СПОСОБ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СОБСТВЕННЫХ НУЖД АЭС
METHOD OF UNINTERRUPTED POWER SUPPLY FOR AUXILIARY NEEDS OF NPP

Изобретение относится к области энергетики и предназначено для использования на атомных электрических станциях (АЭС) с водо-охлаждаемыми реакторами.
Предложенный способ позволяет решить задачу повышения надежности резервирования собственных нужд АЭС.
Известен способ резервирования собственных нужд АЭС на основе дизель-генераторов (см. В.А. Иванов "Полное обесточивание энергоблока", "Эксплуатация АЭС", Энергоатомиздат, Санкт-Петербург, 1994, с. 330-332.). Согласно этому способу при полном обесточивании энергоблока АЭС возникает аварийный режим, сопровождающийся обесточиванием шин собственных нужд, срабатыванием аварийной защиты первого рода реактора и формированием сигнала на автоматическое включение аварийных каналов с дизель-генераторами. При этом мощность реактора быстро снижается до уровня остаточного тепловыделения. Сброс остаточного пара осуществляется в атмосферу через быстродействующие редукционные устройства и предохранительные клапаны парогенераторов. Электропитание всех механизмов, обеспечивающих расхолаживание и вывод энергоблока из работы, производится от дизель-генераторов.
Недостатком известного способа является то, что дизель-генераторы длительное время простаивают в режиме ожидания и требуют текущего поддержания их в работоспособном состоянии. Быстротечность запуска отрицательно сказывается на их надежности вследствие развития значительных температурных и механических напряжений в элементах дизеля в начальный период пуска, что может привести к полному отказу канала безопасности. При расхолаживании не используется полезно энергия остаточного тепловыделения активной зоны реактора, а рабочее тело второго контура сбрасывается в атмосферу.
Известен способ резервирования собственных нужд АЭС на основе устройства системы электроснабжения посредством источников разного принципа действия (см. патент РФ на изобретение №63614, МПК H02J 9/00, опубл. 27.05.2007), предназначенный для обеспечения возможности расхолаживания и вывода АЭС из работы при полном обесточивании. Суть способа заключается в установке дополнительных резервных источников - гидроагрегатов. После внезапного отключения потребителей от внешней энергосистемы в течение нескольких секунд включаются дизель-генераторы, если запуск всех резервных дизель-генераторов не срабатывает, тогда последовательно запускаются гидротурбины. Сработавший гидрогенератор (один из трех) обеспечивает отпуск электроэнергии на собственные нужды АЭС.
Недостатком известного решения является то, что гидротурбины длительное время простаивают в режиме ожидания и требуют затрат на поддержание их в работоспособном состоянии. Кроме того, при расхолаживании не используется полезно энергия остаточного тепловыделения активной зоны реактора, а остаточный пар сбрасывается в атмосферу.
Известен способ резервирования собственных нужд на основе газотурбинных установок (ГТУ) (см., например, статью Сравнительная эффективность использования газотурбинных и газопоршневых установок для дополнительного резервирования собственных нужд АЭС / О.Н. Фаворский, Р.З. Аминов, А.Ф. Шкрет, М.В. Гариевский // Теплоэнергетика. 2009. №4. С. 38-43). Постоянно работающие маневренные газотурбинные установки либо газопоршневые агрегаты применяются наряду с резервированием собственных нужд АЭС, также для покрытия пиковых электрических нагрузок энергосистемы.
Недостатком известного способа является генерирование дополнительными ГТУ электроэнергии в энергосистему. Вследствие этого, при системной аварии ГТУ будут отключены вместе с АЭС. На запуск ГТУ потребуется время. Для обеспечения постоянного горячего резерва собственных нужд атомной станции ГТУ придется всегда держать в работе, в том числе во внепиковые часы, что экономически не выгодно. Кроме того, необходимо строительство протяженных газопроводов, которые должны быть выполнены с защитой от климатических и террористических угроз, что потребует значительных капиталовложений. При расхолаживании не используется полезно энергия остаточного тепловыделения активной зоны реактора
Известна система пассивной безопасности атомной электростанции (см. авт. свид. СССР на изобретение №1829697, МПК G21C 9/00, опубл. 09.06.1995), предназначенная для повышения безопасности при аварии с потерей электроснабжения путем обеспечения привода агрегатов вентиляционной системы, а также интенсификации теплоотвода из-под внутренней оболочки. Сущность изобретения заключается в том, что для повышения безопасности АЭС с двойной вентилируемой защитной оболочкой - внутренней и наружной - последняя снабжена вентиляционной системой, газодувный агрегат которой подключен к турбине дополнительного контура с легкокипящим теплоносителем. В случае аварии с разгерметизацией первого контура и потерей источников электроснабжения с помощью теплообменника выделяющееся под оболочкой тепло передают в парогенератор. Конденсатор размещен выше парогенератора в вытяжной шахте, за счет чего в контуре обеспечивается естественная циркуляция теплоносителя.
Недостатком известного способа является в первую очередь дороговизна и сложность построения дополнительного контура с легкокипящим носителем. Кроме того, ограничен спектр решаемых задач: элементы системы пассивной безопасности в режиме нормальной эксплуатации АЭС находятся в состоянии горячего резерва и требуют дополнительные затраты на поддержание их в работоспособном состоянии.
Известен способ расхолаживания водо-охлаждаемого реактора при полном обесточивании АЭС (см. патент РФ на изобретение № 2499307, МПК G21D 01/00, F01K 23/10, G21D 05/08, G21D 03/08, опубл. 20.11.2013). Известный способ предусматривает расхолаживание водо-охлаждаемого реактора при полном обесточивании АЭС за счет использования энергии остаточного тепловыделения активной зоны и энергии сжигания водородного топлива. При этом водородный энергокомплекс, включающий дополнительную турбину, эффективно используется для генерирования электроэнергии в энергосистему в эксплуатационном режиме.
Недостатком является генерирование дополнительной ПТУ электроэнергии в энергосистему. Вследствие этого, при обесточивании АЭС дополнительная ПТУ будет также отключена. На запуск дополнительной ПТУ потребуется время. Кроме того, в связи с прекращением электроснабжения остановятся питательный и циркуляционные насосы. Таким образом, для запуска турбины придется использовать дизель-генератор, что ставит под сомнение целесообразность ее использования. Также недостатком известного способа является дороговизна и сложность водородного комплекса. Использование взрывоопасного топлива требует значительных затрат на обеспечение безопасности.
Известен способ расхолаживания и вывода из работы энергоблока атомной электрической станции или ядерной энергетической установки другого назначения при полном обесточивании и устройство для его осуществления (см. патент РФ на изобретение №2162621, МПК G21C 15/18, G21D 3/00, опубл. 27.01.2001). Известный способ предусматривает ускоренный останов турбогенератора при полном обесточивании благодаря использованию остаточного тепловыделения реактора и аккумулированной тепловой энергии для генерирования водяного пара, срабатывающего в специально предназначенной для этого дополнительной паротурбинной установке. Дополнительная паротурбинная установка, получая пар из главного паропровода, обеспечивает подачу требуемого расхода питательной воды в паропроизводящую установку энергоблока и масла на подшипники штатного турбогенератора.
Недостатком известного способа является то, что паротурбинная установка в составе турбины, питательного насоса, масляного насоса и генератора постоянного тока находятся в режиме горячего резерва или в работе с минимальной нагрузкой, что снижает готовность к работе на случай аварийной ситуации и требует дополнительных затрат на поддержание ее в работоспособном состоянии.
Наиболее близким аналогом является известный способ расхолаживания водо-охлаждаемого реактора посредством многофункциональной системы отвода остаточного тепловыделения в условиях полного обесточивания АЭС (см. патент РФ на изобретение № 2601285, МПК G21D 01/00, F01K 23/10, G21C 15/18, G21D 03/08, опубл. 27.10.2016). Известный способ предусматривает обеспечение электроэнергией собственных нужд АЭС при полном обесточивании путем использования энергии остаточного тепловыделения активной зоны для генерации пара, используемого в качестве рабочего тела в дополнительной паровой турбине, генерирующей в аварийном режиме необходимую для расхолаживания электроэнергию, а в штатном режиме: электроэнергию в энергосеть за счет использования теплоты, аккумулированной в баке горячей воды в часы провала электрической нагрузки.
Недостатком является генерирование дополнительной ПТУ электроэнергии в энергосистему. Вследствие этого, при обесточивании АЭС дополнительная ПТУ будет также отключена. На запуск дополнительной ПТУ потребуется время. Кроме того, в связи с прекращением электроснабжения остановятся питательный и циркуляционные насосы. Таким образом для запуска предлагаемой системы придется использовать дизель-генератор, что ставит под сомнение целесообразность ее использования.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение бесперебойного электроснабжения собственных нужд АЭС при полном обесточивании станции.
Техническим результатом, достигаемым при использовании настоящего изобретения, является бесперебойное обеспечение электроэнергией собственных нужд АЭС при полном обесточивании станции путем использования энергии остаточного тепловыделения активной зоны реактора для генерации пара, применяемого в качестве рабочего тела в дополнительной маломощной паровой турбине, в штатном режиме также работающей на электроснабжение потребителей собственных нужд, используемых при расхолаживании реактора.
Указанный технический результат достигается тем, что на АЭС, содержащей парогенераторы, основную паротурбинную установку (ПТУ), подогреватели высокого (ПВД) и низкого (ПНД) давления, деаэратор, дополнительную паротурбинную установку, конденсаторы основной и дополнительной ПТУ, циркуляционные насосы конденсаторов основной и дополнительной ПТУ, быстродействующие редукционные установки с выхлопом в атмосферу (БРУ-а) и с выхлопом в конденсатор дополнительной турбины (БРУ-к), электрогенераторы основной и дополнительной ПТУ, основной питательный насос, дополнительный питательный электронасос, конденсатные насосы конденсаторов основной и дополнительной ПТУ, устройства парораспределения (1) и (2), масляные выключатели (1) и (2), закрытое распределительное устройство (ЗРУ), при этом входы основной и дополнительной ПТУ соединены трубопроводами с устройством парораспределения (2), основной и дополнительный питательные насосы подсоединены к деаэратору с одной стороны и к тракту питательной воды перед ПВД с другой, БРУ-к (1) подсоединен к устройству парораспределения (1) перед дополнительной ПТУ с одной стороны и к конденсатору дополнительной ПТУ с другой, БРУ-к (2) подсоединен к устройству парораспределения (2) перед основной ПТУ с одной стороны и к конденсатору основной ПТУ с другой, БРУ-а подсоединен к устройству парораспределения (2), конденсатный насос дополнительной ПТУ соединен с конденсатором дополнительной ПТУ с одной стороны и с трактом конденсата основной ПТУ после конденсатного насоса основной ПТУ перед подогревателями низкого давления с другой, электрогенератор основной ПТУ синхронизирован с энергетической системой, к ЗРУ подключены электрогенератор дополнительной ПТУ через масляный выключатель (1), энергосистема через масляный выключатель (2) и система электроснабжения собственных нужд, согласно изобретения, дополнительная ПТУ всегда работает на электроснабжение потребителей собственных нужд, используемых в процессе расхолаживания реактора при обесточивании, в том числе: дополнительный питательный электронасос, конденсатные насосы основной и дополнительной ПТУ, циркуляционные насосы основной и дополнительной ПТУ, масляные насосы основной и дополнительной ПТУ, при этом энергетическая система отключена от ЗРУ, благодаря чему при полном обесточивании АЭС дополнительная паротурбинная установка продолжает бесперебойно вырабатывать необходимую для электроснабжения собственных нужд станции электроэнергию посредством использования пара, получаемого в парогенераторах за счет энергии остаточного тепловыделения активной зоны реактора, при этом избыточная часть генерируемого пара направляется через БРУ-к в конденсаторы основной и дополнительной ПТУ.
Указанный технический результат достигается тем, что на АЭС, содержащей парогенераторы, основную паротурбинную установку (ПТУ), подогреватели высокого (ПВД) и низкого (ПНД) давления, деаэратор, дополнительную паротурбинную установку, конденсаторы основной и дополнительной ПТУ, циркуляционные насосы конденсаторов основной и дополнительной ПТУ, быстродействующие редукционные установки с выхлопом в атмосферу (БРУ-а) и с выхлопом в конденсатор дополнительной турбины (БРУ-к), электрогенераторы основной и дополнительной ПТУ, основной питательный насос, дополнительный питательный электронасос, конденсатные насосы конденсаторов основной и дополнительной ПТУ, устройства парораспределения (1) и (2), масляные выключатели (1) и (2), закрытое распределительное устройство (ЗРУ), при этом входы основной и дополнительной ПТУ соединены трубопроводами с устройством парораспределения (2), основной и дополнительный питательные насосы подсоединены к деаэратору с одной стороны и к тракту питательной воды перед ПВД с другой, БРУ-к (1) подсоединен к устройству парораспределения (1) перед дополнительной ПТУ с одной стороны и к конденсатору дополнительной ПТУ с другой, БРУ-к (2) подсоединен к устройству парораспределения (2) перед основной ПТУ с одной стороны и к конденсатору основной ПТУ с другой, БРУ-а подсоединен к устройству парораспределения (2), конденсатный насос дополнительной ПТУ соединен с конденсатором дополнительной ПТУ с одной стороны и с трактом конденсата основной ПТУ после конденсатного насоса основной ПТУ перед подогревателями низкого давления с другой, электрогенератор основной ПТУ синхронизирован с энергетической системой, к ЗРУ подключены электрогенератор дополнительной ПТУ через масляный выключатель (1), энергосистема через масляный выключатель (2) и система электроснабжения собственных нужд, согласно изобретения, дополнительная ПТУ всегда работает на электроснабжение потребителей собственных нужд, используемых в процессе расхолаживания реактора при обесточивании, в том числе: дополнительный питательный электронасос, конденсатные насосы основной и дополнительной ПТУ, циркуляционные насосы основной и дополнительной ПТУ, масляные насосы основной и дополнительной ПТУ, при этом избыток электроэнергии отдается в энергетическую систему, при полном обесточивании АЭС в момент возникновения аварии связь ЗРУ с энергосистемой разрывается посредством масляного выключателя (2), а дополнительная паротурбинная установка, автоматическая защита которой настроена с запасом по отношению к масляному выключателю (2), продолжает бесперебойно вырабатывать необходимую для электроснабжения собственных нужд станции электроэнергию посредством использования пара, получаемого в парогенераторах за счет энергии остаточного тепловыделения активной зоны, при этом избыточная часть генерируемого пара направляется через БРУ-к в конденсаторы основной и дополнительной ПТУ.
Сущность изобретения заключается в обеспечении бесперебойного электроснабжения собственных нужд АЭС при полном обесточивании станции, путем генерации пара в парогенераторах за счет остаточного тепловыделения активной зоны реактора и использования его в дополнительной паротурбинной установке, генератор которой подключен к потребителям собственных нужд, которые должны находится в работе при расхолаживании реактора, благодаря чему, при обесточивании станции, дополнительная ПТУ остается в работе.
Изобретение иллюстрируется чертежом (фиг. 1), где показана схема бесперебойного электроснабжения собственных нужд АЭС. Позиции на чертежах обозначают следующее: 1 - устройство парораспределения (1); 2 - дополнительная паротурбинная установка; 3 - электрогенератор дополнительной ПТУ; 4  циркуляционный насос конденсатора дополнительной ПТУ; 5 - масляный выключатель (1); 6 - масляный выключатель (2); 7 - закрытое распределительное устройство; 8 - конденсатор дополнительной ПТУ; 9 - конденсатный насос дополнительной ПТУ; 10 - электрогенератор основной ПТУ; 11 - основная ПТУ; 12 - стопорный клапан; 13 - устройство парораспределения (2); 14 - парогенераторы; 15 - подогреватели высокого давления; 16 - основной питательный насос; 17 - дополнительный питательный электронасос; 18 - деаэратор;  19 - подогреватели низкого давления; 20 - конденсатный насос основной ПТУ; 21 - конденсатор основной ПТУ; 22 - циркуляционный насос конденсатора основной ПТУ; БРУ-а - быстродействующая редукционная установка с выхлопом в атмосферу; БРУ-к - быстродействующая редукционная установка с выхлопом в конденсатор турбины.
В эксплуатационном режиме пар генерируемый в парогенераторах 14 направляется в устройство парораспределения (2) 13 откуда основная часть пара подается в основную ПТУ 11, генератор 10 которой синхронизирован с энергосистемой. ПТУ 11 работает на выработку электроэнергии в энергосистему. Отработавший в ПТУ 11 пар подается в конденсатор 21, откуда конденсат конденсатным насосом 20 подается через подогреватели низкого давления 19 в деаэратор 18. Оттуда питательными насосами 16 и 17 питательная вода через подогреватели высокого давления 15 подается в парогенераторы 14. Оставшаяся часть пара после устройства парораспределения (2) 13 подается через парораспределительное устройство (1) 1 на дополнительную ПТУ 2, генератор 3 которой подключен к системе собственных нужд станции. Дополнительная ПТУ работает на электроснабжение используемых в процессе расхолаживания реактора при полном обесточивании потребителей собственных нужд, в том числе: дополнительный питательный электронасос 17, конденсатные насосы основной 20 и дополнительной 9 ПТУ, циркуляционные насосы основной 22 дополнительной 4 ПТУ, масляные насосы основной и дополнительной ПТУ. Отработавший в ПТУ 2 пар подается в конденсатор 8, откуда конденсат посредством конденсатного насоса 9 подается в тракт конденсата основной ПТУ после конденсатного насоса основной ПТУ 20, перед подогревателями низкого давления 19.
Согласно первому варианту в штатном режиме работы ЗРУ 7 отключен от энергосистемы. При отказе дополнительной ПТУ 2 электрогенератор 3 отключается от ЗРУ 7 посредством масляного выключателя (1) 5, а энергосистема подключается к ЗРУ.
Согласно второму варианту электрогенератор дополнительной ПТУ 3 синхронизирован с энергосистемой. Избыток электроэнергии, генерируемой в дополнительной ПТУ 2, через ЗРУ 7 направляется в энергосистему. При аварии в энергосистеме, ЗРУ 7 отключается энергосистемы посредством масляного выключателя (2) 6. Автоматическая защита дополнительной ПТУ 2 настроена с запасом по отношению к масляному выключателю (2) 6, который должен отключаться по частоте при наступлении системной аварии в первую очередь прежде турбины 2.
В аварийной ситуации, вызванной обесточиванием, стопорный клапан 12 закрывается, основная турбина 11 останавливается. На дополнительную паровую турбину 2 продолжает поступать пар из парогенераторов 14, генерируемый остаточным тепловыделением активной зоны реактора. Паровая турбина 2 продолжает работу на электроснабжение потребителей собственных нужд. Отработавший в ПТУ 2 пар конденсируется в конденсаторе 8 и посредством конденсатного насоса 9 подается в тракт конденсата перед ПНД 19, откуда через деаэратор 18 и неработающие ПНД 19 и ПВД 15 посредством дополнительного питательного электронасоса 17 подается в парогенераторы 14. Избыток генерируемого в парогенераторах 14 пара направляется через БРУ-к в конденсаторы 21 и 8. При невозможности принять весь объем избыток пара сбрасывается в атмосферу через БРУ-а и предохранительные клапаны парогенераторов.
Отличительным признаком Способа бесперебойного электроснабжения собственных нужд АЭС является бесперебойное обеспечение электроэнергией собственных нужд АЭС при полном обесточивании станции путем использования энергии остаточного тепловыделения активной зоны реактора для генерации пара, применяемого в качестве рабочего тела в дополнительной маломощной паровой турбине. Результат достигается благодаря тому, что электрогенератор постоянно работающей дополнительной ПТУ всегда подключен к потребителям собственных нужд и может работать независимо от энергосистемы, вследствие чего при наступлении аварии сохраняется необходимая для бесперебойной работы дополнительной ПТУ нагрузка.