Эксплуатационные режимы водо-водяных энергетических реакторов - Ограничения допустимой мощности реактора, связанные со схемой электроснабжения ГЦН

Главные циркуляционные насосы (ГЦН) обеспечивают отвод тепла из активной зоны реактора. Отключение по тем или иным причинам одного или нескольких ГЦН создает аварийную ситуацию, связанную с ухудшением теплоотвода и возможностью повреждения тепловыделяющих элементов. Очевидно, что при аварийном отключении главных циркуляционных насосов необходимо быстрое уменьшение тепловой мощности реактора. Однако, как показано в гл. 6, скорость аварийного снижения мощности реактора ограничена, поэтому при расчете допустимой мощности реактора вводится необходимый запас. Этот запас определяется условиями отсутствия кризисных явлений в любой ТВС при реальной скорости снижения расхода теплоносителя в результате отключения ГЦН и реальной скорости аварийного снижения мощности.
В практике эксплуатации ядерных энергетических реакторов, в частности ВВЭР, в качестве ГЦН нашли применение насосы с электрическим приводом. Они подразделяются на бессальниковые малоинерционные насосы с встроенным электродвигателем, применяемые на ВВЭР первого и второго поколений, в частности на I — IV блоках НВАЭС, и насосы с уплотнением вала, вынесенным электродвигателем и маховыми массами, применяемые на ВВЭР-1000 и унифицированных ВВЭР-440.
Бессальниковые электронасосы, не имеющие маховых масс, при потере электропитания полностью теряют производительность за 2 — 3 с. Поэтому необходимо принимать специальные меры по обеспечению надежного электроснабжения насосов при всех условиях, в том числе и при авариях в энергосистеме.
Надежное электропитание малоинерционных насосов осуществляется подключением их к нескольким независимым источникам. К числу таких источников относятся: а) основные турбогенераторы АЭС, к которым ГЦН подключаются через понижающие трансформаторы — трансформаторы собственного расхода (TCP); б) генераторы собственного расхода (ГСР), находящиеся на одном валу с основными генераторами; в) резервные трансформаторы, подключенные к внешним электрическим линиям, которые на АЭС, как правило, являются линиями отвода вырабатываемой электрической энергии.
Электропитание ГЦН может пропасть при повреждении источников питания, при коротких замыканиях и других повреждениях в линиях электропередачи. В проекте обычно предусматривают возможность разового повреждения не более одного независимого источника питания.
Наиболее вероятно повреждение в разветвленных линиях электропередачи, поэтому использование резервных трансформаторов предусматривается только при недостатке других независимых источников питания (ревизия, плановый ремонт и т. п.). Резервные трансформаторы считаются независимыми источниками питания, если они получают электропитание от несвязанных электрических цепей и не имеют внутренних электрических соединений. Основное назначение резервных трансформаторов — прием нагрузки ГЦН при повреждениях или отказе других независимых источников питания, в частности ГСР. Перевод электропитания ГЦН на резервные трансформаторы осуществляется схемой автоматического подключения резервного питания (АВР), которая срабатывает по сигналу исчезновения напряжения или снижения производительности ГЦН.
Основные генераторы АЭС связаны с внешней электрической сетью через генераторные выключатели. При коротком замыкании в системе и неуспешном отключении генераторы могут оказаться замкнутыми накоротко и отключиться внутренней защитой. При этом насосы, подключенные к отпайкам основных генераторов, работают в режиме собственного выбега (т. е. быстро тормозятся). Поскольку генераторные выключатели не обладают 100%-ной надежностью, основные генераторы и резервные трансформаторы являются фактически частично зависящими источниками питания.

Рис. 5.20. Принципиальная схема электропитания ГЦН ВВЭР-440 III блока НВАЭС: 1  —  ГЦН; 2  —  переключатели; 3  —  генераторы собственного расхода; 4  —  генераторные выключатели; 5 — линия отвода вырабатываемой электроэнергии; 6 — сетевые трансформаторы; 7 — основные генераторы; 8  —  трансформаторы собственных нужд; 9 — резервный трансформатор

При выборе допустимой мощности реактора предусматривается возможность несрабатывания генераторных
выключателей по крайней мере на одном турбогенераторе, что приводит к потере электропитания у насосов, питающихся как от резервного трансформатора, так и от отпаек неотключившегося основного генератора. При дальнейшем развитии аварии предполагается, что регулирование турбин на отключившихся от внешней сети турбогенераторах может не справиться с требуемой скоростью сброса нагрузки, что приведет к закрытию стопорных клапанов турбин и режиму совместного выбега ГЦН, питающихся от отпаек основных генераторов и генераторов собственного расхода соответственно. Предполагается возможность срабатывания стопорных клапанов не менее чем на одном отключившемся от внешней сети турбогенераторе, а при консервативном подходе — на всех турбогенераторах.
Наиболее надежными источниками электропитания ГЦН являются ГСР. Насосы, питающиеся от ГСР, сохраняют выбег даже при неуспешном отключении основных генераторов в режиме с неустранившимся коротким замыканием в энергосистеме. Кроме того, ГСР электрически не связаны с внешними сетями и поэтому в силу некоторой задержки в срабатывании генераторных выключателей в режиме обесточивания не дают просадки напряжения, как на насосах, питающихся от основных генераторов.

Таблица 5.8. Режим работы ВВЭР III блока НВАЭС (давление в 1-м контуре 125 кгс/см2)

Применение независимых источников электропитания малоинерционных ГЦН позволяет существенно уменьшить скорость снижения расхода теплоносителя через активную зону реактора при возможных аварийных ситуациях и, следовательно, значительно увеличить допустимую мощность реактора.
Рассмотрим для примера схему электропитания ГЦН серийного блока с ВВЭР-440 (III блок НВАЭС), изображенную на рис. 5.20. Схема имеет два генератора собственного расхода, к каждому из которых могут быть подключены два ГЦН, два трансформатора собственного расхода, питающихся от отпаек основных генераторов, каждый из которых может снабжать электропитанием два ГЦН, и резервный трансформатор, допускающий подключение всех шести ГЦН блока.
Допустимая мощность реактора при различных вариантах питания главных циркуляционных насосов для пяти и шести работающих ГЦН представлена в табл. 5.8.
Основным условием при вычислении допустимого уровня мощности реактора является исключение возможности возникновения кризиса теплообмена при следующих аварийных ситуациях: а) короткое замыкание на любой секции комплектного распределительного устройства (КРУ)-6 кВ с потерей питания двух ГЦН; при этом одновременное короткое замыкание на двух различных (несвязанных) секциях КРУ-6 кВ предполагается невозможным; б) неустраненное короткое замыкание во внешней сети (режим обесточивания); при этом срабатывание генераторных выключателей на одном из двух основных генераторов предполагается неуспешным; в) срабатывание в режиме обесточивания стопорных клапанов обоих турбогенераторов.
Режим с поломкой одного насоса при таких предположениях не является принципиально худшим и в дальнейшем не рассматривается. Режим с выходом из строя одного ГСР эквивалентен варианту а) при условии, что автоматическое подключение резервного питания на секцию КРУ-6 кВ, которая соединена с данным ГСР, неуспешно.
Схема, рис. 5.20 соответствует нормальному эксплуатационному режиму при двух работающих турбогенераторах.
Наиболее тяжелый аварийный режим при работе по нормальной схеме возникает при коротком замыкании на секции КРУ-6 кВ. При этой аварии насосы, питающиеся от секции, на которой произошло короткое замыкание, быстро тормозятся, а остальные работают. Допустимая мощность реактора при нормальной схеме электропитания ГЦН равна проектной (1375 МВт). Снижение мощности реактора при возникновении аварии происходит по аварийной защите третьего рода (АЗ-Ш), при которой стержни рабочей группы СУЗ движутся вниз со скоростью около 2 см/с.
Другой вариант питания ГЦН с проектной допустимой мощностью— схема с подключением к одному трансформатору собственного расхода двух ГЦН (питающихся при нормальной схеме от разных трансформаторов). Наибольшая скорость снижения расхода теплоносителя при работе по этой схеме достигается в режиме обесточивания при несрабатывании генераторного выключателя того турбогенератора, от отпайки которого работают два ГЦН.

Снижение мощности реактора происходит в результате срабатывания аварийной защиты первого рода (АЗ-1), при котором все стержни СУЗ движутся вниз со скоростью около 20 см/с.
Когда все шесть ГЦН питаются от резервного трансформатора, возможна одновременная потеря их электропитания, поэтому допустимая мощность реактора при такой схеме питания минимальна.
Схема электропитания ГЦН, применяемая на серийном блоке ВВЭР-440, обеспечивает надежное расхолаживание активной зоны при любых неполадках в электроснабжении. Однако при использовании малоинерционных бессальниковых насосов необходимо во всех вариантах электропитания иметь определенный запас до критических нагрузок, необходимый на случай аварии, т. е. занижать допустимую тепловую мощность реактора в стационарном режиме. Кроме того, необходимо обслуживать сложную систему автоматического переключения электропитания ГЦН. В связи с этим для блоков большей единичной мощности, в частности для V блока НВАЭС с ВВЭР-1000, предусматривают ГЦН с большой инерцией, т. е. с маховыми массами. Благоприятные условия работы вынесенных электродвигателей повышают надежность работы насосов, а наличие маховых масс увеличивает время собственного выбега насосов и уменьшает скорость снижения их подачи при потере электропитания. Схема электропитания насосов упрощается, в частности отпадает необходимость в установке генераторов собственного расхода.
Наиболее опасная авария при использовании ГЦН с маховыми массами происходит при механической поломке с заклиниванием вала одного насоса. Одновременная механическая поломка двух и более насосов считается практически невозможной, и запас по мощности реактора на этот случай не вводится.