СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ АВТОНОМНОЙ ДВУХКОНТУРНОЙ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ ПРИ ИЗМЕНЕНИЯХ ВНЕШНЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ
METHOD OF MANAGING AUTONOMOUS TWO-CIRCUIT NUCLEAR ENERGY INSTALLATION AT CHANGES OF EXTERNAL ELECTRICAL LOAD

Предлагаемое техническое решение относится к ядерной энергетике и может быть использовано для управления автономными ядерными энергетическими установками с реакторами водо-водяного типа, имеющими в своем составе турбогенераторную установку, включая стационарные и транспортные установки, при изменениях внешней электрической нагрузки.
Система управления ядерной энергетической установкой (энергоблоком) является системой дистанционного управления, а не системой автоматического управления, так как управляет энергоблоком оператор, а не автомат. Система управления в значительной степени автоматизирована, но за оператором сохраняется возможность при необходимости отключить любой автомат и перевести управление этим элементом установки на дистанционное управление.
Для простоты управления энергоблоком система управления должна быть автоматизирована в такой степени, чтобы управление мощностью энергоблока осуществлялось за счет изменения мощности ядерного реактора или мощности турбоагрегата, а второй элемент энергоблока; турбоагрегат или ядерный реактор соответственно, по мощности должен автоматически следовать за управляемым элементом.
Выбор принципов регулирования является важным этапом в разработке, так как даже при работе установки в базовом режиме, т.е. практически при постоянной мощности, для энергоблоков возникают проблемы при отработке внутренних и внешних возмущений системой управления, состоящей из отдельных локальных регуляторов.
Известен способ автоматического управления энергоблоком атомной электростанции, заключающийся в отслеживании изменений внешней нагрузки системой регулирования турбины, установке требуемой мощности турбины при помощи регулирующего клапана, изменяющего расход пара на турбину и регулировании давления пара изменением положения клапана питательной воды парогенератора по сигналу отклонения давления пара от заданного значения и управлением скоростью насоса питательной воды по отклонению сигнала расхода питательной воды от своего заданного значения с последующим изменением мощности реактора путем перемещения органов регулирования (см., например, патент №2565605, RU, опуб. 20.10.2015, кл. МПК G21C 3/36, патент №2565772, RU, опуб. 20.10.2015, кл. МПК G21C 3/36).
Недостатки данного способа заключаются в следующем:
- для поддержания частоты вращения турбины в заданных пределах при изменениях внешней электрической нагрузки требуется высокое быстродействие регулирующего клапана;
- имеется значительное запаздывание в контуре регулирования давления пара, равное, как минимум, времени испарения питательной воды в парогенераторе;
- при практически любых изменениях нагрузки необходимо маневрирование мощностью реактора.
Известен способ управления энергетической установкой, работающей на возобновляемом источнике энергии, например ветроэнергетической установкой, имеющей в своем составе турбину и генератор, заключающийся в использовании аккумуляторной батареи для накопления электрической энергии и отработки изменений внешней электрической нагрузки, при этом снижается интенсивность управляющих воздействий на турбину и генератор (см., например, патент №2095913, RU, опуб. 10.11.1997, кл. МПК H02J 7/35, H02J 15/00, F03D 9/02, патент №2382900, RU, опуб. 27.02.2010, F03D 9/02, H02J 7/34, Н02К 7/18).
При этом особенностью работы энергетической установки, работающей на возобновляемом источнике энергии, является то, что мощность источника существенно зависит от неуправляемых природных факторов (силы ветра, интенсивности солнечного излучения и т.п.) и оперативное управление этой мощностью затруднено в отличие от мощности ядерной энергетической установки.
Известный способ управления энергетической установкой на основе использования аккумуляторной батареи не противоречит новизне и изобретательскому уровню заявляемого способа в связи с тем, что аккумуляторная батарея в известном способе предназначена для обеспечения потребителей при пониженной либо нулевой мощности источника.
Известен способ управления ядерной энергетической установкой (энергоблоком атомной электростанции), заключающийся в отслеживании изменений внешней нагрузки системой регулирования турбины при помощи регулирующего клапана, изменяющего расход пара на турбину по сигналу на поддержание частоты вращения турбины, и регулировании давления пара изменением положения клапана питательной воды парогенератора по сигналу отклонения давления пара от заданного значения, а также использованием схемы коррекции уставки заданной мощности реактора по сигналам отклонения давления пара от заданного значения и отклонения частоты вращения турбины от заданного значения (см., например, Юркевич Г.П. "Системы управления ядерными реакторами. Принципы работы и создания", М., 2009, стр. 331, рис. 5.12).
Недостатки данного способа заключаются в следующем:
- для поддержания частоты вращения турбины в заданных пределах при изменениях внешней электрической нагрузки требуется высокое быстродействие регулирующего клапана;
- имеется значительное запаздывание в контуре регулирования давления пара, равное, как минимум, времени испарения питательной воды в парогенераторе;
- при практически любых изменениях нагрузки необходимо маневрирование мощностью реактора.
Кроме того, использование при управлении схемы коррекции заданной мощности реактора, направленное на увеличение маневренности энергоблока, одновременно ведет к повышению нагруженности оборудования установки вследствие более интенсивного маневрирования мощностью реактора.
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в согласовании электрических процессов во внешней нагрузке с механическими и тепловыми процессами в турбогенераторной и реакторной частях установки за счет аккумулирования или расходования заряда в аккумуляторной батарее.
Решение технической задачи позволяет получить технический результат, заключающийся в улучшении условий эксплуатации ядерной энергетической установки, в повышении ее надежности и увеличении ресурса, при сохранении маневренности со стороны потребителей электрической энергии.
Технический результат реализуется предложенной совокупностью признаков, характеризующих способ управления автономной двухконтурной ядерной энергетической установкой при изменениях внешней электрической нагрузки, включающей отслеживание указанных изменений системами регулирования реакторной части установки и ее турбогенераторной части, состоящей из турбины и генератора, с использованием сигнала поддержания частоты вращения турбины и сигнала поддержания давления пара перед регулирующим клапаном, изменяющим расход пара на турбину, путем изменения расхода питательной воды при помощи питательного клапана, входящего в систему регулирования расхода питательной воды, и последующего соответствующего изменения мощности реактора, при этом поддержание частоты вращения турбины обеспечивают путем использования генератора, выполненного по асинхронному типу и подключенного к дополнительно введенной в состав ядерной энергетической установки аккумуляторной батарее через управляемый активный выпрямитель, обеспечивающий передачу асинхронному генератору реактивной мощности заданной частоты тока, сигнал на изменение заданного значения расхода питательной воды и заданной мощности реактора формируют по необходимой величине тока заряда/разряда аккумуляторной батареи либо по ее необходимому напряжению, а с помощью регулирующего клапана подачи пара на турбину поддерживают давление перед последним, кроме того, поддержание параметров асинхронного генератора внутри устойчивой области механической характеристики обеспечивают за счет использования блока обратной связи по току выпрямителя.
Предложенный способ управления ядерной энергетической установкой позволяет уменьшить запаздывание управляющих воздействий, направленных на поддержание частоты вращения турбогенератора. Это связано с тем, что частоту вращения турбогенератора поддерживают за счет регулирования мощности его электрической нагрузки с учетом саморегулирующих свойств асинхронного генератора, работающего в устойчивой области механической характеристики. При этом регулирование мощности электрической нагрузки осуществляется путем заряда/разряда аккумуляторной батареи, а не за счет быстродействия регулирующего клапана. Это приводит к уменьшению требований к быстродействию клапана и уменьшению механической нагрузки в самом клапане, что соответственно увеличивает ресурс его работы.
Поддержание давления пара перед регулирующим клапаном осуществляется самим этим клапаном - при увеличении давления пара перед клапаном последний открывается, уменьшая тем самым свое гидравлическое сопротивление и снижая давление перед собой и наоборот. При этом поскольку регулирование происходит за счет непосредственного изменения расхода пара, а не за счет изменения расхода питательной воды, это позволяет уменьшить запаздывание управляющих воздействий, направленных на поддержание давления, на время, необходимое для испарения питательной воды в парогенераторе.
Суть предложенного способа поясняется схемами, приведенными на фиг. 1 и 2. На фиг. 1 приведена общая схема управления ядерной энергетической установкой, на фиг. 2 - схема управления электрической нагрузкой, иллюстрирующая перераспределение электрической мощности между генератором и аккумуляторной батареей.
Кроме того, на схемах использованы следующие обозначения:
п
Р - давление пара,
зад
Р - заданное значение по давлению пара,
п
ΔР - отклонение давления пара от заданного значения,
пв
G - расход питательной воды,
пв
зад
G - заданное значение по расходу питательной воды,
пв
Δ G - отклонение расхода питательной воды от заданного значения,
тг
ω - частота вращения турбины,
тг зад
ω - заданное значение по частоте вращения турбины,
тг
Δ ω - отклонение частоты вращения турбины от заданного значения,
общ
U - напряжение в общей точке между выпрямителем, аккумуляторной батареей и нагрузкой,
выпр
Е - напряжение (ЭДС) выпрямителя,
выпр
r - внутреннее сопротивление выпрямителя,
АБ
I - ток заряда/разряда аккумуляторной батареи,
нагр
I - ток нагрузки,
выпр
I - ток выпрямителя,
ОС
I - ток обратной связи,
АБ
r - внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи,
АБ
Е - напряжение (ЭДС) аккумуляторной батареи,
нагр
R - сопротивление нагрузки,
А - амперметр,
V - вольтметр,
- заданная скорость изменения расхода питательной воды.
Пример реализации способа управления ядерной энергетической установкой рассмотрен для энергетической установки, где в качестве источника тепла использован ядерный реактор 1 и парогенератор 2, образующие реакторную часть установки или первый контур циркуляции.
Турбогенераторная часть установки или второй контур циркуляции содержит турбину 3 с асинхронным генератором 4. Электрический ток, полученный в турбогенераторной части установки при преобразовании асинхронным генератором 4 тепловой мощности турбины 3 в электрическую мощность, подают на внешнюю электрическую нагрузку 5. Также в составе второго контура присутствуют: регулирующий клапан подачи пара на турбину 6, конденсатор 7, клапан травления 8, обеспечивающий, при необходимости, сброс пара непосредственно в конденсатор 7, питательный насос 9, обеспечивающий подачу питательной воды в парогенератор 2 через питательный клапан 10, регулирующий расход питательной воды.
Электрический ток от асинхронного генератора 4 подают на внешнюю электрическую нагрузку 5 и на заряд аккумуляторной батареи 11, подключенной параллельно внешней электрической нагрузке 5 через управляемый активный выпрямитель 12.
Изменения давления пара во втором контуре, изменения частоты вращения турбины, изменения расхода питательной воды, изменения тока выпрямителя и изменения тока заряда/разряда аккумуляторной батареи отслеживают с помощью соответствующих датчиков: датчика измерения давления пара 13, датчика измерения частоты вращения турбины 14, датчика измерения расхода питательной воды 15, датчика измерения тока выпрямителя 16 и датчика измерения тока заряда/разряда аккумуляторной батареи 17. Сигналы с датчиков отслеживают с помощью соответствующих электронных систем, в том числе блоков сравнения 18 и 19, блока суммирования 20, релейного блока 21 и блока обратной связи 22. В качестве регуляторов, обеспечивающих поддержание заданного давления пара перед регулирующим клапаном 6, заданного значения расхода питательной воды и заданного значения частоты вращения турбины 3, используют традиционные пропорционально - интегрально - дифференциальные регуляторы 23.
Управление ядерной энергетической установкой при изменениях внешней электрической нагрузки осуществляют следующим образом. При изменениях внешней электрической нагрузки 5 изменяется ток нагрузки и соответственно изменяется ток выпрямителя 12. Сигнал с датчика измерения тока выпрямителя 16 подают на блок обратной связи 22, и одновременно, напрямую подают на блок сравнения 18, где происходит сравнение тока обратной связи с током выпрямителя 12, и формируют сигнал сравнения. После блока сравнения 18 сигнал сравнения подают в блок суммирования 20 и затем в схему управления выпрямителем 12, что приводит к соответствующему изменению напряжения (ЭДС) выпрямителя 12. При этом ограничивается изменение тока выпрямителя 12, а электрическая мощность, снимаемая последним с асинхронного генератора 4, остается приблизительно постоянной.
В случае возникновения разбаланса между мощностью, передаваемой турбиной 3 асинхронному генератору 4, и мощностью, снимаемой с асинхронного генератора 4 выпрямителем 12, будет происходить отклонение частоты вращения турбины 3 от заданного значения. Сигнал об отклонении частоты вращения турбины 3, поступивший в блок суммирования 20 и из него - в схему управления выпрямителем 12, аналогично воздействует на его напряжение (ЭДС) и изменяет его мощность так, что разбаланс мощностей уменьшается и частота вращения турбины 3 возвращается к заданному значению.
Изменение напряжения (ЭДС) выпрямителя 12 одновременно влияет на работу аккумуляторной батареи 11. При этом происходит перераспределение электрической мощности между выпрямителем 12 и аккумуляторной батареей 11. При снижении напряжения (ЭДС) выпрямителя 12 ниже напряжения (ЭДС) батареи 11 ток внешней электрической нагрузки 5 будет обеспечиваться током разряда батареи 11 за вычетом тока выпрямителя 12. В противоположном случае выпрямитель 12 своим током обеспечивает ток внешней электрической нагрузки 5 и, дополнительно, ток заряда батареи 11.
Заданный режим работы батареи 11 (заряд, разряд, поддержание "нулевого" тока и др.) определяется оператором. В соответствии с заданным режимом формируют сигнал на изменение заданного значения расхода питательной воды, которое одновременно является и заданным значением мощности реактора 1. Сигнал формируют либо по необходимой величине тока заряда/разряда аккумуляторной батареи 11, либо по ее необходимому заряду. При этом изменение мощности реактора 1 производят путем изменения расхода питательной воды за счет изменения положения питательного клапана 10 или изменения скорости вращения питательного насоса 9. Изменение мощности реактора 1 производят со скоростью изменения расхода питательной воды, минимизирующей возмущения параметров реакторной установки.
Изменение расхода питательной воды с некоторым запаздыванием, определяемым временем, необходимым для испарения питательной воды в парогенераторе 2, приводит к изменению расхода пара, вырабатываемого парогенератором, и к изменению давления пара перед регулирующим клапаном 6. Вследствие отклонения давления пара от заданного значения формируют сигнал на изменение положения регулирующего клапана 6 в сторону поддержания давления пара, то есть при увеличении давления производят открытие регулирующего клапана 6, при уменьшении - закрытие. Изменение положения регулирующего клапана 6 приводит к изменению расхода пара, подаваемого на турбину 3, и к изменению мощности турбины 3 и соответственно ее частоты вращения. Изменение частоты вращения турбины 3 ведет к изменению скольжения асинхронного генератора 4 относительно частоты генерируемого активным выпрямителем 12 тока, что, в свою очередь, вызывает изменение электрической мощности, вырабатываемой асинхронным генератором 4. При этом новое значение электрической мощности с точностью до механических потерь устанавливается равным механической мощности турбины 3. Электрической мощностью, вырабатываемой асинхронным генератором 4 и передаваемой далее выпрямителю 12, обеспечивают заданный режим работы аккумуляторной батареи и с учетом подключенной внешней электрической нагрузки 5.
Оперативное отслеживание изменений внешней электрической нагрузки за счет перераспределения электрической мощности между турбиной, генератором и аккумуляторной батареей, с последующим неоперативным изменением мощности реакторной установки, позволяет осуществить эксплуатацию последней с минимальным количеством режимов маневрирования с изменением расхода питательной воды и при отсутствии травления пара в нормальных режимах.