ГЛАВА ШЕСТАЯ
РЕГУЛИРОВАНИЕ ТУРБИН
6-1. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ
Общие принципы регулирования АЭС
АЭС обычно работают параллельно с другими электростанциями на общую электрическую сеть. В равновесных режимах параллельно работающие генераторы производят столько энергии, сколько требуется потребителям. Если генерируемая на электростанциях мощность оказывается меньше потребляемой, то разность мощностей покрывается за счет изменения кинетической энергии всех вращающихся машин, работающих в сети. При этом частота переменного тока будет снижаться. Наоборот, частота тока возрастает, когда генерируемая мощность превышает потребляемую.
Отсюда следует основная задача регулирования: производство электроэнергии электростанциями должно в каждый момент времени соответствовать потреблению. Критерием этого соответствия является постоянство частоты. Номинальное ее значение (в СССР и европейских странах 50 Гц) должно поддерживаться с минимальными отклонениями. Распределение же выработки электроэнергии по отдельным электростанциям и агрегатам должно определяться минимумом прироста эксплуатационных затрат.
Энергопотребление системы имеет ярко выраженный неравномерный характер. Поэтому регулирование распределения нагрузок между электрическими станциями осуществляется следующим образом.
Рис. 6-1. Статические характеристики и принципиальные схемы регулирования блоков АЭС.
а — для базового блока: 1 — регулятор мощности; 2 — задатчик регулятора мощности; 3 — регулирующий клапан турбины; б и в — для блоков, участвующих в поддержании частоты сети: 1/ — регулятор частоты вращения; 2 — задатчик регулятора частоты вращения: 3 — регулятор мощности; 4 — задатчик регулятора мощности; 5 — реверсивный электродвигатель; 6 — регулирующий клапан турбины.
Значительная часть агрегатов работает в так называемом «базовом» режиме, отдавая в сеть заданную постоянную мощность. Кроме того, имеются агрегаты (блоки), которые должны быть в состоянии быстро менять свою мощность соответственно переменной составляющей нагрузки сети. Зависимость частоты вращения (и, следовательно, частоты сети) от мощности называется статической характеристикой регулирования.
На рис. 6-1,а показаны статическая характеристика базового агрегата (блока), вырабатывающего неизменную заданную нагрузку вне зависимости от частоты сети, и принципиальная схема регулирования. Это регулирование представляет собой систему автоматической стабилизации, поддерживающую заданное значение регулируемой величины — электрической мощности. Если вырабатываемая мощность Рэ не совпадает с заданным се значением Рэзад, то в работу вступает пропорционально-интегральный регулятор (ПИ-регулятор), изменяя положение регулирующих клапанов до тех пор, пока эти мощности не сравняются.
Простейший способ получения статической характеристики агрегата, участвующего в поддержании частоты сети, с помощью регулирования турбины показан на рис. 6-1,б.
Регулируемой величиной является частота вращения п ротора турбины, которая равна или пропорциональна частоте переменного тока. И здесь регулируемая величина п-сравнивается с заданным ее значением пзад. Но в этой схеме регулятор работает как пропорциональный (П-регулятор). Отклонению регулируемой величины п от заданной пзад соответствует определенное положение регулирующих клапанов турбины и тем самым определенная мощность Рэ. Клапаны турбины открываются тем больше и электрогенератор отдает в сеть тем большую мощность, чем ниже значение частоты сети по сравнению с заданием пзад. Это и обеспечивает желаемую статическую характеристику агрегата.
Участие АЭС в первичном регулировании частоты сети при работе в базовом режиме может быть достигнуто с помощью системы регулирования, представленной на рис. 6-1,в. Медленно действующий контур регулирования мощности непосредственно не связан с регулирующими клапанами турбины, а с помощью реверсивного электродвигателя воздействует на задатчик подчиненного ему быстродействующего контура регулирования частоты вращения. Последний приоткрывает регулирующие клапаны турбины, когда частота сети снижается, и прикрывает их, когда она растет. Тем самым агрегат участвует в первичном регулировании частоты. Но так как задание подчиненному контуру регулирования частоты вращения изменяется по командам контура регулирования мощности, то вырабатываемая и отдаваемая в сеть мощность данного блока АЭС в среднем остается постоянной, что отвечает характеру работы АЭС в базовом режиме. Колебания энергопотребления сети покрываются другими электростанциями системы.
Хотя большинство АЭС в настоящее время работает, как правило, с максимальным числом часов использования (см. гл. 7), ясно, что по мере увеличения доли АЭС в общей установленной мощности энергосистемы атомные электростанции будут участвовать не только в первичном регулировании частоты сети, но и привлекаться к работе в переменной части графика нагрузки энергосистемы.
Турбины АЭС с точки зрения регулирования должны рассматриваться как часть единой энергетической установки еще в большей степени, чем в блоках ТЭС. Регулирование турбины часто не имеет четких границ в общей системе регулирования блока, являясь одной из ее подсистем.
Анализ регулирования блока АЭС начнем с рассмотрения регулирования ядерного реактора.
Для поддержания контролируемой цепной реакции необходимо, чтобы реактивность реактора в стационарном режиме равнялась нулю. Это означает, что в среднем только один из v-нейтронов, образующихся при делении одного ядра, вызывает новое деление ядра. На реактивность существенно влияют температура, плотность и количество воды, используемой как замедлитель и теплоноситель в водяных реакторах, а также количество поглощающего материала, зависящее от перемещения регулирующих стержней. Некоторые из этих величия — обычно количество поглотителя и (или) расход замедлителя — используются для изменения реактивности и тем самым изменения мощности реактора, в то время как остальные факторы выступают как возмущающие воздействия для регулирования реактора.
Регулирование мощности реактора перемещением регулирующих стержней или изменением расхода замедлителя возможно только при ограниченных скоростях изменения возмущающих воздействий. Поэтому система регулирования и защиты турбины должна обеспечить эти предельные значения такими, чтобы они не были превышены при изменениях частоты сети или нарушениях в работе турбины.
Ниже кратко рассматривается динамика регулирования блоков АЭС с водоохлаждаемыми реакторами [110].
Регулирование энергоблоков с реакторами с водой под давлением (ВВРд)
АЭС с реакторами, охлаждаемыми водой под давлением, имеет двухконтурную схему, и в турбину обычно поступает насыщенный пар (см. рис. 1-2,а). Если электрическая сеть требует большую мощность, система регулирования турбины приоткрывает регулирующие клапаны и увеличивает пропуск пара в турбину. При этом во второй контур отводится большее количество тепла и давление р0р, а значит, и температура насыщенного пара в нем снижаются. Температура воды в первом контуре на выходе из парогенератора t0 падает, следовательно, уменьшается и средняя температура теплоносителя (замедлителя) в реакторе. Из-за отрицательного температурного коэффициента теплоносителя реактивность реактора растет и тем самым увеличивается его тепловая мощность Ртепл. Теплоноситель в активной зоне реактора нагревается сильнее, и падение температуры воды на входе в реактор t0р компенсируется ростом ее на выходе t2р, так что средняя температура теплоносителя tср остается постоянной (рис. 6-2,а). В результате мощность реактора увеличивается без перемещения регулирующих стержней. ВВРд обладает, следовательно, значительным положительным самовыравниванием, что хорошо иллюстрируется, например, полученными на математической модели и показанными на рис. 6-3 переходными процессами.
Рис. 6-2. Регулирование АЭС с ВВРд.
а — изменение параметров в зависимости от тепловой мощности реактора; б — принципиальная схема регулирования АЭС «Обригейм»: 1 — регулятор мощности; 2 — задатчик регулятора мощности; 3 — распределитель нагрузок сети; 4 — регулятор частоты вращения; 5 — регулятор давления свежего пара; 6 — задатчик регулятора давления свежего пара; 7 — ограничитель; 8 — регулятор температуры теплоносителя; 9 — механизм управления стержнями реактора; 10 — датчик средней температуры теплоносителя; 11 — регулятор БРУ-К; 12 — задатчик регулятора БРУ-К.
Переходные процессы рассчитаны для ВВРд АЭС «Библис А» с РТепл=3517 МВт после 10%-ного скачка нагрузки при отключенной (штриховые линии) и включенной (сплошные линии) системе регулирования реактора. Эти графики тем не менее показывают, что регулирование ВВРд позволяет существенно снизить динамические отклонения рр, р0 и tср.
В качестве примера принципиальной схемы регулирования АЭС с ВВРд рассмотрим схему АЭС «Обригейм» (рис. 6-2,б).
Мощность турбины и тем самым мощность АЭС регулируется перестановкой регулирующих клапанов. Система регулирования состоит из контура регулирования мощности и подчиненного ему контура регулирования частоты вращения. Предусмотрены два режима эксплуатации: работа с постоянной нагрузкой и работа в режиме регулирования частоты сети. Мощность турбины может, следовательно, поддерживаться постоянной независимо от частоты сети, или же АЭС в соответствии с выбранной статической характеристикой участвует в поддержании частоты сети. Кроме того, на вырабатываемую мощность может влиять вторичное регулирование сети, осуществляемое, например, для оптимального распределения нагрузок между агрегатами.
В систему регулирования турбины вводятся, кроме того, ограничители скорости изменения нагрузки, ограничители нижнего допустимого значения давления пара и др.
Турбина имеет обводную систему для перепуска пара прямо в конденсатор. При нормальном режиме работы перепускные клапаны закрыты. При достижении верхнего предельного значения р0, например, при падении нагрузки или срабатывании защиты турбины и закрытии стопорного клапана турбины перепускные клапаны открываются и свежий пар помимо турбины направляется в конденсатор.
Благодаря значительной аккумулирующей способности парогенератора достаточно осуществить простейшее регулирование реактора по требуемой мощности АЭС. При работе в области больших нагрузок (выше 0,7Рэном) средняя температура теплоносителя tср поддерживается постоянной (рис. 6-2,а) внешним контуром регулирования, который благодаря самовыравниванию реактора действует только как корректирующий. Действительное значение средней температуры теплоносителя, определяемое по температурам на входе и выходе реактора, сравнивается с величиной, задаваемой вторичным регулятором давления свежего пара в соответствии с установившейся нагрузкой. Разность между действительной и заданной температурами tср вызывает через регулятор температуры теплоносителя перемещение регулирующих стержней.
При снижении нагрузки возрастают р0 и t0. Чтобы давление пара при нагрузках, меньших 0,7Рэном, не оказалось слишком высоким, задаваемое значение средней температуры теплоносителя снижается таким образом, чтобы р0=const. Кроме температуры теплоносителя системой компенсации объема регулируется также его давление рр. В этой схеме, так же, как и во многих других, изменением содержания бора в теплоносителе компенсируется медленное изменение реактивности, обусловленное выгоранием горючего и ксенонным отравлением.
На рис. 6-4 представлена упрощенная блок-схема регулирования АЭС «Библис А» с ВВРд [78].
При работе блока все изменения его нагрузки определяются турбиной, а мощность реактора приводится его системой регулирования в соответствие требуемому турбиной расходу пара.
Рис. 6-4. Принципиальная схема регулирования АЭС «Библис» с ВВРд.
- регулятор электрической мощности блока; 2 — регулятор частоты вращения; 3 — регулятор положения регулирующего клапана турбины; 4 — регулятор энергосистемы; 5 — устройство контроля температуры стенок корпуса турбины; 6 — устройство изменения статизма регулирования; 7 — регулятор минимального давления свежего пара; 8 — регулятор максимального давления свежего пара; 9 — регулятор уровня в парогенераторе; 10 — регулятор температуры теплоносителя; 11 — регулятор положения кассет основного регулирования мощности реактора; 12 — регулятор положения кассет тонкого регулирования мощности реактора; 13 — регулятор распределения энерговыделения в активной зоне реактора; 14 — ограничитель мощности реактора; 15 — сброс регулирующих стержней; 16 — устройство управления органами регулирования реактора; 17 — регулятор уровня в компенсаторе объема; 18 — регулятор давления теплоносителя в первом контуре; 19 — регулирующие кассеты тонкого регулирования мощности реактора; 20 — регулирующие кассеты основного регулирования мощности реактора; 21 — борная кислота; 22 — денонат.
Задание регулятору мощности блока изменяется оператором или автоматически центральным регулятором энергосистемы или в соответствии со статической характеристикой регулирования. Включенный параллельно регулятору мощности регулятор частоты вращения управляет блоком в процессе пуска или остановки, при синхронизации и в области малых нагрузок. Выходной сигнал регулятора мощности или частоты вращения поступает на регулятор положения регулирующих клапанов турбины, который управляет их открытием. Во избежание недопустимо большой скорости изменения нагрузки блока задание по мощности как от оператора, так и от сетевого регулятора вводится через ограничитель (устройство ввода задания по мощности). На упрощенной блок-схеме регулирования он не показан. Термические напряжения в ЦВД турбины при изменениях мощности и частоты вращения ограничиваются благодаря контролю за температурой стенок корпуса ЦВД и соответствующей программе режима эксплуатации.
Предельное регулирование давления не допускает возникновения опасных эксплуатационных режимов из-за слишком больших отклонений давления свежего пара р0 от заданного значения. При достижении предельного нижнего уровня давления свежего пара мощность турбины контролируется регулятором минимального давления и ограничивается до тех пор, пока мощность реактора не будет приведена в соответствие требуемому расходу пара. При достижении предельного верхнего значения давления свежего пара излишнее количество пара по команде регулятора максимального давления сбрасывается через быстродействующее редукционное устройство (БРУ-К) в конденсатор.
Регулирование реактора приводит его мощность в соответствие с требуемой мощностью электрогенератора поддержанием средней температуры теплоносителя в первом контуре постоянной в диапазоне нагрузок Рэ=(0,2-1,0) Рэном. Этим достигается, кроме того, наилучшее использование регулировочных свойств реактора, определяемых отрицательным коэффициентом реактивности (малое перемещение регулирующих стержней), минимальное изменение объема теплоносителя первого контура, наименьшие термические напряжения в конструктивных элементах. Регулируемой величиной является наивысшая из измеренных в разных петлях реакторной установки средняя температура теплоносителя. Для улучшения динамических характеристик регулирования при больших изменениях нагрузки вводится сигнал изменения задания мощности блока.
Исполнительным органом регулирования температуры теплоносителя являются регулирующие кассеты, в которые включено большинство черных (из материалов с большим сечением поглощения тепловых нейтронов) управляющих стержней. Для тонкого регулирования медленных изменений мощности применяются дополнительно управляющие стержни (компенсирование эффекта Доплера). Компенсация изменения реактивности, обусловленного выгоранием, ксеноновым отравлением и большими изменениями температуры теплоносителя (при пуске и остановке), осуществляется системой жидкостного борного регулирования.
Чтобы избежать аварийного отключения реактора в определенных эксплуатационных режимах, предусматривается ограничение мощности реактора, воздействующее на системы управления регулирующими кассетами и мощностью электрогенератора.
Регулирование уровня воды в парогенераторах производится по трехимпульсной схеме с контролем уровня и расходов питательной воды и пара. Давление теплоносителя в первом контуре поддерживается компенсатором объема с его системой подогрева, впрыска и регулирования уровня.
Регулирование энергоблоков АЭС с кипящими реакторами
На реактивность кипящего реактора наряду с температурами горючего и замедлителя сильное влияние оказывает образующаяся в теплоносителе паровая фаза. Объем паровой фазы в активной зоне определяется давлением в реакторе и тепловыделением. С ростом давления объем паровой фазы уменьшается, и из-за лучшего замедляющего действия теплоносителя реактивность, а вместе с ней и мощность реактора повышаются и давление в реакторе продолжает возрастать. Эта положительная обратная связь для обеспечения устойчивой работы реактора должна быть компенсирована воздействием системы регулирования.
Если давление в реакторе поддерживается ПОСТОЯННЫМ (pр≈р0=соnst, t20≈t0=const), то остаются две возможности изменять его мощность: перемещением регулирующих стержней и изменением расхода теплоносителя. Выдвижением регулирующих стержней освобождается положительная реактивность, мощность реактора растет и парообразование усиливается. При постоянном давлении благодаря самовыравниванию реактор автоматически переходит на новый, более высокий уровень мощности.
Рис. 6-5. Принципиальная схема регулирования АЭС «Дрезден 2» с ВВРк.
1 — регулятор мощности; 2 — задатчик регулятора мощности; 3 — распределитель нагрузок сети; 4 — пропорциональный регулятор; 5 — регулятор частоты вращения; 6 — задатчик регулятора частоты вращения; 7 — регулятор давления пара; 8 — задатчик регулятора давления; 9 — регулятор частоты вращения
При увеличении расхода теплоносителя через реактор уменьшается время нахождения паровой фазы в активной зоне реактора. Замедляющее действие охлаждающей воды, а следовательно, и реактивность реактора возрастают. Связанное с этим увеличение мощности вызывает усиление парообразования с отрицательным обратным воздействием на реактивность, так что в конце концов устанавливается новый постоянный уровень мощности.
Регулирование блока турбина — кипящий реактор при одноконтурной схеме рассмотрим на примере АЭС «Дрезден 2» (рис. 6-5).
Регулирование мощности осуществляется изменением расхода теплоносителя и (или) перемещением регулирующих стержней. Перестановкой регулирующих клапанов турбины давление в реакторе поддерживается с максимально возможной точностью, а возникающее при этом изменение расхода пара приводит к изменению мощности турбины.
Давление пара перед турбиной и тем самым давление в реакторе системой регулирования поддерживается постоянным. Для этого значение давления перед турбиной сравнивается с заданным постоянным его значением, и в случае рассогласования регулятор давления переставляет регулирующие клапаны турбины. Регулятор частоты вращения турбины работает как предельный и вступает в работу только при определенном (чрезмерном) повышении частоты вращения.
Предусмотрен перепуск пара помимо турбины непосредственно в конденсатор. Перепускные клапаны, также подчиненные регулированию турбины, выполняют следующие функции:
уменьшают подъем давления перед турбиной при закрытии регулирующих или стопорных клапанов турбины, для чего система перепуска должна быть достаточно быстродействующей;
регулируют давление при пуске турбины. Регулятор частоты вращения увеличивает пропуск пара в турбину открытием регулирующих клапанов, и одновременно с этим давление пара поддерживается закрытием перепускных клапанов;
регулируют давление в реакторе после срабатывания защиты и отключения турбины, обеспечивая отвод остаточного тепла из реактора.
Для того чтобы изменить мощность реактора и тем самым мощность АЭС, вручную или дистанционно изменяют уставку (заданное значение регулируемого параметра) регулятора мощности, который затем изменяет уставку регулятора частоты вращения главного циркуляционного насоса теплоносителя.
Уставка регулятора мощности АЭС определяется частотой сети в соответствии с его статической характеристикой, а также может задаваться или корректироваться вручную или дистанционно от вышестоящего регулятора энергосистемы. Отклонение регулируемого параметра, определяемое сравнением его действительного и заданного значений, через регулятор мощности изменяет уставку контура регулирования расхода теплоносителя, т. е. частоту вращения главных циркуляционных насосов (ГЦН). При этом изменяется мощность реактора. Регулятор давления пара перед турбиной переставляет регулирующие клапаны, чем изменяет пропуск пара через турбину и тем самым ее мощность.
Изменение мощности реактора воздействием на расход теплоносителя имеет то преимущество, что практически не искажается распределение потока нейтронов, свойственное регулированию перемещением стержней. Только при больших изменениях нагрузки, превышающих 30% первоначального значения, мощность реактора изменяется регулирующими стержнями; при последующих меньших колебаниях нагрузки регулирование снова производится изменением расхода теплоносителя.
Рис. 6-6. Принципиальная схема регулирования АЭС «Вюргасен» с ВВРк.
1 — регулятор давления в реакторе; 2 — регулятор давления пара перед турбиной; 3— формирователь задания по давлению; 4 — управление БРУ-К; 5 — гидромуфта; 6 — сервопривод управления гидромуфтой с внутренней обратной связью; 7 — формирование запрета на повышение нагрузки; 8 — блокировка; 9 — регулятор частоты вращения; 10 — регулятор мощности; 11 — динамическая коррекция; 12 — вычислительное устройство для управления регулирующими стержнями; 13 — управление положением регулирующих стержней; 14 — предохранительный клапан; 15 — датчик нейтронного потока; 16 — датчик давления в реакторе; 17 — датчик расхода свежего пара; 18 — датчик давления пара перед турбиной; 19 — датчик частоты вращения ротора турбины; 20 — датчик электрической мощности; 21 — датчик частоты сети; 22 — датчик частоты вращения ГЦН; 23 — задание регулятору мощности; 24 — задание на изменение давления пара перед турбиной.
Для улучшения переходного процесса при набросе нагрузки можно временно уменьшить уставку регулятора давления, чтобы использовать аккумулирующую способность парогенерирующей системы для получения дополнительного количества пара. При изменении уставки регулятора в сторону снижения давления часть воды быстро испаряется и в турбину поступает дополнительное количество пара. Длительность этого процесса, однако, ограничивается тем обстоятельством, что увеличение расхода пара приводит к уменьшению мощности реактора, т. е. действует в противоположном направлении.
На рис. 6-6 представлена структурная схема регулирования энергоблока с водо-водяным кипящим реактором АЭС «Вюргасен» [84].
АЭС «Вюргасен» работает в диапазоне нагрузок от 35 до 100%, участвуя в первичном и вторичном регулировании частоты в энергосистеме. При воздействии регулятора частоты (первичное регулирование) нагрузка квазискачкообразно может изменяться на +0,1Рэном, а под воздействием регулятора энергосистемы (вторичное регулирование) на +0,1эном/мин. Нечувствительность регулирования составляет не более 5 мГц, статическая неравномерность равна 0,05.
Входной величиной контура регулирования мощности является заданное значение мощности, которое после ограничения по максимуму сравнивается с текущим значением мощности. Сигнал рассогласования воспринимается ПИД-регулятором, который через подчиненный ему контур регулирования частоты вращения ГЦН воздействует на эту частоту и тем самым изменяет расход теплоносителя через активную зону реактора. Для того чтобы при быстром увеличении частоты вращения ГЦН возрастающий нейтронный поток, опережая прирост расхода теплоносителя, не достиг уставки отключения реактора, предусмотрен запрет по чрезмерной скорости подъема нагрузки. Сигнал запрета препятствует дальнейшему подъему частоты вращения ГЦН, когда нейтронная мощность достигнет выставленного предельного значения, зависящего от нагрузки.
При исчерпании возможности воздействия ГЦН на нейтронную мощность (частота вращения ГЦН достигла нижнего или верхнего предельных значений) вступает в работу система управления регулирующими стержнями. Вычислительное устройство этой системы определяет новое положение регулирующих стержней, причем такое, что регулирование мощности реактора с помощью ГЦН всегда находится в оптимальном диапазоне.
Так как только нейтронная мощность может изменяться почти скачкообразно, в то время как прирост паропроизводительности и электрической мощности затягивается во времени, быстрое увеличение нагрузки блока может быть достигнуто за счет использования для получения дополнительного количества пара аккумулирующей способности парогенерирующей системы. Когда рассогласование между заданным и текущим значениями мощности превышает установленную величину, что может произойти, например, при скачкообразном изменении уставки регулятора мощности, регулятор формирования задания по давлению снижает уставку регулятора давления. Некоторое количество воды в реакторе очень быстро испаряется и в турбину поступает дополнительное количество пара. Изменение давления ограничивается максимально допустимым значением. После окончания переходного процесса задание по давлению медленно возвращается к нормальному значению.
Регулятор давления в реакторе изменяет уставку регулятора давления «до себя» таким образом, что при возрастании нагрузки блока давление пара перед турбиной снижается, а в реакторе остается постоянным.
