Водо-водяные реакторы под давлением имеют, как известно, периодическую перегрузку топлива. В ходе рабочей кампании реактора для его поддержания в критическом состоянии по мере выгорания топлива постепенно выдвигают из активной зоны управляющие стержни и снижают концентрацию борной кислоты в теплоносителе, что уменьшает запас реактивности.
Рис. 4-14. Изменение мощности энергоблока ВВЭР-440 при работе со скользящим давлением за пределами расчетной рабочей кампании:
Сплошная линия — расчетные значения;
штриховая — данные испытаний
Когда управляющие стержни выдвинуты полностью из активной зоны и борная кислота выведена из теплоносителя (точка А на рис. 4-14), дальнейшая эксплуатация блока с максимальной мощностью при номинальных параметрах пара во втором контуре становится невозможной. Этот режим соответствует концу расчетной рабочей кампании реактора. Достигнутая степень выгорания при этом составляет ε=τp/τt (см. рис. 4-1). Определенное количество топлива остается при этом недоиспользованным.
Скользящее давление, которое, как было покатано в § 4-2, создает дополнительный оперативный запас реактивности, позволяет продлить рабочую кампанию реактора. Если, начиная с момента времени, соответствующего точке А на рис. 4-14, постепенно снижать давление во втором контуре с такой скоростью, чтобы высвобождающаяся реактивность компенсировала отрицательную реактивность, возникающую при выгорании топлива, то можно продолжить эксплуатацию реактора с номинальной мощностью. При испытаниях, проведенных в процессе опытно-промышленной эксплуатации энергоблока ВВЭР-440 при скользящем давлении [49], рабочая кампания реактора с номинальной мощностью была продлена на 8 сут (линия АВ на рис. 4-14). Номинальная мощность турбины при сниженном давлении свежего пара р0 обеспечивалась подъемом ее регулирующих клапанов за номинальный уровень. После исчерпания запасов хода регулирующих клапанов турбины дальнейшая эксплуатация блока проходила с постепенным уменьшением мощности по мере снижения давления свежего пара (линия ВС). В результате применения скользящего давления рабочая кампания энергоблока была продлена на 84 сут эффективных (115 календарных). За это время мощность энергоблока понизилась до 260 МВт, давление свежего пара с 4,4 до 2,2 МПа, средняя температура теплоносителя в первом контуре с 557 до 504 К. Дополнительная выработка электроэнергии за этот период в результате более глубокого выгорания топлива составила 917 млн. кВт-ч. Эксплуатация при скользящем давлении сопровождалась постепенным снижением температуры теплоносителя при выходе из активной зоны от 576 К в начале продления рабочей кампании до 531 К через 81 эффективные сутки, что способствовало повышению надежности эксплуатации. Неравномерность энерговыделения хотя и несколько возрастала, но оставалась в допустимых пределах [49].
В пределах расчетной рабочей кампании увеличение оперативного запаса реактивности за счет снижения давления пара Р0 во втором контуре позволяет получить мощность турбин, большую номинальной. При испытаниях энергоблока ВВЭР-440 даже за пределами рабочей кампании в течение времени, характеризуемого отрезками АВ на рис. 4-14, была достигнута суммарная мощность турбин 460 МВт. Это позволяет рассматривать скользящее давление как источник дополнительной пиковой мощности.
Пиковая мощность может быть получена также путем отключения ПВД. При этом снижается средняя температура теплоносителя во втором контуре, что в соответствии с формулой (4-21) увеличивает отвод теплоты из первого контура и снижает среднюю температуру теплоносителя в нем T1. В результате этого увеличивается мощность реактора. Поэтому условия для отключения ПВД во влажнопаровых турбоустановках более благоприятны, чем в установках перегретого пара. Проведенными ЛПИ испытаниями турбоустановки К-220-44 подтверждена надежность работы оборудования с отключенными ПВД.
За счет работы энергоблока при скользящем давлении в период продления рабочей кампании энергоблока τпр (см. рис. 4-1) вырабатывается дополнительное количество электроэнергии, характеризуемое заштрихованной площадью τpff"τt. Интегральный к.п.д. блока за рабочую кампанию с учетом ее продления равен отношению площадей Oeff"τ1 и Oabτ1. Таким образом, хотя в этот период турбоустановка работает с к.п.д., более низким, чем на номинальном режиме, выработка дополнительной электроэнергии за счет увеличения степени выгорания топлива ε в соответствии с формулой (4-3) повышает интегральный к. п. д. энергоблока. Попутно заметим, что если бы для ВПТУ было выбрано более высокое давление пара во втором контуре, то при той же тепловой мощности паропроизводящей установки Qmax мощность турбоустановки за счет повышения ее к.п.д. была бы повышена до уровня N' (см. рис. 4-1). При этом длительность работы при новом уровне давления с мощностью N' ограничена моментом времени τp', причем τр'<τp. Как было показано выше (см. § 4-1), если в этот момент прекратить рабочую кампанию блока и остановить его на перегрузку топлива, то определяемый формулой (4-3) интегральный к.п.д. блока был бы меньше, чем при работе с мощностью N и более низким давлением пара. Если же, начиная от момента времени τp' (точка f' на рис. 4-1), перейти к работе при скользящем давлении и продлить за счет этого рабочую кампанию до момента времени τ1 (линия f'f"), то суммарная выработка электроэнергии за цикл, определяемая площадью будет больше, чем при исходном цикле (площадь Oeff"τ1). Следовательно, с учетом продления рабочей кампании повышение давления позволяет повысить интегральный к.п.д. энергоблока. Эту возможность следует иметь в виду при определении оптимального давления свежего пара. При использовании топлива в течение нескольких рабочих камланий положительный эффект от продления рабочей кампании несколько снижается, поскольку при этом достигается более глубокое выгорание не только выгружаемого топлива, но и оставляемого для следующей рабочей кампании. Чтобы компенсировать обеднение этой части топлива, в начале следующей кампании приходится несколько увеличивать загрузку свежего топлива. Однако даже с учетом этого продление рабочей кампании оказывается эффективным.
Продление рабочей кампании энергоблока при сохранении номинальной мощности, безусловно, экономически целесообразно. Продление кампании с понижением мощности сопровождается недовыработкой электроэнергии, которая должна компенсироваться увеличением ее выработки на замещающих тепловых электростанциях. В связи с этим продление рабочей кампании рентабельно лишь до определенных границ. Минимальная мощность, определяемая технико-экономическими соображениями, зависит от стоимости замещающего топлива и структуры установленной мощности энергосистемы. Вероятно, она будет различной для разных конкретных энергосистем. Выполненными в ЛПИ исследованиями показана технико-экономическая целесообразность продления рабочей кампании за счет применения скользящего давления пара р0 перед турбиной не только для конденсационных, но и для теплофикационных блоков с влажнопаровыми турбинами.
Рентабельность работы энергоблоков за пределами рабочей кампании и оптимальная длительность ее продления будут тем больше, чем меньше темп снижения мощности турбины. Возможность продления рабочей кампании энергоблока и получения пиковой мощности за счет скользящего давления выдвигают перед турбостроителями и теплоэнергетиками новые задачи. Как показывают выполненные исследования, ППУ за пределами рабочей кампании может длительное время работать с тепловой мощностью, близкой к номинальной. Пропускная же способность регулирующих клапанов турбины при их номинальном открытии уменьшается по мере снижения начального давления пара р0. По этой причине недоиспользуются возможности ППУ. В связи с отмеченным возникает задача эффективного использования в турбине «избыточного» пара, который может быть выдан ППУ сверх значения, определяемого пропускной способностью регулирующих клапанов, имеющейся в каждый момент времени при сохранении их номинального открытия.
Простейшее решение, на наш взгляд, связано с отключением регенеративных подогревателей высокого давления. Экспериментальными исследованиями, проведенными ЛПИ на блоке ВВЭР-440 в период продления его рабочей кампании [29], установлено, что поочередным отключением ПВД с момента, соответствующего точке В (рис. 4-14), достигается сохранение мощности, близкой к номинальной, в течение 6—10 сут. В сочетании с эффектом от подъема регулирующих клапанов турбин за номинальный уровень (8 сут) это позволяет сохранить мощность близкой к номинальной в течение 14—18 сут. Аналогичные результаты получены также при испытаниях, проведенных ЛПИ на блоке ВВЭР-1000. Дополнительный эффект может быть достигнут понижением давления в деаэраторе, а также отключением первой ступени промперегрева либо ее переводом на питание свежим паром.
Повышение эффективности дальнейшей эксплуатации блока после этих мероприятий связано с рациональным выбором парораспределения. Дроссельное парораспределение, применяемое обычно для мощных влажнопаровых турбин, ограничивает возможности, поскольку выбор достаточных запасов открытия клапанов связан с большими потерями энергии и увеличением влажности пара в ЦВД при номинальном режиме. Это снизило бы тепловую экономичность ВПТУ в течение всей основной рабочей кампании. По-видимому, рациональным решением будет тот или иной вариант обводного парораспределения (см. § 2-6), при котором обводные клапаны полностью закрыты в течение рабочей кампании и открываются лишь за ее пределами для пропуска избыточного пара. В теплофикационных ВПТУ рациональным решением может оказаться направление избыточного пара в сетевые подогреватели с вытеснением из них пара теплофикационных отборов, за счет которого в таких режимах может вырабатываться дополнительная электрическая энергия. Хотя при этом сокращается удельная выработка электроэнергии на тепловом потреблении, более полное использование энергии топлива, как показывают исследования, имеет определяющее значение.
