Статические характеристики БН

На рис.5 показаны статические характеристики энергоблока с реактором БН-350. Неизменность расходов натрия в I и II конту­рах ведет к практически прямой пропорциональности мощности и подогрева в них, а поддержание постоянного давления в III контуре при большом избытке теплообменной поверхности в испарителе с естественной циркуляцией воды объясняет малую зависимость от мощности температуры натрия на выходе из парогенератора. По своей сути статическая характеристика данного блока близка к характеристике Р_II = const блока ВВЭР. Отличия связаны с исполь­зованием промежуточного натриевого контура и высокими подогрева­ми натрия в первом и втором контурах. При останове блока все температуры сходятся к температуре насыщения при давлении в парогенераторе.

Резко другой вид имеют статические характеристики блока с реактором БН-600 (рис.6). Использование в I и II контурах на­сосов с плавно регулируемым числом оборотов в диапазоне 25-100% обеспечивает возможность поддерживать в этом (рабочем) диапазоне постоянную температуру перегретого пара и постоянство подогревов в I и II контурах . В диапазоне 0–25% (пусковом) расходы в 1 и II контурах поддерживаются постоянными, а подогре­вы соответствуют мощности. Рабочее давление пара поддерживается, начиная с 10–15% мощности. Ниже оно задается по специаль­ной программе. Температура питательной воды меняется в зависи­мости от нагрузки турбин. Подчеркнем, что на рис.6 изображены проектные статические характеристики, при реальной эксплуатации используются в зависимости от вида режима разные числа оборотов насосов в нижней части диапазона мощностей (от 25 до 70% от номи­нальных). В зависимости от них изменяется и величина мощности, при которой достигаются номинальные параметры по пару.

Из-за применения в БН-600 прямоточных пароге­нераторов при остановках блока все температуры I и II контуров стремятся к температуре питательной воды (температуре насыщения при давлении в деаэраторе, т.е. ~ 160°С). Поддержание в этот период установленной в проекте для натриевых контуров температуры 230~250°С требует специальной организации режима.

Вид статических характеристик во многих случаях влияет на маневренные возможности энергобло­ков, т.е. допустимые скорость и диапазон изменения мощности, что очень важно в эксплуатации. Проиллюстрируем это влияние на примере блоков с реакторами БН-350 и БН-600. Для реактора

БН-350 технологическим регламентом установлена допустимая сред­няя скорость изменения температуры на выходе из реактора 0,2°С/мин. Если учесть достаточно сильную зависимость этой температуры от мощности (рост примерно на 2,4°С на каждый процент увеличе­ния мощности - см. рис.5), то допустимая средняя скорость изме­нения мощности составит 5% Nном в час. Для реактора БН-600 установлено два ограничения: по мощности - 0,5% N_ном в мин и по температуре на выходе из реактора - 30°С/час, причем первое из этих ограничений введено в процессе эксплуатации для обес­печения условий сохранения работоспособности твэл. Как видно из рис.6, допустимая средняя скорость изменения мощности в реакторе БН-600 в диапазоне 25-100% N_ном в отличие от БН-350 практически не зависит от температурных ограничений и опреде­ляется только допустимой скоростью изменения мощности. Если бы на блоке с реактором БН-600 применялась статическая характерис­тика типа БН-350, то при тех же ограничениях допустимая ско­рость изменения мощности блока определялась бы скоростью изме­нения температуры и снизилась бы в 3 раза.

6. Автоматическое регулирование мощности энергоблоков типа ВВЭР в зависимости от режима его работы в энергосистеме.

Реализация данных программ регулирования зависит от режима работы энергоблока – базовый или регулирования.

При работе блока в базовом режиме роль системы регулирования достаточно проста и сводится к снятию возмущений, возникающих в энергосистеме.

На рисунке представлена схема регулирования блока по программе с постоянной средней температурой теплоносителя в 1-ом контуре.

Рисунок 6. Схема регулирования блока с ВВЭР при работе в базисном режиме по программе Тср = const: 1-задатчик мощности; 2-регулятор; 3-ионизационная камера; 4-привод органов регулирования; 5-реактор; 6-парогенератор; 7-синхронизатор турбины; 8-регулятор скорости турбины; 9-регулирующий клапан турбины; 10-турбина; 11-регулятор средней температуры теплоносителя первого контура; 12-задатчик Тср; 13-термометр; 14-измеритель давления; 15-регулятор давления пара во втором контуре; 16-задатчик Рп.

Мощность реактора и средняя температура теплоносителя 1-го контура устанавливаются задатчиками соответственно 1 и 12. Постоянная мощность поддерживается с помощью приводов органов регулирования 4, управляемых от регулятора 2, формирующего управляющий сигнал при отклонении мощности реактора, фиксируемой с помощью ионизационной камеры 3, от устанавливаемого задатчиком мощности 1 уровня. Измеряемая посредством термометров 13 температура Тср сравнивается с устанавливаемым задатчиком 12 значением и в случае возникновения рассогласования регулятор среднего значения температуры теплоносителя 1-го контура 11 воздействует на синхронизатор турбины. Система регулирования частоты вращения турбины является статической, т. е. каждому значению частоты вращения (частоты сети) соответствует своё положение регулирующих клапанов. При воздействии на синхронизатор смещается кривая зависимости положения клапанов от частоты. Таким образом, обеспечивается изменение расхода пара на турбину при неизменной частоты сети. Изменение расхода пара приводит к изменению давления пара Р_п, а, следовательно, и Т_п. Согласно формуле N = k·F·(Т_ср – Т_п) при неизменной мощности реактора это приводит к изменению Т_ср и уменьшению, а в конечном случае и снятию рассогласования между Т_ср схемы и Т_ср уставки.

Рассмотрим процесс регулирования для случая Р_п = const.

Рисунок 7. Схема регулирования блока с ВВЭР при работе в базисном режиме по программе Рп = const (обозначения см. на рисунке 6).

При изменении нагрузки в энергосистеме, для определённости при уменьшении (например, при отключении крупного потребителя), начинает увеличиваться частота, то есть обороты турбогенератора начинают возрастать. Регулятор скорости 8 прикрывает регулирующие клапаны 9 турбины, стремясь привести обороты к нормальному значению. Прикрытие клапанов 9 вызывает подъём давления во 2-ом контуре, воспринимаемые манометром 14 и регулятором давления 15. Регулятор давления 15 воздействует на синхронизатор турбины 7 и через него на регулирующий клапан 9, возвращая его в исходное положение. Тем самым давление стабилизируется на прежнем уровне. Мощность реактора и блока в целом остаётся неизменной, а изменение нагрузки в системе воспринимается турбинами других электростанций, работающих в регулирующем режиме.

Изменение заданной мощности блока производится воздействием на задатчик мощности реактора 1. При этом происходит увеличение подогрева теплоносителя в реакторе, соответственно увеличиваются подвод тепла к парогенератору и парообразование в нём, растёт давление пара. Рост давления воспринимается регулятором давления 15, который через синхронизатор 7 воздействует на регулирующий клапан 9 турбины. Клапан приоткрывается, увеличивая расход пара на турбину и восстанавливая давление. Нагрузка турбины увеличивается примерно пропорционально возрастанию расхода пара.

Схема регулирования блока, предназначенная для работы блока в регулирующем режиме и обеспечивающая характеристику Р_п=const.

Рисунок 8. Схема регулирования блока с ВВЭР при работе в регулирующем Режиме, программа Рп = const (обозначения см. на рисунке 6).

В данном случае изменена связь от регулятора давления пара: регулятор давления воздействует не на синхронизатор, как в случае базового режима, а на регулятор мощности реактора. В аналогичном рассмотренному выше случаю возрастание частоты в энергосистеме клапан 9 прикрывается, растёт давление пара, которое воспринимается так же регулятором давления 15, изменяющим задание регулятору нейтронного потока 1. Последний перемещает регулирующие органы реактора так, чтобы его мощность снизилась. При этом выходная температура теплоносителя 1-го контура снижается, перепад температур между 1-ым и 2-ым контуром уменьшается, что вызывает уменьшение генерации пара. Давление пара возвращается к прежнему уровню при новом положении регулирующих клапанов и новой (меньшей) мощности турбины.

В некоторых схемах регулирования для улучшения динамики переходных процессов на регулятор 1 вводится импульс по расходу пара на турбину от расходомера 17, что позволяет при изменении мощности турбины сразу грубо устанавливать необходимую величину нейтронной мощности реактора. Точное приведение в соответствие мощностей реактора и турбины осуществляется регулятором давления. Изменение персоналом мощности, вырабатываемой энергоблоком при номинальной частоте сети, производится воздействием на синхронизатор турбины 7. Основываясь на вышесказанном, нетрудно представить цепочку изменения параметров и работы регуляторов.

7. Необходимость и порядок определения тепловой мощности реактора и КПД энергоблока

Оперативный персонал может судить о тепловой мощности на основании показаний ионизационных камер, контролирующих цепную реакцию. Однако, с одной стороны, коэффициент пропорциональности между этим показаниями и фактической мощностью реактора рассчитывается с точностью, на практике неудовлетворяющей, а с другой стороны, в процессе работы реактора он может измениться в достаточно широких пределах. Причины изменения коэффициента пропорциональности разнообразны. Это и “выгорание” ионизационных камер под действием нейтронного потока, приводящее к снижению со временем уровня сигнала, и изменение распределения мощности по активной зоне, и концентрация борной кислоты в теплоносителе, и изменение потока нейтронов в зоне по длине кампании. Поясним последнее, мощность реактора N _T определяется выражением

Где N_T – тепловая мощность реактора, кВт,

φ - средняя плотность потока нейтронов, нейтр/[м·с],

n_я – число делящихся ядер в единице объема зоны, 1/м³,

σ_f – микроскопическое сечение деления, м²,

V – объем активной зоны, м³,

с – количество делений в секунду, соответствующее мощности 1 кВт, дел/кВт·с

Поскольку по мере выгорания топлива число ядер делящегося изотопа n_я снижается, то плотность потока φ для поддержания постоянной величины N_T должна возрастать. Не дает требуемой точности оценки тепловой мощности реактора также измерение электрической нагрузки. Причина в том, что в зависимости от состояния тепловой схемы блока и входящего в него оборудования может заметно меняться коэффициент пропорциональности между ними. Например, загрязнение теплообменной поверхности в конденсаторе приводит к ухудшению вакуума и, следовательно, к снижению термического КПД паросилового цикла. Поэтому истинная тепловая мощность реактора определяется методом тепловых балансов по теплоотводящим контурам, что, как правило, обеспечивает точность 1 – 2%.

Замер тепловой мощности может производиться как в нестационарном режиме по скорости разогрева контуров, так и в стационарном. Ниже мы рассмотрим только последний случай, как более простой. Уравнение теплового баланса для реакторов ВВЭР в условиях стационарного теплообмена имеет вид:

где N_p – тепловая мощность реактора,

m – число работающих петель,

G_пар – паропроизводительность m-го парогенератора,

G_прод – расход воды на продувку,

i^”, i’, i_пв – энтальпия сухого насыщенного пара, воды на линии насыщения ПГ и питательной воды соответственно,

N_нас – мощность насосов, затрачиваемая на нагрев воды в контуре и определяемая по напору Н и расходу G в каждой петле с учетом η

N_i – тепло на подогрев подпиточной воды 1-го контура, определяемое по расходу на подпитку G_i и разности энтальпий воды в контуре средней i_I и поступающей i_I

N_пк – мощность отводимая водой промконтура

_Δi_пк – изменение энтальпии при охлаждении воды в теплообменнике промконтура,

Q _пот – потери тепла через теплоизоляцию, определяемые как сумма потерь от каждого элемента контура

где в свою очередь

K_i – коэффициент теплоотдачи,

F_i – наружная поверхность,

t_i – средняя температура в данном элементе,

θ – температура окружающего воздуха.

Поскольку потери тепла в атмосферу и поступление тепла от работающих насосов относительно невелики и слабо меняются при изменении мощности, то выражение (1) может быть упрощено введением обобщающего постоянного слагаемого N_попр.

Для повышения точности измерений тепловой мощности реактора в процессе эксплуатации осуществляют периодическую проверку и градуировку датчиков и приборов, по которым составляются балансы и определяется мощность. В частности, это может делаться путем сравнения показаний штатных датчиков с образцовыми.

Обработку результатов проводят методами математической статистики с учетом точности измерений отдельных параметров. Итоговая точность определения N_p по данным НВАЭС получается не хуже 2%.

Для оперативной оценки мощности персоналу даются упрощенные зависимости по параметрам 1-го контура:

где средний перепад температур на парогенераторах _Δt_{пг 1} по 1 контуру определяется как

а расход через реактор

где G_р – значение массового расхода теплоносителя определенное при балансовых тепловых испытаниях.

p_раб и f_раб – плотность воды и частота сети в момент проведения оценки тепловой мощности.

Точность определения тепловой мощности реактора при этом зависит от точности определения расходов теплоносителя по петлям и температуры на входе и выходе из петель. Расход теплоносителя по петлям при эксплуатации не измеряется, а определяется из гидравлических характеристик ГЦН по перепадам давлений, а а замеряемых штатными приборами.

8. Тепломеханические напряжения, их природа и влияние на эксплуатационные режимы.

Температурные (термические) напряжения возникают а стенках при наличии градиента температуры по толщине. В этом случае разные слои металла стенки будут нагреты неодинаково, но, будучи упруго связанными между собой молекулярными силами, они не могут свободно удлиняться в соответствии со своей температурой. Более нагретые ("горячие") слои окажутся сжатыми, так как основная масса металла мешает им удлиняться, а менее нагретые ("холодные") слои по той же причине окажутся растянутыми (рис. 1.1). Через стенки необогреваемых элементов (корпуса реактора, парогенераторов, турбин и другого технологического оборудования, а также трубопроводов) передаются лишь тепловые потери. При этом основной перепад температуры приходится на теплоизоляцию, и соот­ветственно температурные напряже­ния в стенках необогреваемых элементов практически отсутствуют Однако они возникают при смеши теплового состояния, т.е. при различных переходных процессах. Естественно это относится как к режимам нормальной эксплуатации, так и к ситуациям, связанным с отказами оборудования, срабатыванием защит или другими причинами, вызывающими резкие изменения температуры, как и других технологических параметров.

В значительной мере именно из-за возможности возникновения больших температурных напряжений переходные режимы являются сложными и ответственными. При прогреве стенки греющим теплоносителем, например, паром, имеющим температуру Тп, температура t1 ее внутренней поверхности (рис. 1.2а) быстро растет. Наружная поверхность (ее может быть определено расчетом с использованием методов нестационарной теплопроводности. Для тел сложной формы, например, узлов турбин, узлов примыкания патрубков корпусов реакторов, эта задача точнее решается температура t2 прогревается медленнее.

Изменение температуры по толщине стенки деталей прос­той геометрической формы может быть определено расчетом с использованием методов нестационарной теплопроводности. Для тел сложной формы, например, узлов турбин, узлов примыкания патрубков корпусов реакторов, эта задача точнее решается экспериментально, путем моделирования. Так при скоростях прогрева, имеющих

τ

τ1

σt

(σt)max