Особенности электрической части АЭС - Построение кривой совместного выбега трубогенератора с механизмами СН

Общая мощность, расходуемая в выбегающей системе, складывается из полезной мощности, потребляемой выбегающими механизмами, и всех видов механических и электрических потерь в турбине, генераторе, трансформаторах, двигателях и механизмах. Целесообразно рассмотреть отдельные виды потерь и оценить их влияние на выбег, т. е. определить их изменение в процессе выбега.
При определении полезной мощности механизмов следует пользоваться заводскими кривыми моментов сопротивления выбегающих механизмов, а при их отсутствии, учитывая, что большая часть участвующих в выбеге механизмов имеет вентиляторную характеристику, можно принимать для расходуемой мощности и момента сопротивления кубическую и квадратическую зависимости от скорости вращения соответственно (табл. 4-2), учитывая коэффициент загрузки механизма в режиме, предшествовавшем выбегу. Если выбегают насосы, работающие на противодавление, например, питательные насосы высокого давления, то следует учитывать, что до закрытия обратного клапана в диапазоне скорости вращения 1—0,75 о. е. характеристика момента сопротивления резко отличается от вентиляторной и представляет собой зависимости более высокого порядка (степень зависимости момента от скорости вместо 2, становится равной 3—7 и даже выше в зависимости от величины противодавления). Обратный клапан закрывается при скорости вращения около 0,75-:-0,95, после чего характеристика момента сопротивления соответствует квадратичной зависимости от скорости. Следовательно, расчету выбега должен предшествовать анализ работы выбегающих механизмов.
Среди потерь в выбегающей системе особое место занимают потери в стали и потери на возбуждение, так как они существенно зависят от закона изменения напряжения генератора от скорости. Потери в стали всех электрических машин и аппаратов, входящих в выбегающую систему, в начале выбега принимаются по каталожным значениям. Известно, что для электротехнических сталей потери пропорциональны квадрату индукции (В) и частоте (f) в степени 1,3.
(4-8)
где все величины выражены в относительных единицах.

Расчет потерь и суммарного момента сопротивления для случая совместного выбега турбогенератора К-200 + ТВВ-200 и четырех ГЦН при линейном изменении напряжения генератора на выбеге (Ur ~ п)

Кривая выбега n = f(t) в сочетании с известным законом изменения напряжения от скорости вращения UT = f(n) позволяет построить кривые изменения напряжения генератора во времени Ur = f(t) путем простого пересчета (кривые 1, 4 на рис. 4-6).
Из рис. 4-6 видно, что регулирование напряжения в процессе выбега пропорционально квадрату скорости (кривая 2) позволяет увеличить время выбега по сравнению с регулированием напряжения пропорционально скорости (кривая 1), но запас устойчивости нагрузки при этом снижается, т. к. кривая 4 проходит ниже кривой 1.
В некоторых случаях возникает необходимость не в продлении времени выбега, а в его сокращении, поскольку, как указывалось в гл. 1, производительность циркуляционных механизмов при аварийном расхолаживании должна изменяться примерно по тому же закону, что и остаточные тепловыделения (рис. 1-6). В этом отношении избыточная производительность ГЦН на выбеге может вызвать недопустимые градиенты температур и термические напряжения в ядерной энергетической установке [2, 3]. Как следует из рис. 4-6, для уменьшения производительности выбегающих механизмов можно рекомендовать: переход от закона регулирования напряжения (4-1) к закону (4-3); срыв вакуума в турбине; увеличение момента сопротивления, когда на выбеге остается необходимое число механизмов собственных нужд, не участвующих в аварийном расхолаживании.
Кроме формулы (4-12), позволяющей найти общее время выбега от номинальной скорости п= 1 до интересующего нас значения п методом последовательных интервалов, можно получить приближенное аналитическое выражение, если представить выражение для момента сопротивления (4-11) в виде, удобном для интегрирования по выражению (4-10). Например, если положить показатели степени «п» у второго, третьего и четвертого членов (4-11) равными нулю, то
(4-13)
где а= (B + C + D Е)/А.
и интеграл (4-10) приведется к табличному виду, и для времени выбега от номинальной скорости до скорости п, о. е., получим
(4-14)
Поскольку с уменьшением скорости в соответствии с (4-13) момент сопротивления будет снижаться несколько медленнее, чем в случае (4-11), то значение времени выбега, определенное по (4-14), даст несколько преуменьшенное значение по сравнению с расчетом по точной формуле (4-11), но это расхождение, даже при n = 0,2, не превышает 5%.
Для того, чтобы выделить на рис. 4-6 располагаемое время выбега, необходимо определить критические условия, при которых нарушается устойчивость нагрузки. Критические условия оказываются различными в зависимости от типа двигателя, моментной характеристики приводимого во вращение механизма и характера изменения напряжения при выбеге.
Максимальный электромагнитный момент асинхронного короткозамкнутого двигателя согласно [31] равен
(4-15)
где bп — кратность максимального момента при номинальных напряжении и частоте, как правило, bп = 2; Uд=Uг—напряжение, подводимое к двигателю в процессе выбега, о. е.; f~n — частота питающего напряжения, о. е.
В случае механизма с вентиляторной характеристикой

и критические условия определяются из равенства
(4-16)
Построение кривой критического напряжения на выбеге в функции времени не представляет труда. Для этого по характеристике n = f(t) (например, кривая 2 на рис. 4-6) определяется значение я, соответствующее данному t и производится пересчет по (4-16), в результате чего получается кривая 5. Критическое напряжение должно быть меньше напряжения выбегающего генератора; точка их пересечения определяет время совместного выбега до «опрокидывания» электродвигателя. На рис. 4-6 кривую 5 нужно сравнивать с кривой 4, а кривую 6 с кривой 1.
Если в процессе выбега напряжение генератора никогда не становится ниже критического (рис. 4-6), то продолжительность совместного выбега ограничивается технологическими соображениями и, в частности, моментом перехода на естественную циркуляцию, когда циркуляционные механизмы можно остановить, или временем восстановления питания от автономного источника. Именно так обстоит дело для электромашинной (с корректором), высокочастотной и ионной (с необходимыми изменениями) систем возбуждения, обеспечивающих выполнение критических условий до тех пор, пока не происходит «срыв» в работе возбудителей (выход на горизонтальный участок характеристики регулятора у электромашинной и высокочастотной систем или срыв управления вентилями у ионной, что обычно имеет место). В таких случаях за продолжительность совместного выбега можно принимать время от его начала до «срыва» возбуждения.
Если в процессе выбега напряжение становится ниже критического, то продолжительность совместного выбега определяется моментом времени, при котором происходит пересечение соответствующих характеристик (например, 5 и 4 на рис. 4-6).
В некоторых случаях для привода циркуляционных механизмов с. н. АЭС применяются синхронные электродвигатели. Электромагнитный момент синхронного двигателя для любого значения скорости вращения может быть получен [13] из выражения

(4-17)
где Еd* — э. д. с. за синхронной реактивностью; Хd*, хq* — синхронные реактивности по продольной и поперечной оси; Θ — угол между напряжением и э. д. с. за синхронной реактивностью.
Все величины, входящие в (4-17) и отмеченные звездочкой, выражены в относительных единицах и приведены к соответствующему значению относительной скорости вращения.
Это приведение осуществляется следующим образом:

(4-18)
где все параметры без звездочек соответствуют синхронной скорости вращения.
Для неявнополюсного двигателя (с цилиндрическим ротором) реактивная составляющая синхронного момента, определяемая вторым членом (4-17), равна нулю (Xd = xq), и он может удерживаться в синхронизме только при определенной величине тока возбуждения двигателя. Поэтому для таких двигателей следует ожидать сравнительно быстрого выпадения из синхронизма, так как возбудители синхронных двигателей при снижении скорости вращения довольно быстро переходят на неустойчивую часть нагрузочной характеристики и не обеспечивают необходимой величины тока ротора двигателя. Синхронный момент неявнополюсного двигателя [первый член в (4-17)] падает очень быстро: по данным натурных испытаний выбега электродвигателя типа СТМ-1500-2 срыв возбуждения при работе форсировки двигателя происходит при n = 0,56 [13], что исключает возможность полного использования выбега. В некоторых случаях срыв возбуждения двигателя может произойти и значительно раньше (при n = 0,9 в рассматриваемом в [13] случае), если напряжение выбегающего генератора не успевает снизиться до уставки срабатывания форсировки возбуждения двигателя. После выпадения из синхронизма совместный выбег неявнополюсного синхронного двигателя может происходить за счет его асинхронного момента, и тогда критические условия определяются из (4-16). Для явнополюсного синхронного двигателя синхронная составляющая электромагнитного момента (первый член в 4-17)
также очень быстро снижается до нуля и дальнейший его выбег происходит только за счет реактивного момента, максимальное значение которого с учетом (4-18) равно
(4-19)
Поскольку усредненные значения параметров для явнополюсных двигателей равны [31]: xd=1,4; хq=0,6xd, то (4-19) перепишется в виде
(4-20)
В случае механизма с вентиляторной характеристикой в соответствии с (4-19)

Эти формулы справедливы до значения скорости, ниже которой синхронная составляющая электромагнитного момента обращается в нуль, т. е. 0<n-0,56.
В соответствии с изложенным на рис. 4-6 построены кривые критического напряжения при регулировании напряжения по критерию Ur~n (кривая 7) и по критерию U1~n2 (кривая 8). Поскольку кривая 8 проходит выше кривой 4, то при регулировании напряжения выбегающего генератора по второму критерию длительный совместный выбег за счет синхронного реактивного момента не обеспечивается; при использовании критерия UT ~ n этого недостатка нет. После выпадения из синхронизма явнополюсный синхронный двигатель также может продолжать выбег в асинхронном режиме.
Образование импульса аварийного расхолаживания при использовании выбега турбогенераторов. В схемах аварийной защиты практически всех энергетических реакторов предусматривается аварийное прекращение реакции по импульсу обесточивания механизмов, обеспечивающих отвод тепла из активной зоны. Выдержки времени на срабатывание аварийной защиты по этому импульсу (АЗ 1-го рода) и способ образования последнего различны для различных типов реакторов. В некоторых случаях АЗ срабатывает без выдержки времени, а иногда удается создать выдержку, достаточную для срабатывания автоматического ввода резервного питания (АВР) циркуляционных механизмов. В некоторых случаях импульс образуется при одновременном обесточивании всех циркуляционных механизмов, а иногда оказывается необходимым срабатывание АЗ при обесточивании части механизмов.
Решающим, с точки зрения безопасности реактора, является не обесточивание циркуляционных механизмов, а недопустимое снижение циркуляции теплоносителя. Поэтому всегда следует отдавать предпочтение первичному импульсу, сигнализирующему об этом. К сожалению, ряд причин ограничивает возможность получения такого импульса (инерционность измеряющих расход приборов, конструктивные и схемные затруднения ит.д.). Для некоторых типов реакторов оказывается достаточным импульс, сигнализирующий об исчезновении напряжения на части или всех секциях шин с. н., питающих циркуляционные механизмы. Примером этому может служить Белоярская АЭС (I блок), на которой оказалось даже возможным осуществить выдержку времени на АЗ по обесточиванию на время действия АВР питания шин с. н. Естественно, что такой импульс неприемлем, если предусматривается использование выбега трубогенераторов, т. к. при этом напряжение на секциях шин с. н., подключенных к выбегающим генераторам, длительно поддерживается (то же происходит при наличии на шинах с. н. синхронной нагрузки). В таких случаях могут использоваться параметры косвенного характера, например, величина активной мощности, потребляемой ГЦН из сети питания с. н. (такой импульс использован на Ново-Воронежской АЭС), которая косвенно характеризует расход теплоносителя), или величина скорости изменения частоты (такой импульс используется на АЭС Богунице в ЧССР). В последнем случае оказывается возможным предвидеть последствия аварии по недопустимо большой скорости изменения частоты; косвенно этот импульс характеризует изменение расхода теплоносителя.
Импульс исчезновения напряжения питания циркуляционных механизмов является необходимой частью импульса, сигнализирующего о начале режима аварийного расхолаживания, но его одного недостаточно. Он должен быть дополнен импульсами, сигнализирующими о прекращении доступа пара в турбины (срабатывание стопорных клапанов).