Понятие программы регулирования

Потребители электроэнергии, вырабатываемой на электростанции, регламентируют количество продукции (мощность электростанций) и ее качество (в основном это напряжение и частота тока сети). Для электростанции это внешние параметры. Остальные параметры, характеризующие работу энергоблока (расходы рабочих сред, значения температуры и давления сред в различных точках контуров и др.) являются внутренними параметрами, значения которых не интересуют потребителя. Но они имеют очень важное значение, так как от их величин и сочетания значений зависят экономичность, надежность, безопасность и ряд других важных показателей работы электростанции.

Для номинальной мощности установки все значения внутренних параметров АЭС определены проектантом в оптимальном сочетании, которое обеспечивает приемлемые значения показателей ЯЭУ.

Но ЯЭУ АЭС используется не только на номинальном режиме. Она может значительную долю времени работать на режимах сниженной мощности, на которых значения ее параметров отличаются от номинальных.

Рассмотрим закономерности изменения основных параметров, т.е. тех, которые характеризуют основной поток энергии от ядерного реактора к тепловому двигателю. Что касается других параметров, то, несмотря на их безусловную важность, они не характеризуют основной поток энергии и поэтому здесь не рассматриваются. К таким параметрам можно отнести давление в I контуре, уровни в компенсаторе давления, в парогенераторе и другие.

Процесс передачи тепла к теплоносителю в активной зоне ЯР двухконтурной ЯЭУ можно характеризовать зависимостью (по тепловому балансу)

N_р = G_т ×c_р ×(t_т1 – t_т2), (4.16)

где N_p - тепловая мощность ядерного реактора;

G_т - массовый расход теплоносителя;

с_р - средняя теплоемкость теплоносителя;

t_т1 и t_т2 - температура теплоносителя на выходе из ЯР и на входе в него.

 

Для такого реактора закон изменения расхода теплоносителя при изменении мощности в принципе может быть принят любым - постоянным или изменяющимся по некоторой закономерности. Однако, учитывая большую мощность главных циркуляционных насосов, обеспечивающих циркуляцию теплоносителя в I контуре, сложность их устройства и сложность регулирования частоты вращения приводных электродвигателей переменного тока, чаще всего принимают неизменный режим работы насосов на всем диапазоне мощности ЯЭУ. Это обеспечивает постоянство расхода теплоносителя G_т.

Строго говоря, в этом случае обеспечивается постоянство объемного расхода теплоносителя, но для качественного анализа процессов можно принять допущение, что постоянен массовый расход теплоносителя.

Изменением теплоемкости теплоносителя можно пренебречь. Тогда на основании зависимости (4.16) можно сделать вывод: при постоянном расходе теплоносителя через ядерный реактор степень нагрева теплоносителя (t_т1 - t_т2) прямо пропорциональна мощности реактора.

Если пренебречь потерями тепла в ППУ, то вся тепловая мощность ядерного реактора передается рабочему телу в парогенераторе - N_пг. Теплопередачу в парогенераторе можно описать зависимостью (уравнение теплопередачи и баланс)

N_пг = N_р = K×F ×(t_тср – t_sII), (4.17)

 

где K - коэффициент теплопередачи в парогенераторе;

F - поверхность теплопередачи парогенератора;

t_тср - средняя температура греющей среды - теплоносителя;

t_II – средняя температура нагреваемой среды - рабочего тела (температура насыщения при давлении генерируемого пара).

 

Для двухконтурных ЯЭУ АЭС, генерирующих насыщенный пар и имеющих неявно выраженный экономайзерный участок парогенератора (именно такого типа парогенераторы нашли широкое распространение в отечественной атомной энергетике), можно считать, что величины К и F неизменны. Тогда можно считать, что с изменением мощности установки температурный напор в парогенераторе (t_тср - t_II) прямо пропорционален мощности. Величина t_II – температура насыщения при давлении генерируемого пара.

Две зависимости (4.16) и (4.17) связывают три значения температур: t_т1, t_т2, t_II.

 

Для однозначного определения температурных режимов I и II контуров (как на номинальной мощности, так и на промежуточных мощностях) необходимо дополнительно к зависимостям (4.16) и (4.17) задать соответствующими регуляторами поддерживать

- либо температурный режим I контура (тогда температурный режим II контура определится через зависимости (4.16) и (4.17),

- либо температурный режим II контура (тогда через зависимости (4.16) и (4.17) определится температурный режим I контура).

 

Температурный режим I контура во всем диапазоне мощности может быть задан одним из трех способов:

- либо законом изменения температуры теплоносителя на выходе из ядерного реактора t_т1,

- либо законом изменения температуры теплоносителя на входе в реактор t_т2,

- либо законом изменения средней температуры теплоносителя t_тср = 0,5(t_т1 + t_т2).

 

В стационарной атомной энергетике наиболее распространенный вариант задания температурного режима I контура – задание закона изменения средней температуры теплоносителя t_тср.

Это объясняется тем, что величина средней температуры теплоносителя используется для выявления влияния температурного режима активной зоны на реактивность реактора. Она определяется как средневзвешенная температура теплоносителя в активной зоне. Ее значение не обязательно совпадает со среднеарифметической. Правда, для большинства реакторов средневзвешенная температура практически совпадает со среднеарифметической.

 

Задан температурный режим I контура по некоторому закону изменения средней температуры теплоносителя t_тср. В этом случае предусматривают регулятор средней температуры в котором сравниваются измеренная средняя температура и t_тср = 0,5(t_т1 + t_т2) и заданная t_тср.

Сигнал заданной t_тср может подаваться неизменным (тогда регулятор будет поддерживать фактическую среднюю температуру также неизменной во всем диапазоне мощности ЯР), или же переменный – т.е. по любой целесообразной для установки закономерности t_тср(N_яр). В этом случае для формирования t_тср^задан предусматривают функциональный преобразователь соответствующего закона t_тср^задан=f(N_яр). Если в качестве исполнительного органа для такого регулятора предусмотреть регулирующие стержни системы АР, то регулятор временно изменит мощность АР, восстановит величину t_тср на заданном уровне и будет поддерживать его по заданному закону во всем диапазоне мощности от 0 до 100%.

 

Если задан температурный режим II контура, то обычно принимают программу изменения давления пара, которая однозначно определяет закон изменения температуры рабочего тела в парогенераторе - температуры насыщенного пара t_II.

Способ поддержания температурного режима второго контура аналогичен ранее рассмотренному способу поддержания температурного режима первого контура. Исполнительный орган регулятора может быть принят тот же, т.е. регулирующие стержни системы АР мощности ЯР.

 

Если в составе двухконтурной ЯЭУ имеется прямоточный парогенератор, в котором генерируется перегретый пар (такие установки известны в мировой практике), то температура и давление перегретого пара - взаимонезависимые параметры. В этом случае для однозначного определения температурного режима I и II контуров требуется задание дополнительных по сравнению с вариантом насыщенного пара закономерностей. Например, для определения параметров теплообменивающихся сред дополнительно задают программу изменения и температуры, и давления пара. Могут быть и другие сочетания задаваемых параметров.

 

Если какой-либо параметр может быть задан произвольно, то принятую в ЯЭУ и поддерживаемую регулятором закономерность изменения этого параметра называют программой его изменения. От характера принятых в установке программ зависят также закономерности изменения величин, определяемых по физическим законам происходящих процессов (статистические характеристики). Например, если в ЯЭУ реализуется программа G_т = const, то степень нагрева теплоносителя (t_т1 ‑ t_т2), определяемая по зависимости (4.16), прямо пропорциональна мощности реактора. Если же принято, что расход теплоносителя прямо пропорционален мощности реактора (по такой программе обычно регулируют G_т для реакторов с газовым и жидкометаллическим теплоносителем), то в соответствии с формулой (4.16) степень нагрева теплоносителя остается неизменной во всем диапазоне мощности.

 

В связи с этим всю совокупность закономерностей изменения внутренних параметров ЯЭУ (как программных, так и по статическим характеристикам) принято называть статической программой регулирования ЯЭУ.