакторе БН-600 применена схема с регулируемыми (в диапазоне 25—100%) расходами теплоносителя I и II контуров Регулирование расхода позволяет иметь постоянный перепад температуры теплоносителя как по первому контуру, так и по второму в широком диапазоне мощностей (см § 9 1). Кроме того, наличие прямоточного парогенератора позволяет, как указывалось выше, в некоторых пределах изменять температуру теплоносителя на выходе из парогенератора. Таким образом, можно выбрать две температуры, которые будут постоянными во всем диапазоне регулирования расходов. В этой установке по технологическим соображениям принято, что постоянными должны быть температура свежего пара и температура теплоносителя на выходе из парогенератора При этом температура теплоносителя на входе в парогенератор должна слабо расти с ростом мощности (для увеличения температурного напора); также растут температуры теплоносителя первого контура на входе и выходе реактора вх, вых (рис 9 13,б), Расходы теплоносителя первого и второго контуров практически пропорциональны мощности В диапазоне нерегулируемых расходов теплоносителя (ниже 25% Whom) расход теплоносителя постоянен и перепад температур I и II контуров меняется пропорционально мощности При выбранных программах изменения температуры и расхода теплоносителя в парогенераторе характеристики его поверхностей теплообмена обеспечивают постоянство температуры не только свежего пара, но и пара промежуточного перегрева.
Можно указать на ряд специфических ядерно-физических и технико-экономических особенностей реакторов на быстрых нейтронах, которые накладывают существенный отпечаток на требования, предъявляемые к их системам управления: 1) малый объем и высокая теплонапряженность активной зоны; 2) большой подогрев теплоносителя в активной зоне; 3) наличие про межуточного контура теплоносителя (трехконтурная схема), 4) высокие параметры генерируемого пара; 5) большие коэффициенты теплоотдачи теплоносителя, способствующие возникновению тепловых ударов при изменении температуры конструкций в переходных режимах, 6) опасность реакции натрия с водой при разрыве трубок парогенератора, 7) опасность охлаждения теплоносителя ниже допустимого предела из-за возможности выпадения окислов натрия.
Система регулирования установки БН-350, осуществляющая программу, изображенную на рис 9 13,а, показана на рис 9. 11. На этом рисунке не показана система регулирования турбины, так как пар, получаемый в парогенераторах, распределяется между потребителями автономной системой регулирования машзала. Давление в парогенераторе поддерживается регулятором «до себя» 7, действующим на дроссельный клапан Таким образом, ядерная паропроизводительная установка практически полностью защищена от внешних возмущений Регулирование мощности реактора осуществляется каскадной схемой, состоящей из регулятора плотности нейтронов 4, получающего сигнал от ионизационной камеры 1, и перемещающего регулирующей стержень 2, и регулятора температуры 5, работающего по сигналам от термометров и воздействующего на задатчик 3 регулятора 4. Задание регулятору 5 устанавливается вручную оператором с помощью задатчика 6, который определяет мощность реактора. Остальные температуры не регулируются и устанавливаются в соответствии со статической характеристикой теплообменников. Питание парогенераторов регулируется трехимпульсным регулятором уровня 8. Эксплуатация реактора показала его хорошее саморегулирование и высокую стабильность. Поэтому оказалась возможной длительная работа только с регулятором 4 без использования коррекции по температуре от регулятора 5.
Особенностью реакторов на быстрых нейтронах является система электрообогрева контуров, предназначенная для поддержания натрий в расплавленном состоянии при кратковременных остановах реактора и для расплавления натрия после длительных остановов Управление электрообогревом осуществляется специальной системой, измеряющей несколько тысяч значений температур в различных точках контуров и включающей нагревателе в случае, если температура в какой-нибудь точке оказывается ниже заданной Особенно сложным является управление нагревателями при разогреве застывшего натрия, так как при неправильной последовательности расплавления возможны местные повышения давления из-за расширения натрия и вызванные этим разрывы трубопроводов.
Схема регулирования установки БН-600, работающей по программе рис 913,6, изображена на рис. 9.12. Регулирование мощности реактора осуществляется объединенным регулятором 3, получающим импульс по температуре теплоносителя и воздействующим на регулирующие стержни 2. Для улучшения динамики переходных процессов в регулятор 3 через дифференциатор 10 вводятся исчезающие сигналы по плотности нейтронного потока от ионизационной камеры 1 и от расходомера 5, измеряющего расход теплоносителя через реактор (см § 6. 3).
Регулирование расхода теплоносителя производится путем изменения частоты вращения асинхронных двигателей с фазным ротором (см § 9. 3). Воздействие на ток ротора осуществляется специальными регуляторами, входящими в систему управления ГЦН (СУ ГЦН). Расход первого контура поддерживается регуляторами 11, установленными на каждой петле. Так как по условиям баковой компоновки расход первого контура в каждой петле измерить невозможно (измеряется только общий расход через реактор), имеется система вычисления расхода СВР 8, получающая сигналы по частоте вращения ГЦН1 всех петель, положению обратных клапанов петель и общему расходу и вычисляющая (с точностью около 3%) расходы по каждой петле. Сигнал вычисленного расхода от СВР 8 подается в регулятор 11, где сравнивается с сигналом заданного расхода от задатчика мощности блока 12. При несоответствии заданного и действительного расходов регулятор 11 меняет частоту вращения насоса с постоянным ускорением [0,8 10~2 об/с2] до тех пор, пока расход, вычисляемый СВР 8, не сравняется с заданным. Одновременно с задатчика 12 вводится импульс на регулятор 3, благодаря чему заданное значение температуры натрия на выходе из реактора меняется с ростом мощности в соответствии с программой рис 9 13,б.
В диапазоне 0—25% NНОм мощность изменяется путем воздействия на задатчик 4, благодаря чему меняется выходная температура при неизменном расходе по контурам.
Расход во втором контуре в каждой петле поддерживается регулятором 14, также входящим в СУ ГЦН. Он получает импульсы по непосредственно измеряемому расходу второго контура и по температуре теплоносителя второго контура на выходу из теплообменника ПТ. Соотношение коэффициентов усиления по этим ка налам обеспечивает требуемый закон изменения температуры в зависимости от мощности. Для уменьшения времени переходного процесса и динамических отклонений при изменении мощности блока на регулятор 14 через динамическую связь
- поступает опережающий сигнал по расходу первого контура петли Кроме того, на регулятор 14 поступает сигнал от корректирующего регулятора температуры свежего пара 16 на выходе из основного пароперегревателя ПП данной петли. При отклонении температуры пара регулятор
- изменяет расход и температуру теплоносителя, поступающего в парогенератор, и приводит перегрев пара к заданному значению. Существует возможность изменять температуру пара воздействием на задатчик 4 регулятора 3, однако при многопетлевой схеме установки предпочтительнее изменение расхода, так как это дает возможность независимого регулирования температуры пара в различных петлях. Последнее особенно важно из-за возможной неравномерности тепловых режимов петель, например при отключении секций парогенераторов. При необходимости одновременной коррекции температуры пара всех петель это может быть сделано вручную задатчиком 4. Температура пара промежуточного перегрева не регулируется, а поддерживается близкой к температуре свежего пара соответствующим выбором статических характеристик парогенератора.
Питательный клапан парогенератора управляется стабилизирующим регулятором расхода 7, задание которому изменяет корректирующий регулятор 9, поддерживающий постоянную температуру теплоносителя на выходе из парогенератора Так как основным возмущением этой АСР является изменение расхода натрия, для улучшения динамики в регулятор 7 подается импульс по расходу во втором контуре. При этом расход питательной воды поддерживается пропорциональным расходу натрия, а регулятор 9 служит для коррекции возникающих отклонений. Давление воды перед питательным клапаном регулируется с помощью гидромуфт питательных насосов (на рисунке не показаны, см. § 9 3). Регулирование давления пара в каждой петле осуществляется воздействием регуляторов 6 на РЧВ турбины 17.
Для осуществления статического регулирования частоты главный регулятор мощности 13 получает импульс по частоте сети и перемещает задатчик тепловой мощности 12. Для перехода в базисный режим достаточно отключить регулятор 13 от задатчика 12, в этом случае мощность блока меняется вручную.
Ввиду высокой интенсивности протекания процессов от системы регулирования требуется точное поддержание параметров не только в нормальных, но и в аварийных режимах. При аварийном отключении петли кроме экстренного снижения мощности реактора регулятором 3 (см. § 6 3) необходимо уменьшить частоту вращения оставшихся в работе ГЦН1> так как при работе двух насосов на прежних оборотах расход в петлях первого контура увеличивается, что недопустимо. Снижение оборотов производится по сигналу СВР 5, которая вычисляет новый увеличенный расход и дает команду регулятору 11 на снижение частоты вращения, пока расход не станет равным прежнему (до отключения петли). Для ускорения процесса снижения частоты вращения специальная логическая система увеличивает ускорение с 0,8 10-2 до 16 10-2 об/с2.
В каждой петле имеется три питательных насоса, из которых два работают, а один находится в резерве. При аварийном отключении питательного насоса должен включаться резервный, однако возможны отказы во включении резерва, при этом расход воды снизится до 60% номинального Для сохранения нормального температурного режима парогенератора необходимо снизить расход натрия в данной петле Это также выполняется СУ ГЦН, которая по сигналу о невключении насоса понижает расходы до допустимого уровня (60% Gnom) с повышенной скоростью Если в момент отключения питательного насоса расход в петле был меньше 60%, аварийного снижения не происходит.
При аварийном отключении регенеративных ПВД происходит резкое падение температуры питательной воды, поступающей в парогенератор, что может привести к недопустимому снижению температуры натрия. Для предотвращения этого по сигналу отключения ПВД автоматически производится уменьшение коэффициента усиления в канале передачи сигнала по расходу второго контура на регулятор 7 делителем 18, благодаря чему расход воды уменьшается еще до начала снижения температуры натрия и температура натрия практически не изменяется.
Кроме описанных основных контуров система включает ряд регуляторов, стабилизирующих параметры агрегатов питательного тракта и различных вспомогательных технологических систем. Всего на блоке установлено более 100 автоматических регуляторов.
Как и на установке БН-350, на реакторе БН-600 имеется система управления электрообогревом, осуществляющая двухпозиционное регулирование нескольких тысяч нагревателей.
